李富強(qiáng),白 云，夏少華

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

在我國工程機(jī)械等領(lǐng)域的生產(chǎn)設(shè)備中，許多工件因磨損而失效，造成耐磨材料的浪費(fèi)及頻繁的停工，給生產(chǎn)企業(yè)造成巨大的損失，易損件耐磨性能差，壽命低，已成為生產(chǎn)發(fā)展的障礙之一[1]。材料的抗磨性能并不僅僅取決于材料本身，與其工作環(huán)境條件也有極大的關(guān)系。所以在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中，沒有哪一種耐磨材料是萬能的，只有盡量選擇最適合工作環(huán)境的材料。因此，研制新型耐磨材料對降低耐磨零部件的消耗以及生產(chǎn)成本具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。本文介紹低合金貝氏體鋼的成分設(shè)計，通過與低合金鋼、高錳鋼、高鉻鑄鐵材料力學(xué)性能、耐磨性能、金相組織對比，研制的材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、中等沖擊韌性等特點(diǎn)，為材料在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用，提供選材依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 貝氏體鋼材料設(shè)計

貝氏體鋼具有良好的強(qiáng)度和韌性，決定了貝氏體鋼具有優(yōu)異的綜合性能。對于中慢速、中等沖擊條件下的工況，決定了耐磨材料必須滿足以下要求[2]:（1）中等應(yīng)力沖擊下耐磨性能好；（2）具有高的硬度；（3）材料具有可焊接性；（4）成本較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

為了得到需要的的貝氏體組織，需要對成分進(jìn)行設(shè)計，各合金元素選擇依據(jù)如下：

碳：碳與貝氏體形態(tài)和性能關(guān)系十分密切，尤其對貝氏體鋼的抗拉強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，碳含量過高則韌性降低且焊接性能和成型性惡化，選擇ω（C）=0.25%～0.45%。

硅：硅是非碳化物形成元素，在貝氏體鐵素體生長過程中，多余的碳會排向界面一側(cè)的鄰近奧氏體中，造成周圍奧氏體富碳，使貝氏體鐵素體片條間或片條內(nèi)的富碳?xì)埩魥W氏體穩(wěn)定化，形成無碳化物貝氏體[3]，選擇 ω（Si）=1.5%～3.0%。

錳:錳元素可提高貝氏體鋼淬透性，但是促使鋼的鑄態(tài)組織粗大和加熱時晶粒長大，還增大鑄造生產(chǎn)中熱裂傾向，選擇ω（Mn）=2.0%～3.0%。

鉻：貝氏體鑄鋼中加入適量的鉻可提高鋼的淬透性，細(xì)化組織，選擇 ω（Cr）=0.6%～15%。

鉬：鉬元素可細(xì)化貝氏體鋼的晶粒，提高淬透性，改善貝氏體鋼的綜合性能。選擇ω（Mo）=0.1%～0.3%。

表1 試驗(yàn)所用材料的化學(xué)成分 ωB/%

材料的成分設(shè)計如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

采用表1所示的材料成分熔煉澆注成基爾試塊。為了對比貝氏體鋼的力學(xué)及摩擦磨損性能，選取了高鉻鑄鐵（Cr20），低合金鋼（ZG25CrNiMo），高錳鋼（ZGMn13）等材料。四種材料的熱處理工藝為:（1）貝氏體鋼：920℃空冷+250℃回火；（2）高鉻鑄鐵：960℃空冷 +450℃回火；（3）低合金鋼：880℃水淬+230℃回火；（4）高錳鋼：1080℃水淬。

拉伸試驗(yàn)在CMT5205微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸 (直徑×長度)為10mm×120mm；在JBN－300B沖擊試驗(yàn)機(jī)上測試沖擊韌性值，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，三個試樣取平均值。用HR－150A型洛氏硬度計測試材料的洛氏硬度，硬度值取6個點(diǎn)的平均值。金相組織在Observer.A1m型金相顯微鏡上進(jìn)行測試。磨損試驗(yàn)在（東京衡機(jī)）金屬磨耗試驗(yàn)機(jī)（與國產(chǎn)M－200型相同）上進(jìn)行，取三組試樣求平均磨損量，試樣尺寸如圖1所示。上下試樣采用同種材料，上試樣靜止，下試樣以185轉(zhuǎn)/分的速度轉(zhuǎn)動磨損，滑動速度 0.387m/s,接觸載荷 490N（50kgf），干磨，每對試樣對磨2×104周次后，用稱重法得出每對試樣的失重。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相對比分析

