裝載機用低合金耐磨鋼磨料磨損性能研究

肖毅強，陶祖珊，湯宏群

（1.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西大學資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

斷裂、磨損和腐蝕是工程機械結構用鋼的主要失效形式，其中磨損是最常見的失效形式之一。工程機械結構中與物料接觸的前端部分，通常采用耐磨鋼進行制造，以減少磨損失效。其中，低合金耐磨鋼因為合金含量低，綜合性能好，生產靈活、方便，且價格較低，被廣泛應用于工程機械裝備耐磨件[1]。目前國內鋼廠生產供應低合金耐磨鋼技術已趨于成熟，完成系列低合金耐磨鋼鋼種開發[2]。同時，針對普通作業工況的低合金耐磨鋼開發逐漸向低成本方案轉變，目的是通過優化合金元素和優化熱處理工藝實現降低生產成本[3-4]。針對極寒、高溫等特殊工況開發的低合金耐磨鋼逐漸向高強高韌性方案轉變，目的是通過特殊合金元素的添加有效提升耐磨鋼的韌性[5-6]。

裝載機是一種物料鏟裝的工程機械裝備，其工作裝置鏟斗是實現鏟裝物料作業的核心部件，鏟斗與物料直接接觸的耐磨板使用最多的是低合金耐磨鋼。裝載機鏟裝的物料包括但不限于原土、泥沙、砂石、礦石，煤炭等，而鏟裝作業過程中，耐磨板與物料間的主要磨損形式為低沖擊和中等沖擊的磨料磨損[7]。本文基于物理模擬研究方法，通過二體磨料磨損試驗模仿低沖擊的磨料磨損工況條件，測定3 種低合金耐磨鋼與砂紙表面滑動摩擦一定行程量的質量磨損量，比較不同低合金耐磨鋼的相對耐磨性，評價試驗材料在相應的實際工況條件下，耐磨性相對優劣的排列次序，并結合試樣磨損面形貌和組織性能，進行低合金耐磨鋼的磨粒磨損機理研究。

1 試驗材料與方法

選取3 種低合金耐磨鋼NM400、NM400E、22Si-Mn2TiB 作為研究對象，其中NM400E 是聯合某鋼廠開發的新型高強韌性低合金耐磨鋼，NM400 和22SiMn2TiB 為裝載機常用的低成本的合金耐磨鋼，同時試驗選取Q345B 作為對比材料。將4 個研究對象分別進行線切割取樣，制作力學性能試樣、沖擊試樣、金相試樣和磨粒磨損試樣分別進行測試與分析。線切割好的4 種金相試樣，進行研磨、拋光和4%硝酸酒精腐蝕后用金相顯微鏡觀察金相組織。磨料磨損試驗依據JB/T 7506-94《固定磨粒磨料磨損試驗銷-砂紙盤滑動磨損法》進行，采用ML-100 磨料磨損試驗機對試樣進行磨損試驗，試驗原理如圖1 所示，以一定的載荷將試樣的端面垂直緊壓在按規定速度旋轉的砂紙盤表面上，同時試樣作徑向進給，在砂紙表面形成一條彼此不重疊的阿基米德螺旋線形的摩擦軌跡，經過一定的摩擦行程后測定試樣質量磨損量。試驗中，磨損試樣加工成Φ4 × 30 mm，選用180 目砂紙作為砂紙盤，試驗砝碼總重量27 N，試驗進給量4 mm，圓盤轉速60 r/min。試驗每張砂紙的摩擦行程為9 m，每種試樣總共進行5 次重復試驗，總摩擦行程為45 m，試驗前及每次試驗完成，均用無水乙醇超聲波清洗試樣，采用電子天平稱重，計算試樣質量磨損量，用掃描電子顯微鏡觀察磨料磨損試樣的表面形貌。

