新型低成本耐磨鋼磨損性能與機理研究

孫忠剛 王志輝 李杰 簡忠武

摘 ?要：本文利用美國CETR公司生產的YMT-3H摩擦磨損試驗機分別對低成本的SG耐磨鋼、Cr15高鉻鋼、75Mn高錳鋼進行了常溫“銷-盤旋轉”模式的摩擦試驗，對比分析了三種材料磨損性能與材料組織、硬度以及摩擦速度之間的關系。結果表明：三種鋼材的硬度相差不大，但SG耐磨鋼的耐磨損性能接近Cr15鋼的耐磨性能，并高于75Mn鋼的耐磨性能;三種材料中硬度越高材料耐磨性越差;當三種材料摩擦速度在42～125mm/s的范圍內時，隨著摩擦速度的增加，磨損速度加快。

關鍵詞：低成本;耐磨鋼;磨損性能

中圖分類號： TG70 ?????????文獻標識碼：A ????文章編號：2096-6903（2019）05-0000

0 引言

冷作模具所用鋼是由常溫下金屬變形或成形所構成。由于常溫下材料的抵抗塑性變形能力大因此這類模具在性能上具有較高的硬度、耐磨性、強度及適當的韌性。隨著現代制造業的發展，各種產品越來越注重產品外觀設計和個性化定制，具體表現在產品造型愈加復雜、產品更新換代速度越來越快，因此產品冷作模具的更換頻率也隨之提高。此外，小截面低質量的冷作模具鋼進入低價競爭的惡性循環。因此在保證產品質量的前提下降低材料成本，成為國內企業提高產品競爭力的重要手段之一。本文以某企業通過降低材料合金成分配比且采用特殊生產工藝研發的一款低成本耐磨鋼為研究對象，將其與傳統的高鉻鋼Cr15、高錳鋼75Mn進行對比研究。研究三種材料的組織、硬度、耐磨特性及磨損機理，為該耐磨鋼的在電機沖槽模具上的應用提供參考依據。

1 試驗材料及方法

1.1 材料化學成分及組織狀態

試驗材料分為SG耐磨鋼、Cr15鋼、75Mn鋼三種類型，三種鋼材的化學成分見表1-表3。

1.2 試驗方法

首先利用日本Olympus公司生產的GX51金相顯微鏡（見圖1）獲取三種鋼材的金相顯微組織;然后采用數顯布洛維硬度計SHBRV-187.5硬度儀測試三種鋼材的硬度值，在測試過程中為了減小測試誤差、提高測試數據的準確性，分別在與摩擦磨損式樣晶粒取向相同的面上選取5點測量，取其平均值作為測量結果;最后進行摩擦磨損試驗，摩擦磨損試驗所選試驗機為美國CETR公司YMT-3H摩擦磨損試驗機（見圖2），試驗條件為“銷-盤旋轉”模式，試樣尺寸為φ6.2mm×15mm，每摩擦磨損1min將試樣與夾具稱重一次。試驗依據Q/SY 072 141-2016金屬材料銷-砂紙盤式磨粒磨損試驗方法實施。

2 試驗結果分析

2.1 材料顯微組織

利用日本Olympus公司生產的GX51金相顯微鏡測出三種材料的顯微組織狀態如下：

（1）試驗用SG耐磨鋼的熱處理工藝為淬火+回火，金相顯微組織見圖3，基體為回火馬氏體和殘余奧氏體，其上分布有共晶萊氏體、碳化物及少量顆粒狀二次碳化物。

（2）試驗用Cr15鋼的熱處理工藝為淬火+回火，金相顯微組織見圖4，基體為黑色回火索氏體及部分保留下來的馬氏體，白色初生碳化物呈桿狀及多邊形，共晶碳化物呈菊花形，花心聚集的碳化物較小且向周圍輻射較多彎曲的條狀碳化物，整體形狀頗似菊花。

（3）試驗用75Mn鋼（彈簧鋼板）的熱處理工藝為淬火，金相顯微組織見圖5，全部為奧氏體組織，晶粒大小不均勻且晶界處未見明顯碳化物析出，水韌效果良好。

2.2 三種材質硬度試驗

采用數顯布洛維硬度計分別測試了SG耐磨鋼、Cr15鋼和75Mn鋼三種鋼材的布氏硬度，三種材料的硬度指標見表4。由表中測試數據可以看出，75Mn鋼材料的平均硬度值最大為28.3HB;Cr15平均硬度值最小為25.5HB。由表4可知：SG耐磨鋼和Cr15鋼的硬度值小于75Mn鋼，主要原因是前兩種材料的組織均為回火組織，75Mn鋼的組織全部是淬火奧氏體組織。此外SG耐磨鋼的硬度要高于Cr15鋼，主要原因在于SG耐磨鋼的主要組織為回火馬氏體組織，而Cr15鋼的主要組織為回火索氏體組織，回火馬氏體組織的硬度要高于回火索氏體的硬度。

2.3 三種材料磨粒磨損試驗結果與磨損機理分析

SG耐磨鋼、Cr15鋼和75Mn鋼三種鋼材的“銷-盤旋轉”磨損試驗數據如表5所示。由表5可知：SG耐磨鋼、Cr15鋼和75Mn鋼三種鋼材的平均總質量損失分別為44.95mg、39.15mg、86.40mg，其中Cr15鋼的耐磨性能最好，SG耐磨鋼次之，75Mn鋼的耐磨性能最差。Cr15鋼與SG耐磨鋼的磨損量相差較小而75Mn與SG耐磨鋼的磨損量相差較大。

