新型TiC顆粒增強(qiáng)型耐磨鋼的耐磨性能研究

殷延濤

（山鋼股份萊蕪分公司寬厚板事業(yè)部，山東 萊蕪271104）

1 前言

金屬材料常見的失效方式有磨損、腐蝕和斷裂3種，由磨損所引起的經(jīng)濟(jì)損失十分驚人，我國每年因磨損造成的GDP損失高達(dá)4.5%左右，僅煤礦用刮板輸送機(jī)中部槽每年就消耗6萬～8萬t鋼板［1-2］。對于傳統(tǒng)低合金耐磨鋼來說，提高其耐磨性的主要方法是提高鋼中碳含量和淬火馬氏體的硬度。然而，隨著硬度的增加，鋼的加工性和焊接性將嚴(yán)重惡化，難以滿足裝備制造相關(guān)要求［3］。如何在不提高硬度的前提下大幅改善鋼的耐磨性，成為當(dāng)前耐磨鋼研究行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，在普碳鋼熔煉過程中原位自生引入TiC可以有效增強(qiáng)鋼的耐磨性能，同時兼具制備工藝簡單、界面相容性好、成本低且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢，因而極具發(fā)展?jié)摿Γ?-5］。中南大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在摩擦過程中，較軟的鋼基體發(fā)生塑性變形后，TiC粒子會露出，其顯微硬度達(dá)到3 200 HV，可以有效減輕介質(zhì)對基體的磨損［6］。目前興澄特鋼已經(jīng)試制出了新型TiC粒子增強(qiáng)性ZM4-13牌號的耐磨鋼，其抗拉強(qiáng)度＞1 400 MPa，屈服強(qiáng)度＞1 200 MPa，硬度范圍在430～460 HB，其耐磨性是進(jìn)口NM450的1.5倍以上，同時具有良好的冷熱加工性和可修復(fù)性能［7］。根據(jù)以上分析，開發(fā)新一代TiC粒子增強(qiáng)耐磨鋼對提升耐磨鋼領(lǐng)域的市場競爭力具有重要意義。

本文以已有工業(yè)化的傳統(tǒng)耐磨鋼（如HBW330-450級、NM450）的低合金高強(qiáng)度耐磨鋼為研究對象，在其成分的基礎(chǔ)上添加微合金元素Ti，得到TiC粒子，在不改變鋼的硬度的前提下，改善鋼的耐磨性能。

2 試驗方案

本試驗鋼的成分參考某鋼廠生產(chǎn)的HBW330-450級級別低合金高強(qiáng)度耐磨鋼，試驗鋼采用真空感應(yīng)熔煉爐ZGJL0.05-100-2.5D冶煉，澆注成25 kg的鋼錠，將其鍛造為80 mm×80 mm×80 mm的方坯。對兩種試驗鋼的化學(xué)成進(jìn)行分析檢測，結(jié)果表明兩種試驗鋼的成分符合設(shè)計要求，實(shí)測的成分見表1。本文中新型TiC顆粒增強(qiáng)型耐磨鋼簡稱為1#耐磨鋼，傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼簡稱為2#耐磨鋼。

表1 試驗鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

將1#和2#兩種耐磨鋼在同一冶煉、軋制及淬火工藝下進(jìn)行生產(chǎn)，得到馬氏體組織，然后分別在200、300、400、500、550、600、650 ℃條件下進(jìn)行回火，保溫1 h，最后空冷到室溫。鋼材的硬度測試參見GB/T 4340.2—2009《金屬材料維氏硬度試驗第一部分：試驗方法》，加載載荷砝碼為10 kg，加載時間為15 s。

3 試驗結(jié)果

3.1 回火溫度對硬度的影響

1#和2#耐磨鋼各回火溫度下的表面硬度如表2所示，可以看出在200～650℃回火，回火溫度增加時，兩種試驗鋼的硬度都隨之降低。這是因為經(jīng)過淬火處理之后，試驗鋼的組織為馬氏體，馬氏體基體含碳量高，原子排列緊密，因而其硬度高。隨后的回火過程中，隨著回火溫度的提升，碳原子也越加活潑，回火過程中碳原子容易析出，從而使基體中的碳元素含量降低，硬度隨之也降低。

表2 試驗鋼不同回火溫度下的表面硬度

也可以發(fā)現(xiàn)，2#耐磨鋼的表面硬度要稍微大于1#耐磨鋼，一方面，1#耐磨鋼中含Ti量較高，在回火過程中容易與碳原子結(jié)合形成TiC粒子析出，因而1#耐磨鋼基體中的碳元素含量要低于2#耐磨鋼；另一方面，2#耐磨鋼中的合金元素Mn、Cr和Mo的實(shí)際含量要高于1#耐磨鋼，這也是造成2#耐磨鋼硬度較高的原因之一。

3.2 顯微組織分析

1#耐磨鋼和2#耐磨鋼在不同溫度回火后1 000倍的金相圖片如圖1、圖2所示，可以看出1#耐磨鋼和2#耐磨鋼的組織轉(zhuǎn)變比較相似，回火溫度從200℃提高到650℃，回火鋼的顯微組織發(fā)生了顯著的變化。回火在200℃時，顯微組織由淬火狀態(tài)的板條狀馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體；回火溫度升高到400℃時，板條馬氏體逐漸消失，形成了較粗的回火屈氏體。相比于組織粗大的2#耐磨鋼，1#耐磨鋼的組織更加細(xì)小，這是因為1#試驗鋼中含有較多的Ti元素，Ti能與C生成難溶的碳化物質(zhì)點(diǎn)，富集于鋼的晶界處，其質(zhì)點(diǎn)釘扎在晶界處，在再加熱過程中阻止奧氏體晶粒的長大，在再結(jié)晶控軋過程中阻止形變奧氏體的再結(jié)晶，并可延緩再結(jié)晶奧氏體晶粒的長大，使轉(zhuǎn)變組織充分細(xì)化［8］。

