不同淬火溫度下NM500/Q345復合板耐磨層的摩擦磨損性能研究

趙廣輝，張健，宋耀輝，李娟，李華英，帥美榮

不同淬火溫度下NM500/Q345復合板耐磨層的摩擦磨損性能研究

趙廣輝，張健，宋耀輝，李娟，李華英，帥美榮

（太原科技大學 太原重型機械裝備協同創新中心，太原 030024）

耐磨鋼/碳鋼復合板不僅具有高強耐磨的雙重性能優勢，還可以降低能耗及生產成本。針對不同淬火工藝研究該復合板耐磨層NM500的耐磨性，對NM500/Q345復合板進行不同淬火溫度下的干滑動摩擦磨損試驗。借助顯微硬度計測量試樣表面的硬度，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、白光干涉三維表面輪廓儀等分析該復合板耐磨層NM500的金相組織、磨痕的宏/微觀形貌以及磨損機理。研究結果表明，當淬火溫度為860～920 ℃時，淬火前后的硬度差別很大，淬火后的試樣相比淬火前的試樣硬度有很大的提高，隨溫度的上升先增加再降低，在溫度為880 ℃時達到最高；摩擦因數曲線完全符合標準的干滑動摩擦磨損曲線，先快速上升然后有一定程度下降，最后趨于平穩；淬火后的磨損體積相比于淬火前會有很大程度減小，在淬火溫度為860 ℃時，磨損量最少，耐磨性最好。

NM500/Q345復合板；淬火；摩擦因數；磨損機理

隨著科學技術的進步，機械設備的運行速度加快，對零件耐磨性的要求也越來越高。當一個設備及其零部件受到較為嚴重的磨損后，不僅可能會大幅度降低其生產效率，還可能造成極大的資金和材料浪費，嚴重的磨損很有可能會直接導致重大人員傷亡事故，引發災難性后果[1—2]。

傳統耐磨材料比如高錳鋼、耐磨鑄鐵鋼和低合金耐磨鋼等都具有較好的耐磨性，且它們都能夠同時承受較大的外力沖擊和較高的應力，適用于惡劣的工況，用這些材料制造零部件可顯著提高機械設備的使用壽命。高錳鋼只有在高沖擊負荷的工作條件下，才能產生加工硬化，而在低沖擊工況下，高錳鋼的加工硬化能力得不到充分發揮[3]。耐磨鋼添加了較多的合金元素，極大增加了生產制造成本，因此利用價格相對低廉的Q345作為基層，以低合金鋼NM500作為覆層，通過真空熱軋法制備出高強耐磨復合板，該耐磨鋼復合板充分利用了基覆層金屬的性能優勢，彌補了各自的不足，實現了性能互補，同時也節約了大量的稀缺貴金屬資源，降低能耗，這對于企業發展和國家經濟建設具有重要的意義[4]。

目前，關于軋制態耐磨鋼-碳鋼的研究并不多，Li等[5]研究發現軋制壓下量的增加可以促進NM500鋼與Q345鋼的冶金結合；邱俊等[6]研究發現經過900 ℃的淬火和250 ℃的回火后，耐磨鋼與碳鋼Q345的復合界面接觸良好；蘭昆[7]利用熱模擬試驗機對單道次下的耐磨鋼-碳鋼復合板界面的變形抗力進行了研究；李晉等[8]研究了熱軋NM360/Q345R復合板在壓下率達到70%時，拉伸斷裂面平整，未出現分層。目前少有文獻在淬火工藝上對NM500/Q345的耐磨性能進行研究。

文中以熱軋態NM500/Q345復合板為材料，通過不同溫度下的淬火工藝進行熱處理，進而去研究該復合板耐磨層NM500的耐磨性。

1 試驗

1.1 方法

所用材料為真空熱軋的NM500/Q345復合板材，其主要成分如表1所示。通過線切割取20 mm× 15 mm×20 mm（長×寬×高）的長方體試樣，其中NM500層為8 mm，Q345層為12 mm。將其加熱到不同的溫度，保溫20 min，然后進行水浴淬火，淬火溫度分別為860，880，900，920 ℃。淬火后，打磨并去除試樣NM500一側的氧化層，然后打磨拋光，以保證其粗糙度一致，再用酒精進行沖洗并吹干備用。