四種材料的金相組織如圖2所示。貝氏體鋼組織由貝氏體鐵素體和奧氏體組成，含有少量的殘余奧氏體，即為無碳化物貝氏體組織。低合金鋼為回火馬氏體組織，典型的板條形狀，無硬化相，無淬火不良的鐵素體及遺傳貝氏體等組織。高錳鋼經(jīng)過高溫水韌處理后，為典型的奧氏體為主的組織結(jié)構(gòu)，高錳鋼優(yōu)異的耐磨性是建立在加工硬化的基礎(chǔ)上，在強(qiáng)烈的沖擊作用下高錳鋼表面會產(chǎn)生加工硬化，從而提高其表面硬度，同時高錳鋼心部仍保持為單一的奧氏體組織，使其具有足夠的沖擊韌性。高鉻鑄鐵的微觀組織由馬氏體+碳化物+殘余奧氏體組成，淬火時，析出的碳化物硬化相顯微硬度能達(dá)到1600 HV，如視圖中的條狀及塊狀組織。

2.2 力學(xué)性能

由表2可以看出，高鉻鑄鐵的硬度最高，達(dá)到了HRC60以上，低合金鋼和貝氏體鋼次之，高錳鋼最低。在沖擊方面，高錳鋼遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它三種材料，而貝氏體鋼也優(yōu)于低合金鋼和高鉻鑄鐵。材料延伸率，高錳鋼同樣優(yōu)于其它材料，貝氏體鋼高于合金鋼和高鉻鑄鐵。

正火+低溫回火，貝氏體鋼組織中有一定數(shù)量的殘余奧氏體，殘余奧氏體為不穩(wěn)定相，在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為馬氏體組織。同時殘余奧氏體為韌性相，由貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成混合組織具有很高的強(qiáng)度和硬度，所以具有優(yōu)良的韌性和延伸率。

圖1 摩擦磨損試樣示意圖

圖2 四種耐磨材料顯微組織圖

表2 四種耐磨材料力學(xué)性能

由于高鉻鑄鐵材料，含有大量的鉻元素和碳元素，形成高硬度的碳化物致使強(qiáng)度和硬度都較高，韌性極差[4]。由于高鉻鑄鐵韌性特征，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，承受較大的沖擊載荷容易造成裂紋甚至斷裂。低合金鋼組織為回火馬氏體和部分鐵素體，由于沒有硬化相，硬度指標(biāo)主要體現(xiàn)在馬氏體上，因此和高鉻鑄鐵相比，強(qiáng)度和硬度偏低，韌性偏高。與前三種材料相比，高錳鋼優(yōu)異的韌性使得它可以承受更高的沖擊載荷，但是高錳鋼沒有碳化物硬相，主要依靠加工硬化所得的表層馬氏體硬化相抵抗磨損，因此抗磨性能與前兩者相比較差，具有較低的強(qiáng)度和硬度，但是沖擊性能比較優(yōu)異。

2.3 磨料磨損性能分析

貝氏體鋼和其它三種材料摩擦磨損試驗(yàn)材料的磨損量見表3?？偰p量高鉻鑄鐵最低，其它材料相對磨損量參照高鉻鑄鐵。貝氏體鋼和低合金鋼材料具有等級別的耐磨性，貝氏體鋼略高于低合金鋼，高錳鋼材料的磨損量最高，是高鉻鑄鐵的15倍。

試驗(yàn)過程中，高鉻鑄鐵中的碳化物硬度高于馬氏體組織，在相互摩擦過程中，主要是硬點(diǎn)之間的磨損，從基體表面脫落，而基體本身受到的磨損程度較低，這也是其耐磨的原因。在低載荷沖擊條件下，高錳鋼的奧氏體組織難以轉(zhuǎn)化為較硬的馬氏體，加工硬化程度較低，磨損量較大[5]。相對于水韌處理后的高錳鋼單一奧氏體組織，低合金鋼和貝氏體鋼中含有大量硬度較高的馬氏體和貝氏體組織，更有利于低載荷沖擊下發(fā)揮耐磨性能。低合金鋼和貝氏體鋼的磨損量明顯低于高錳鋼可以得到驗(yàn)證。

表3 四種材料磨損結(jié)果及相對耐磨性

3 結(jié)論

（1）通過設(shè)計合理的材料成分及其合金化，配合920℃空冷+250℃回火熱處理工藝，可以得到組織均勻、力學(xué)性能和耐磨性能良好的空冷低合金貝氏體鋼。

（2）低合金貝氏體鋼力學(xué)性能可以達(dá)到：抗拉強(qiáng)度 Rm1760MPa，洛氏硬度 HRC48，沖擊功Aku24J/cm2,延伸率5.5%。通過與耐磨材料低合金鋼、高猛鋼、高鉻鑄鐵的金相組織，力學(xué)性能及耐磨性對比,不考慮沖擊的情況下，高鉻鑄鐵具有非常高的硬度和耐磨性；在中等沖擊條件下，低合金貝氏體鋼具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，同時具有優(yōu)良的綜合性能。