圖1 磨料磨損試驗機工作原理

2 試驗結果與分析

2.1 化學成分分析

4 種試樣的化學成分檢測結果見表1。

表1 化學成分檢測結果（wt%）

表1 的Q345B 是基于Mn 元素強化的低合金高強度結構鋼；NM400 和NM400E 為Mn-Cr-Mo-B 系低合金耐磨鋼，兩者的差異在于Mn-Cr-Mo 這3 種增強淬透性元素含量的不同，其中NM400 側重依靠Mn元素的固溶強化作用，主要面向厚度規格較小的鋼板。NM400E 通過提升Cr-Mo 的固溶強化效果提升淬透性，減少Mn 的用量，不僅能很好地滿足于中厚規格耐磨板的生產，還能通過多元復合的合金設計，減少鋼板內部的成分偏析，使耐磨板全截面成分更加均勻；NM400E 中還增加適量的Nb，借助Nb 與C、N 容易形成細小彌散的Nb（C, N），阻止晶界遷移，增強細晶強化和彌散強化作用，從而提升耐磨鋼的韌性。22SiMn2TiB 為C-Si-Mn 系低合金耐磨板，主要在Si和Mn 的基礎上，加入了少量的Ti 和B，充分保證耐磨鋼的淬透性，同時明確不增加Cr、Ni、Mo、Nb 等貴金屬合金，達到耐磨鋼的低成本設計目的。

2.2 機械性能分析

4 種試樣的機械性能測試結果見表2。測試結果顯示，Q345B 整體強度和硬度較低，表面硬度僅149 HB，沖擊韌性較好，-20°C 沖擊功達到108 J。NM400 的抗拉強度達到1202 MPa，表面硬度381 HB，-20 ℃沖擊功為82 J；NM400E 抗拉強度1363 MPa，表面硬度411 HB，較NM400 分別提升約13.4%和7.9%，但沖擊功為79 J，僅降低3.7%，認為NM400E 具有更好地強韌性匹配設計；22SiMn2 抗拉強度達到1537 MPa，表面硬度達到448 HB，但耐磨板沖擊韌性較NM400 下降明顯，-20 ℃沖擊功僅31 J。

表2 機械性能測試結果

2.3 金相組織分析

4 種試樣的金相組織如圖2 所示。

圖2 不同試樣的金相組織形貌

由圖2（a）可知，Q345B 為帶狀珠光體和鐵素體，屬典型熱軋板組織特征；圖2（b）可知，NM400 金相組織約為50%回火馬氏體+50%貝氏體；圖2（c）可知，NM400E 金相組織約為80%回火馬氏體+20%貝氏體，且基體組織中均勻彌散分布著碳化物顆粒；圖2（d）可知，22SiMn2TiB 的金相組織為回火馬氏體，且馬氏體組織仍保持著清晰的板條形貌。

2.4 磨料磨損性能分析

表3 為磨粒磨損試驗結果，通過各試樣在各摩擦行程的累積質量磨損量測試值，繪制（圖3）為各試樣累計磨損量趨勢圖。從圖中可知，4 種試樣的質量磨損量隨著摩擦行程的增加，均呈現出線性上升趨勢。22SiMn2TiB 的質量磨損量在各摩擦行程上最小，最終磨損量僅為170.7 mg；NM400E 的質量磨損量趨勢與22SiMn2TiB 基本相當，最終磨損量為177.1 mg；而NM400 和Q345B 的質量磨損量趨勢增大明顯，最終磨損量分別為213.5 mg 和259.8 mg。

表3 磨料磨損試驗結果

圖3 磨料磨損各試樣累計質量磨損量趨勢

將Q345B 作為磨料磨損試驗的標準試樣，分別計算NM400、NM400E、22SiMn2TiB 的相對耐磨性（ε），即相對磨損量的倒數，其計算公式為：

式中，△m為試驗試樣的質量磨損量；△mS為標準試樣的質量磨損量；S為試驗試樣的實際摩擦行程；SS為標準試樣的實際摩擦行程；ρ為試驗試樣的密度;ρS為標準試樣的密度。圖4 為各試樣的想對耐磨性計算結果，由圖可知，NM400 的相對耐磨性為1.22，NM400E 的相對耐磨性為1.47，22SiMn2TiB 的相對耐磨性為1.52。結合3 種耐磨材料的組織與性能分析，低沖擊的磨粒磨料磨損試驗中，耐磨鋼的相對耐磨性與強度和硬度呈正相關關系，即試樣的強度和硬度越高，則相對耐磨性越好，沖擊韌性的下降并沒有對耐磨性產生顯著影響。