表1 Q345的化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of Q345 (mass fraction) %

表2 NM500的化學成分（質量分數）

Tab.2 Chemical composition of NM500 (mass fraction) %

試驗在RTEC（MFT-5000）摩擦磨損試驗機的往復滑動摩擦磨損模塊上進行。采用直徑為6 mm的氮化硅陶瓷球，摩擦試驗時間為30 min，頻率為1 Hz，試驗載荷為150 N，摩擦方式為直線往復運動，行程為6 mm （也就是1 s往復走12 mm，共循環1800次），如圖1所示。為減少誤差，所有試驗均進行3次。

1.2 表征形式

1.2.1 硬度

在維氏硬度計上進行顯微硬度測試，其載荷為4.9 N。為了避免偶然性，減少誤差，每一個試樣測22個點的硬度值，然后去除最大值與最小值后，再求平均值。

1.2.2 摩擦因數與磨損量

摩擦因數的動態變化反映了摩擦副在干摩擦時的工作穩態性，它是評定摩擦學材料摩擦性能的重要指標之一。試驗中的摩擦因數來源于RTEC（MFT-5000）摩擦磨損試驗機動態測量，該試驗機在線測量試驗過程中的摩擦剪切力和正應力，并基于簡單黏著理論通過設定的數據采集頻率，使由測力傳感器獲取的摩擦剪切力正比于正應力計算出平均摩擦因數[9]。文中采用室溫下的干摩擦，采樣頻率為100 Hz，精度為0.001。

圖1 RTEC球盤往復摩擦磨損工作示意

磨損是伴隨摩擦而產生的必然結果[10]。磨損量的值可以更加直觀地顯示材料的耐磨性。對文中產生的磨痕用該試驗機的白光干涉三維表面輪廓儀進行二維和三維的觀測，可獲得磨痕的宏觀形貌，并通過其軟件自身功能計算不同試驗參數下的磨痕體積，為減少誤差，每一條劃痕計算3次，并求其平均值。通過試驗機的白光干涉三維表面輪廓儀測定磨損后的表面形貌，通過其三維圖可以測得磨痕的深度、寬度。

1.2.3 微觀組織及磨損表面觀察

利用（ZIESS SIGMA FE-SEM）掃描電鏡，觀察分析NM500/Q345復合板耐磨層NM500微觀組織及試樣磨損表面的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 組織與性能

圖2a—e顯示了NM500/Q345復合板耐磨層NM500未進行淬火與在不同溫度下淬火后的微觀組織變化，未淬火前的微觀組織主要為珠光體和鐵素體，淬火后全部轉化為板條狀馬氏體，其內產生大量的微觀缺陷（如位錯、孿晶及層錯等等），使馬氏體強化，因此淬火后試樣的硬度有很大提升[11—13]。各淬火溫度下得到的組織均為馬氏體組織，且馬氏體呈板條狀。由于淬火溫度不同，得到的馬氏體尺寸大小也不同，隨著淬火溫度的提高，馬氏體板條束的尺寸也變得粗大。

如圖2f所示，NM500/Q345復合板耐磨層NM500未經過熱處理的試樣的平均表面硬度為212.163HV，經過淬火后的各個試樣硬度均有所提升，其中淬火溫度在880 ℃時增長最多，達到497.86HV，硬度增長量達到135.29%；淬火溫度為860 ℃時，硬度達到490.217HV，硬度增長量達到131.06%；當溫度達到900 ℃和920 ℃時，硬度開始下降，在900 ℃時硬度達到414.92HV，硬度增長量達到95.56%，在920 ℃時硬度達到404.927HV，硬度增長量達到90.85%，因此，溫度為920 ℃時，硬度的提升最少。國標GB/T 24186—2009《工程機械用高強度耐磨鋼板》規定，NM500的表面布氏硬度≥470，所以軋制NM500/ Q345復合板耐磨層NM500的表面硬度，在860 ℃和880 ℃淬火后滿足國標規定的要求。淬火加熱溫度影響著奧氏體晶粒直徑和合金元素在鋼中的溶解度及分布狀態，過高的淬火溫度，容易使奧氏體化晶粒長大，馬氏體s溫度降低，淬火后形成的馬氏體組織粗大，影響材料的力學性能[14]，使復合板耐磨層硬度隨著淬火溫度的升高呈現先增大后減小的趨勢。

