微量Nb 對低碳合金耐磨鑄鋼的力學及摩擦磨損性能的影響

白 云，孫亞肖，李富強，趙延闊

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著工程機械的不斷發展，人們對耐磨鑄鋼的強度、韌性及耐磨性能的要求越來越高[1]。低碳合金耐鑄鋼的合金含量較低，且淬透性好，便于進行熱處理，經淬火+低溫回火處理后，能夠形成低碳馬氏體組織，硬度和強度比較高，綜合力學性能和耐磨性能較好，應用范圍相對廣泛[2]。

Nb 作為一種強碳化物形成元素,在再結晶過程中,因NbC 對位錯的釘扎及對亞晶界的遷移進行阻止等作用,從而大大增加了再結晶的時間。在高于臨界溫度時,Nb 元素對再結晶的作用表現為溶質拖曳機制,而在低于臨界溫度時,則表現為析出釘扎機制。Nb 在鋼中提高奧氏體的再結晶溫度,從而達到細化奧氏體晶粒的目的[3]。因此，微量的Nb 可使鋼得到較好的綜合性能。

本工作主要研究微量合金元素Nb（≤0.1%）對低碳合金鑄鋼的性能的影響，并研究了Nb 微合金化低碳合金鋼的滑動磨損機理。

1 試驗方法

試驗采用工業中頻感應電爐熔煉，澆注成25kg 鋼錠，成分表如表1 所示。使用箱式電阻爐進行水淬和回火處理。拉伸試驗在WI-25 型油壓萬能材料試驗機上進行，拉伸試棒直徑為12.5mm，標距為50mm；沖擊試驗在JB-30B 型沖擊試驗機上進行，采用U 型缺口試樣；材料的滑動耐磨性能在金屬磨耗試驗機上進行：轉動速度185r/min，滑動速度0.387m/s，接觸載荷為250、500、650、800N，干磨，試樣對磨5×104周次后，用稱重法稱重每對試樣的磨損量。磨損形貌的觀測實驗在S-3700 N 型掃描電子顯微鏡上進行。

表1 實際化學成分表 w/%

該材料經過水淬和回火處理。力學性能如表2 所示。

表2 Nb 元素對力學性能的影響

2 Nb 元素對性能的影響

從圖1 可以看出，隨著Nb 元素含量的不斷增加，材料的抗拉強度和硬度明顯升高，達到1535MPa，硬度達到46HRC。

圖1 Nb 含量對強度的影響

表3 是耐磨鋼在滑動磨損條件下的失重量情況,由此可知試樣的耐磨性能隨著Nb 元素含量的不斷增加而增加，試樣的磨損量隨著試樣加載而增加。Nb 元素含量增加到0.03 以后，其磨損量增加值逐漸變小。

表3 材料成分對摩擦結果的影響

圖3 Nb 含量對耐磨度的影響

如圖2～3 所示當材料中Nb 含量增加時，材料的耐磨性也出現了上升趨勢，但是在Nb 含量達到0.06%以后，耐磨性能趨于平穩，與材料的硬度變化趨勢一致。這是因為Nb 含量的增加促使碳化物隨之增加，在熱處理過程中作為奧氏體轉變時新相的核心，抑制晶粒的長大，不僅提高了硬度，還有效改善了材料的沖擊韌性，增強了抵抗磨粒磨損的能力[4]。

圖2 Nb 含量對磨損量的影響

3 不同載荷下的滑動磨損機理研究

圖4 是4# 試驗材料在固定磨損轉動速度185r/min 下,分別經250、500、650、800N 不同載荷條件下的摩損量曲線。從圖中可知隨著載荷增加，磨損量迅速增加。從250N 載荷下0.07g 的磨損量到800N 載荷下0.73g 的磨損量。

圖4 不同載荷對磨損量的影響

圖5 是試驗鋼在固定磨損轉動速度185r/min條件下,分別經250、500、605、800N 載荷下磨損5×104周次后的摩擦磨損表面的電子掃描照片。由圖5a 可以看出,在250～500N 載荷作用下,磨損表面有溝槽,也有少部分塑性變形,表層相對光滑,磨損機理主要是磨粒磨損。隨著加載載荷的不斷增大,在650N載荷作用下,磨損表面出現了明顯溝槽，塑形變形面積增大,其磨損量也較大。在把載荷增加到800N 作用的條件下,磨損表面出現大面積的塑性變形，隨著摩擦熱的不斷增加,導致磨損表面溫度上升,磨損形貌上有大顆粒的剝落物粘著在磨損表面上,表現為粘著現象,其磨損量出現了快速上升,其耐磨性能明顯降低。

圖5 不同載荷下的磨損形貌

在干摩擦條件下，材料的磨損主要分為三個階段：合金表面發生相互作用；在摩擦力作用下接觸區表面材料性能發生變化：表面層的破壞和磨屑的脫落。

滑動磨損使表面微凸體發生劇烈破壞、壓碎和塑性變形，產生脫落的金屬微細顆粒；同時劇烈的變化產生大量摩擦熱，摩擦熱在試樣表面與摩擦副之間聚集，溫度升高，試樣氧化，形成一層致密的氧化膜，氧化膜因較高的加載而破裂，轉而產生大量微細氧化物顆粒，氧化顆粒主要是FeO、Fe2O3和Fe3O4，具有較高的硬度；金屬微細顆粒與氧化硬質顆粒在摩擦副與試樣之間沿摩擦副滾動方向滑動，刮擦試樣，在試樣表面形成勻細磨痕，加速試樣磨損[5]。

加載越大，磨損初期越劇烈。隨著磨損試驗進行，滑動距離增加，溫度增加，試樣表面微凸體軟化而發生塑性變形與摩擦副粘著，粘著磨損發生；氧化顆粒嵌入發生塑性變形的金屬表面形成細小的擦傷和劃痕，磨損進一步加劇。加載越大，試樣溫度越高，氧化磨損越劇烈。

4 結論

（1）Nb 含量達到0.6%時，抗拉強度可以達到1545MPa，硬度達到46HRC，磨損系數達到6.41，達到良好的綜合使用性能。

（2）低碳合金鑄鋼在250～500N 載荷作用下,磨損機理主要是磨粒磨損。在載荷增加到800N作用的條件下,表現為粘著磨損。