圖4 磨料磨損各試樣的相對耐磨性

為對比和分析不同耐磨鋼的磨料磨損性能與其組織和性能的關系，進一步研究磨料磨損機理，利用掃描電鏡對4 種試樣的表面磨損形貌進行觀察。圖5為各試樣在相同放大倍數下的表面磨損形貌圖，各試樣均為典型的磨料磨損特征，表面形成了不同深度與寬度的犁溝。其形成原因是試驗砂紙的石英砂與磨損試樣表面相互擠壓并發生相對運動，石英砂嵌入試樣表面進行持續的犁削，試樣表面的材料產生塑性流動，在表面形成一系列的溝槽，沿溝槽側邊則形成犁脊。圖5（a）中，由于Q345B 的珠光體和鐵素體組織硬度較低，砂粒在試樣表面嵌入較深，犁削形成較深的犁溝，且犁脊較粗；圖5（b）中，因NM400 馬氏體和貝氏體組織硬度提高，砂粒切入試樣的深度減小，犁溝相對Q345B 明顯變淺，但依然能清晰可見。圖5（c）（d）中，由于NM400E 和22SiMn2TiB 試樣的回火馬氏體基體硬度更高，砂粒切入試樣的深度進一步變小，持續犁削后試樣磨損表面相對Q345B 和NM400 的犁溝深度和寬度明顯減小，犁脊變細，此時砂粒與試樣的摩擦系數變小，累計磨損量減小，試樣的相對耐磨性顯著提高。

圖5 不同試樣磨料磨損后的表面SEM 形貌

分析NM400E 與22SiMn2TiB 相對Q345B 耐磨性接近的原因，首先，22SiMn2TiB 的基體硬度較高，犁溝深度相對較淺，決定了22SiMn2TiB 的耐磨料磨損性能更優，但從圖5（d）觀察中22SiMn2TiB 試樣表面被砂粒犁削，材料從溝槽向兩側轉移，但尚未剝離表面，經過反復犁削，犁溝兩側的犁脊被滑動的磨粒碾平和切斷；對比圖5（c）中NM400E 表面形貌，NM400E 的犁脊更多是被滑動的磨粒碾平，較少觀察到犁脊被切斷現象，這與NM400E 具有較好的塑性和韌性有關，一定程度上減少了磨損過程的犁脊被切斷造成的材料損失，從而提改善了NM400E 的耐磨性。

3 結論

（1）在3 種低合金耐磨鋼中，NM400 為馬氏體+貝氏體組織，沖擊韌性最好，但強度、硬度較低；22SiMn2TiB 為全回火馬氏體組織，且仍然保留馬氏體位向，強度、硬度高，但塑性、韌性較差；NM400E 通過Nb 元素增強細晶強化作用，獲得回火馬氏體+少量貝氏體組織，通過熱處理獲得較高強度、硬度的同時，還具有較高的塑性和韌性。

（2）在磨料磨損試驗中以Q345B 作為標準試樣，NM400 的相對耐磨性僅為1.22，表現最差；NM400E的相對耐磨性為1.47，表現次之；而22SiMn2TiB 的相對耐磨性最好，達到了1.52。表明在低沖擊的磨料磨損工況下，耐磨鋼的硬度是決定其耐磨性能優劣的關鍵因子，主要通過降低磨粒嵌入耐磨鋼表面的深度，減小犁削作用造成的材料損失，提升鋼材的耐磨性。故22SiMn2TiB 被廣泛應用于砂石鏟裝等低沖擊磨料磨損工況。

（3）本研究中開發的低合金耐磨鋼NM400E，具有較好的強韌性匹配，能夠減少磨損過程的犁脊被切斷造成的材料損失，在低沖擊的磨料磨損工況下，相對耐磨性較NM400 有明顯提高，接近于22SiMn2TiB的水平。同時，由于NM400E 韌性的改善，能夠更好地適應中等沖擊磨料磨損工況，使其具備多樣化的工況適應性，將在后續研究中進行深入分析。