圖2 NM500/Q345復合板耐磨層NM500在不同溫度淬火后的微觀組織及硬度曲線

2.2 摩擦學性能

2.2.1 摩擦因數

在一個試驗循環內，不同試樣在相同試驗條件下的摩擦因數如圖3所示。試樣的摩擦因數曲線呈現先快速上升，然后一定程度下降再緩慢上升逐漸趨于平穩的趨勢。在初始磨損階段，摩擦因數整體呈上升趨勢且波動較大，這是因為在試驗開始階段，摩擦副的

表面是凹凸不平的，且滑動開始階段摩擦副的接觸面為點接觸，單位面積的載荷非常大，而且進行的是干摩擦，滑動摩擦表面沒有潤滑，因此摩擦因數快速上升[15]。在磨損過程中材料的表面溫度會隨著磨損的持續進行而急劇上升，受材料表面溫度影響以及沿深度方向的溫度梯度方向影響，在接觸面會發生粘著磨損，磨屑會因為溫度影響粘著在劃痕上，導致摩擦因數上升卻發生較大波動。隨著磨損的繼續，發生粘著磨損減少，試樣的摩擦因數穩定在一定的范圍，磨損試驗進入穩定磨損階段。

如圖3所示，NM500/Q345復合板耐磨層NM500淬火前后的摩擦因數是有較大差別的，淬火前的摩擦因數小于淬火后的，這可能是由于淬火后耐磨鋼硬度增加，耐磨性也隨之增加。淬火后，隨著溫度的升高，摩擦因數先增大后減小，在淬火溫度為900 ℃時，達到最大。

圖3 NM500/Q345復合板耐磨層NM500不同溫度淬火后的球盤滑動摩擦因數

2.2.2 磨痕宏觀形貌與磨損體積

試樣與對磨材料氮化硅陶瓷在滑動摩擦磨損過程中會受到切應力與壓應力的共同作用。因材料淬火情況不同，致使在摩擦磨損過程中其材料去除機理也有所不同，從而導致磨痕的宏觀形貌不同。

圖4為NM500/Q345復合板耐磨層NM500未淬火與不同溫度淬火后的試樣磨損表面劃痕的三維形貌及劃痕截面曲線，選取原始表面作參考面[16]。通過圖4a—e可以看到劃痕中間部分的宏觀形貌，從圖例可以看出不同試樣的寬度和深度有較大區別。由圖4f可以更加直觀地觀察到劃痕的深度和寬度，可以比較出未進行淬火試樣的劃痕最大深度為45 μm，寬度為1.2 mm；淬火溫度為860 ℃時，劃痕最大深度為13 μm，寬度為0.7 mm；淬火溫度為880 ℃時，劃痕最大深度為15 μm，寬度為0.7 mm；淬火溫度為900 ℃時，劃痕最大深度為20 μm，寬度為0.7 mm；淬火溫度為920 ℃時，劃痕最大深度為32.5 μm，寬度為1.15 mm。

綜合圖4三維形貌結果可得，材料未進行淬火時，磨損最嚴重，最大深度的值最大，寬度最寬；在860 ℃下完成淬火后，其磨損情況有很大的改善，最大深度的值最小，寬度最窄，磨損情況相對最好。