一般情況下，材料的硬度越高其耐磨性越好。試驗所取三種材料硬度與磨損量之間的關系如圖6所示。由圖可知：在三種材料中，硬度越高其鋼材平均磨損量越大，即硬度高的材料其耐磨性高。由圖6可知三種材料硬度相差不大，但SG耐磨鋼和Cr15鋼的耐磨性要比75Mn鋼的耐磨性高很多。研究發現：影響材料耐磨性的微觀組織又要有基體組織、彌散相與夾雜物、晶界特性和內部缺陷等。因此出現上述試驗結果主要是由于三種材料的組織結構差異引起的。由于SG耐磨鋼和Cr15鋼有著類似的組織結構，因而其耐磨損性能比較接近;而75Mn鋼與前兩者的組織結構差異大，因此其耐磨性也與前兩者有較大差距。研究發現：SG耐磨鋼和Cr15鋼材組織中均含有高硬度的碳化物及二次碳化物，碳化物及二次碳化物能夠有效增強材料表面對砂紙盤磨粒壓入的抗力作用，從而有利于提高材料的耐磨性能。此外，碳化物能夠降低摩擦生熱和加熱脫碳，減輕粘著磨損，。

三種材料的摩擦試驗過程中試樣重量損失情況如圖7所示。從圖中可知：在相同的摩擦速度下，75Mn鋼試樣的磨損重量損失大于SG耐磨鋼的磨損重量損失而SG耐磨鋼的磨損重量損失大于Cr15鋼的磨損重量損失;隨著摩擦磨損時間的增加，各試樣重量損失逐漸增大且呈上升趨勢。

2.4 磨損性能與磨損速度的關系

在本試驗中，鋼材的磨損量與磨損時間呈拋物線增長關系，這是因為隨著摩擦試驗的進行，試樣與摩擦盤之間的相對摩擦速度增加造成的。

其瞬時摩擦速度計算公式為v=π×D×n

其中：π為常數（取值3.14）;

D為摩擦試樣與摩擦盤中心的距離;

n為摩擦盤的轉速。

本文結合實際摩擦試驗所得數據，計算出了0min、1min、2min、3min、4min各時刻摩擦試樣與摩擦盤相對摩擦速度，見表6。為了更加清晰的呈現與研究磨損量與摩擦速度之間的關系，根據表5、表6的數據計算得出樂各時間區間內平均摩擦速度與凈磨損量的關系，見圖8。由圖8可知：Cr15鋼隨著摩擦速度的增加，磨損量成線性增長;SG耐磨鋼隨著摩擦速度的增加，磨損量增長速度緩慢;而75Mn鋼隨著摩擦速度的增加磨損量先緩慢增長，當摩擦速度超過95mm/s后急劇增長。

3 結論

（1） 低成本的SG耐磨鋼與Cr15鋼、75Mn鋼相比其硬度基本相同但其耐磨損性能卻比75Mn鋼高出92.2%，與Cr15鋼的耐磨性相近。

（2）SG耐磨鋼、Cr15鋼及75Mn鋼三種材料中硬度越高其平均磨損量越大即硬度高的材料其耐磨性差。原因在于SG耐磨鋼和Cr15鋼材組織中含有高硬度的碳化物及二次碳化物，碳化物及二次碳化物能夠抵抗材料表面對砂紙盤磨粒的壓入，從而有利于提高材料的耐磨損性能。

（3）SG耐磨鋼與Cr15鋼、75Mn鋼三種材料摩擦速度在42～125mm/s的范圍內時，隨著摩擦速度的增加，磨損速度加快。

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收稿日期：2019-06-27

課題項目：湖南工業職業技術學院規劃課題（GYKYZ2013010）：電機沖槽模具磨損機理的研究。

作者簡介：孫忠剛（1983— ），男，山東威海人，碩士，講師，研究方向：機械工程;

王志輝（1985— ），男，湖南常德人，碩士，工程師，研究方向：材料組織性能研究;李杰（1979— ），男，湖南常德人，博士，高級工程師，研究方向：高強鋼微觀組織與性能研究;簡忠武（1984—），男，湖南株洲人，本科，講師，研究方向：模具設計與制造。

Study on Wear Performance and Mechanism of New Low Cost Wear Resistant Steel

SUN?Zhong-gang， WANG?Zhi-hui， LI?Jie， JIAN?Zhong-wu

（1.?Hunan Institute of Industry and Technology， Changsha?Hunan 410208;

2. Sany Heavy Industry Co.， LTD.， Changsha??Hunan 410100）

Abstract： In this paper， the friction test of low-cost SG wear-resistant steel， Cr15 high-chromium steel and 75Mn high-manganese steel was carried out by using the ymt-3h friction and wear testing machine produced by CETR company in the United States. The results show that the hardness of the three steels is not much different， but the wear resistance of SG wear-resistant steel is close to that of Cr15 steel， and higher than that of 75Mn steel. The higher the hardness of the three materials， the worse the wear resistance. When the friction velocity of the three materials is within the range of 42～125mm/s， the wear velocity accelerates with the increase of the friction velocity.

Key words： low cost; Wear resistant steel; The wear performance