圖1 1#耐磨鋼不同溫度回火后的金相圖片

圖2 2#耐磨鋼不同溫度回火后的金相組織

1#試驗鋼在不同溫度回火后的掃描電鏡圖片如圖3所示，組織中發(fā)現(xiàn)了許多TiC顆粒。在200℃回火后，圖3a組織中發(fā)現(xiàn)粗大的TiC顆粒，其直徑在2～5 μm范圍內(nèi)。圖3b為300℃回火后的組織，TiC顆粒的形態(tài)發(fā)生明顯的變化，組織中開始出現(xiàn)較多細(xì)小的均勻分布的TiC顆粒，其直徑為0.3～0.4 μm，但粗大的TiC顆粒依然存在。回火溫度升高到400℃，如圖3c所示，細(xì)小的TiC顆粒數(shù)量開始降低，大的TiC顆粒數(shù)量增加，TiC顆粒有聚集長大的趨勢。回火溫度升高到500℃以上，細(xì)小的TiC顆粒已經(jīng)消失，組織中存在大量的大顆粒TiC。

由于TiC與基體結(jié)合牢固，這使得分布于基體中的TiC顆粒可以有效地防止磨粒穿過基體，使磨粒對鋼磨損表面的切削作用大大變?nèi)酰虼耍c傳統(tǒng)耐磨鋼相比，引入TiC硬質(zhì)相明顯提高了耐磨鋼的耐磨損性能［9］。

圖3 1#耐磨鋼不同溫度回火后的掃描電鏡

4 耐磨性能試驗

將1#和2#兩種試驗鋼分別加工成Φ4 mm×10 mm的磨損試樣，經(jīng)過超聲波酒精清洗后，在磨損試驗機(jī)ML-100上測量磨損性能。試驗采用20 N的載荷，0.074 mm的砂紙，并且砂紙以60 r/min的速度勻速旋轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)1次（60 r）和反轉(zhuǎn)1次（60 r）后停止，取下試樣，超聲波酒精清洗風(fēng)干后，用電子天平稱重并計算失重。每種樣品測試5次，取5次實(shí)驗的平均失重值作為實(shí)驗的最終結(jié)果，1張砂紙只用于1個試樣磨損。

表3為1#和2#耐磨鋼各回火溫度下磨損失重數(shù)據(jù)，可以看出，對于2#耐磨鋼，回火溫度在200～650℃的范圍內(nèi)提升時，耐磨性能逐漸降低，這與前述2#耐磨鋼的硬度規(guī)律相同。對于1#耐磨鋼，回火溫度在200～550℃的范圍內(nèi)提升時，耐磨性能會逐漸地降低，主要原因是硬度降低的影響；而在回火溫度為550～650℃的范圍內(nèi)提升時，試驗鋼的耐磨性能逐漸提升，這是因為回火溫度在550℃以上時，隨著回火溫度的提升，TiC顆粒析出越多，而且會發(fā)生粗化，硬質(zhì)的大顆粒TiC增多，對磨粒運(yùn)動的阻礙作用也越強(qiáng)，從而提升鋼的耐磨性能。在同一回火溫度下1#耐磨鋼的磨損失重要比2#耐磨鋼的磨損失重少1.3倍以上，意味著1#耐磨鋼的耐磨損性能好于2#耐磨鋼。

表3 耐磨鋼在不同回火溫度下的磨損失重 g

兩種耐磨鋼銷盤磨損試樣5 000倍表面形貌如圖4所示，可以看出TiC顆粒增強(qiáng)型耐磨鋼的磨損形貌為犁溝和切削磨損，這兩種磨損同時存在，交叉對鋼表面進(jìn)行磨損。傳統(tǒng)耐磨鋼的磨損形貌為切削磨損。

圖4 耐磨鋼磨損后的掃描電鏡

在載荷力作用下，1#耐磨鋼表面部分磨粒嵌入試驗鋼表層，在砂紙與試樣相對滑動過程中，磨粒將材料擠向溝槽兩側(cè)，形成犁溝。有些磨粒嵌入的深度較淺，在切向分力的作用下，磨粒沿平行于試驗鋼表面方向滑動，在切削試樣鋼表面形成微觀切削磨損。在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動過程中，小部分磨粒脫離砂紙，產(chǎn)生了與試樣切線方向呈一定角度的切削力，使試樣產(chǎn)生不同角度的犁溝和切削磨損形貌。

5 結(jié)論

5.1 傳統(tǒng)耐磨鋼的回火溫度在200～650℃時，隨著溫度的升高，耐磨性能逐漸降低；引入TiC顆粒后，回火溫度在200～550℃時，耐磨性能隨著回火溫度的提升而降低，在550～650℃時，隨著回火溫度的升高，耐磨性能提升，Ti元素能夠在高溫回火過程中析出微米級別TiC大顆粒硬質(zhì)相，這種內(nèi)生硬質(zhì)相的存在能夠有效提升鋼的耐磨性能。

5.2 在不同回火溫度下TiC粒子增強(qiáng)型耐磨鋼的耐磨性能要比傳統(tǒng)的HBW330-450級提升1.3倍以上，且TiC粒子增強(qiáng)型耐磨鋼的組織比傳統(tǒng)耐磨鋼組織更加細(xì)小，這是因為析出的TiC顆粒釘扎在晶界處，阻止奧氏體晶粒的長大，提高其力學(xué)性能。