在摩擦磨損試驗中，磨損量是耐磨性的重要體現之一[17]。采用Gwyddion軟件可以計算出劃痕的磨損體積。圖5顯示了耐磨層NM500原始材料與4種淬火溫度下的磨損體積值。淬火后相比淬火前磨損體積下降很多，耐磨性會有一定的提升。淬火溫度為860～920 ℃時，隨淬火溫度的上升，其磨損體積呈現上升趨勢，淬火溫度為860，880，900，920 ℃時，平均磨損體積分別為0.030 02，0.039 51，0.060 51，0.117 41 mm3，相比較未淬火之前的平均磨損體積0.128 21 mm3，淬火溫度為860 ℃時下降最多，磨損量最少，耐磨性最好。與硬度結果相結合，可見此材料的最高硬度與最少磨損量并不在同一淬火溫度，且耐磨性與硬度不呈正比例關系。磨損量是摩擦副之間的硬度差與材料的組織、實際接觸面積等多種因素共同作用的結果。一般情況下材料的硬度越高，相對較軟的材料就不容易在其表面產生劃痕，硬度越高，材料的耐磨性能越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。但是耐磨性最好的材料不一定硬度高，耐磨要求的是嵌入性和摩擦順應性，就是材料磨過后能最快地形成凹凸相配合的磨擦面。如果單純追求表面硬度，過硬的材料不容易磨合，反而會降低摩擦面的耐磨性。淬火溫度為860 ℃時，耐磨層NM500耐磨性最好，可能是此溫度下淬火溫度不高，原始奧氏體化晶粒細小，淬火后板條馬氏體塊細小，使耐磨層NM500表面有一定的強韌性，耐磨性最好。

2.2.3 磨損形貌與機理分析

室溫下，不同試樣在150 N載荷下進行滑動摩擦磨損后的表面磨損形貌見圖6a—e。可以看出，5個不同試樣的磨損機理皆以疲勞磨損為主，表面存在大量的鱗剝層及細小的犁溝劃痕。如圖6a所示，在150 N載荷下，未進行熱處理的NM500表面存在大量的剝落層，且片層相對較大，疊壓明顯，磨屑大都以片層狀形式存在。在摩擦過程中產生的磨屑有一部分仍然會存在劃痕中，從而參與到了后續的摩擦過程中，被不斷碾壓、融合、斷裂、脫落，進而形成剝落層。由于剝落層的硬度相對較小，其犁溝狀劃痕并不明顯，鱗剝狀片層邊緣翹起，周圍附著有片狀氧化物磨屑，可以看到其磨損機理，由粘著磨損轉化為疲勞磨損。由圖6b可知，在150 N載荷下，淬火溫度為860 ℃的試樣磨損表面以鱗剝狀片層為主，相對于未進行熱處理的試樣片層顯得略小，斷裂邊緣基本沒有翹起，且片層狀疊壓現象基本沒有，較處理之前顯得更加緊密，磨損表面存在許多的顆粒狀磨屑以及有細微的犁溝狀劃痕，這是由于淬火后硬度明顯大幅度提高，在磨損過程中，高溫將磨屑融合成硬質磨屑，從而參與到整個磨損過程，最終導致犁溝狀劃痕，其磨損機理主要為粘著磨損與疲勞磨損。由圖6c可知，在150 N載荷下，淬火溫度為880 ℃的試樣磨損表面以鱗剝狀層片為主，但是鱗剝片層較小，相對密集且較淺，在磨損表面存在較大的硬質顆粒，該顆粒是由磨屑在高溫下形成，并且參與到后續的磨損過程中，形成犁溝狀劃痕，其磨損機理主要為粘著磨損和疲勞磨損。由圖6d可知，在150 N載荷下，淬火溫度為900 ℃的試樣磨損表面存在較淺的鱗剝狀層片與較深的點蝕坑，且磨屑基本以片層狀存在。點蝕疲勞坑始于摩擦磨損表層的裂紋，裂紋沿著試樣滑動方向向試樣的亞表層擴展，最終形成扇形點蝕疲勞坑，其磨損機理主要為點蝕疲勞磨損。由圖6e可知，在150 N載荷下，淬火溫度為920 ℃的試樣磨損表面存在脆性斷裂的片層以及有堆疊的碎屑狀氧化物，并且在表面還有較明顯的犁溝狀劃痕，其磨損機理主要為疲勞磨損和粘著磨損。

圖4 NM500/Q345復合板耐磨層NM500不同淬火溫度下的三維形貌及磨痕截面曲線

圖6 復合板耐磨層NM500不同淬火溫度下的磨損形貌

按照經典的Archard磨損定律，=/（為磨損量，為磨損系數，為載荷，為滑動距離，為磨損表面硬度）[18]。從圖2f和圖5可以看出，860 ℃和880 ℃淬火溫度下的試樣，對應的表面硬度較高，對應磨損體積也較小，兩者差別不大，分別為0.030 02和0.039 51 mm3。淬火溫度為920 ℃時，試樣的表面硬度低，磨損較大。原始試樣，硬度最低，磨損體積最大，為0.128 21 mm3。

干摩擦前期，兩個接觸表面在正壓力作用下相對滑動后互相擠壓產生塑性變形，在沒有潤滑的作用下這種情況將逐漸惡化。材料表面局部接觸點附近累積了大量的剪切應變，對表面造成犂削或局部區域產生粘著，又或是在表面形成微裂紋使局部區域剝落。上述情況的產生都將破壞接觸表面的完整性，引起表面粗糙化從而提高摩擦因數[19]，同時，在粗糙化的表面繼續重復摩擦即開始產生磨屑。如圖3中所示，860，880，900 ℃淬火溫度試樣，摩擦因數呈上升趨勢，920 ℃淬火溫度試樣摩擦因數減小，這可能與其微觀組織有關，860 ℃和880 ℃淬火試樣，表面硬度大，磨損表面剝落層相對小，而900 ℃淬火試樣，隨著表面硬度降低，剝落層增大（見圖5d），表面粗糙化，從而引起摩擦因數增大；920 ℃淬火試樣硬度進一步下降，剝落層較軟，會嵌入表面，減小表面粗糙度，降低摩擦因數。

3 結論

1）對NM500/Q345復合板進行不同溫度下的淬火熱處理，在淬火溫度為880 ℃時，覆層金屬NM500硬度達到最高，為497.86HV。

2）在摩擦磨損試驗中，熱處理后NM500/Q345復合板耐磨層NM500的摩擦因數相比于熱處理前整體增大，且平均摩擦因數隨溫度上升先增大后減小，在900 ℃時達到最大。摩擦因數曲線整體趨勢為先迅速上升，然后一定程度下降，最后又小幅度上升趨于平穩。

3）在試驗過程中，隨熱處理溫度的不同，其磨損機理存在一定的變化，主要為粘著磨損和疲勞磨損，同時伴隨著少量的氧化磨損。通過分析熱處理前后及熱處理溫度對該材料耐磨性的影響，可得在熱處理溫度為860 ℃時，磨損體積最小，耐磨性最好。

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Friction and Wear Properties of Wear-Resistant Layer of NM500/Q345 Composite Plates at Different Quenching Temperature

ZHAO Guang-hui, ZHANG Jian, SONG Yao-hui, LI Juan, LI Hua-ying, SHUAI Mei-rong

(Coordinative Innovation Center of Taiyuan Heavy Machinery Equipment, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Wear-resistant steel and carbon steel composite plate not only has the advantages of high strength and wear resistance, but also reduces energy consumption and production cost. The wear resistance of wear-resistant layer NM500 of composite plate was studied according to different quenching processes. The dry sliding friction and wear experiments of NM500/Q345 composite plate were carried out at different quenching temperature. The surface harness of specimen was measured by microhardness tester. The microstructure of wear-resistant layer, macro/micro morphology of wear scar and wear mechanism were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and white light interference three-dimensional surface profiler. When the quenching temperature was between 860 ℃ and 920 ℃, there was a great difference in hardness before and after quenching. The hardness of the quenched specimen was much higher than that of the specimen before quenching. With the increase of temperature, the hardness firstly increased and then decreased, and reached the highest at 880 ℃. The friction coefficient curve was in line with the standard dry sliding friction wear curve, which rose rapidly and then decreased to a certain extent, and finally tended to be stable. The wear volume after quenching is greatly reduced compared with that before quenching. When the quenching temperature is 860 ℃, the wear amount is the least and the wear resistance reaches the best.

NM500/Q345 composite plate; quenching; friction coefficient; wear mechanism

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.004

TG335.11

A

1674-6457(2021)06-0035-07

2021-07-06

國家重點研發計劃（2018YFA0707305）；山西省自然科學基金（201903D121043）

趙廣輝（1986—），男，副教授，碩導，主要研究方向為軋制金屬復合材料工藝與技術。