白 云，孫亞肖，李富強(qiáng)，趙延闊

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著工程機(jī)械的不斷發(fā)展，人們對耐磨鑄鋼的強(qiáng)度、韌性及耐磨性能的要求越來越高[1]。低碳合金耐鑄鋼的合金含量較低，且淬透性好，便于進(jìn)行熱處理，經(jīng)淬火+低溫回火處理后，能夠形成低碳馬氏體組織，硬度和強(qiáng)度比較高，綜合力學(xué)性能和耐磨性能較好，應(yīng)用范圍相對廣泛[2]。

Nb 作為一種強(qiáng)碳化物形成元素,在再結(jié)晶過程中,因NbC 對位錯的釘扎及對亞晶界的遷移進(jìn)行阻止等作用,從而大大增加了再結(jié)晶的時間。在高于臨界溫度時,Nb 元素對再結(jié)晶的作用表現(xiàn)為溶質(zhì)拖曳機(jī)制,而在低于臨界溫度時,則表現(xiàn)為析出釘扎機(jī)制。Nb 在鋼中提高奧氏體的再結(jié)晶溫度,從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的[3]。因此，微量的Nb 可使鋼得到較好的綜合性能。

本工作主要研究微量合金元素Nb（≤0.1%）對低碳合金鑄鋼的性能的影響，并研究了Nb 微合金化低碳合金鋼的滑動磨損機(jī)理。

1 試驗方法

試驗采用工業(yè)中頻感應(yīng)電爐熔煉，澆注成25kg 鋼錠，成分表如表1 所示。使用箱式電阻爐進(jìn)行水淬和回火處理。拉伸試驗在WI-25 型油壓萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸試棒直徑為12.5mm，標(biāo)距為50mm；沖擊試驗在JB-30B 型沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行，采用U 型缺口試樣；材料的滑動耐磨性能在金屬磨耗試驗機(jī)上進(jìn)行：轉(zhuǎn)動速度185r/min，滑動速度0.387m/s，接觸載荷為250、500、650、800N，干磨，試樣對磨5×104周次后，用稱重法稱重每對試樣的磨損量。磨損形貌的觀測實驗在S-3700 N 型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。

表1 實際化學(xué)成分表 w/%

該材料經(jīng)過水淬和回火處理。力學(xué)性能如表2 所示。

表2 Nb 元素對力學(xué)性能的影響

2 Nb 元素對性能的影響

從圖1 可以看出，隨著Nb 元素含量的不斷增加，材料的抗拉強(qiáng)度和硬度明顯升高，達(dá)到1535MPa，硬度達(dá)到46HRC。

圖1 Nb 含量對強(qiáng)度的影響

表3 是耐磨鋼在滑動磨損條件下的失重量情況,由此可知試樣的耐磨性能隨著Nb 元素含量的不斷增加而增加，試樣的磨損量隨著試樣加載而增加。Nb 元素含量增加到0.03 以后，其磨損量增加值逐漸變小。

表3 材料成分對摩擦結(jié)果的影響

圖3 Nb 含量對耐磨度的影響

如圖2～3 所示當(dāng)材料中Nb 含量增加時，材料的耐磨性也出現(xiàn)了上升趨勢，但是在Nb 含量達(dá)到0.06%以后，耐磨性能趨于平穩(wěn)，與材料的硬度變化趨勢一致。這是因為Nb 含量的增加促使碳化物隨之增加，在熱處理過程中作為奧氏體轉(zhuǎn)變時新相的核心，抑制晶粒的長大，不僅提高了硬度，還有效改善了材料的沖擊韌性，增強(qiáng)了抵抗磨粒磨損的能力[4]。

圖2 Nb 含量對磨損量的影響

3 不同載荷下的滑動磨損機(jī)理研究

圖4 是4# 試驗材料在固定磨損轉(zhuǎn)動速度185r/min 下,分別經(jīng)250、500、650、800N 不同載荷條件下的摩損量曲線。從圖中可知隨著載荷增加，磨損量迅速增加。從250N 載荷下0.07g 的磨損量到800N 載荷下0.73g 的磨損量。

圖4 不同載荷對磨損量的影響

圖5 是試驗鋼在固定磨損轉(zhuǎn)動速度185r/min條件下,分別經(jīng)250、500、605、800N 載荷下磨損5×104周次后的摩擦磨損表面的電子掃描照片。由圖5a 可以看出,在250～500N 載荷作用下,磨損表面有溝槽,也有少部分塑性變形,表層相對光滑,磨損機(jī)理主要是磨粒磨損。隨著加載載荷的不斷增大,在650N載荷作用下,磨損表面出現(xiàn)了明顯溝槽，塑形變形面積增大,其磨損量也較大。在把載荷增加到800N 作用的條件下,磨損表面出現(xiàn)大面積的塑性變形，隨著摩擦熱的不斷增加,導(dǎo)致磨損表面溫度上升,磨損形貌上有大顆粒的剝落物粘著在磨損表面上,表現(xiàn)為粘著現(xiàn)象,其磨損量出現(xiàn)了快速上升,其耐磨性能明顯降低。

圖5 不同載荷下的磨損形貌

在干摩擦條件下，材料的磨損主要分為三個階段：合金表面發(fā)生相互作用；在摩擦力作用下接觸區(qū)表面材料性能發(fā)生變化：表面層的破壞和磨屑的脫落。

滑動磨損使表面微凸體發(fā)生劇烈破壞、壓碎和塑性變形，產(chǎn)生脫落的金屬微細(xì)顆粒；同時劇烈的變化產(chǎn)生大量摩擦熱，摩擦熱在試樣表面與摩擦副之間聚集，溫度升高，試樣氧化，形成一層致密的氧化膜，氧化膜因較高的加載而破裂，轉(zhuǎn)而產(chǎn)生大量微細(xì)氧化物顆粒，氧化顆粒主要是FeO、Fe2O3和Fe3O4，具有較高的硬度；金屬微細(xì)顆粒與氧化硬質(zhì)顆粒在摩擦副與試樣之間沿摩擦副滾動方向滑動，刮擦試樣，在試樣表面形成勻細(xì)磨痕，加速試樣磨損[5]。

加載越大，磨損初期越劇烈。隨著磨損試驗進(jìn)行，滑動距離增加，溫度增加，試樣表面微凸體軟化而發(fā)生塑性變形與摩擦副粘著，粘著磨損發(fā)生；氧化顆粒嵌入發(fā)生塑性變形的金屬表面形成細(xì)小的擦傷和劃痕，磨損進(jìn)一步加劇。加載越大，試樣溫度越高，氧化磨損越劇烈。

4 結(jié)論

（1）Nb 含量達(dá)到0.6%時，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1545MPa，硬度達(dá)到46HRC，磨損系數(shù)達(dá)到6.41，達(dá)到良好的綜合使用性能。

（2）低碳合金鑄鋼在250～500N 載荷作用下,磨損機(jī)理主要是磨粒磨損。在載荷增加到800N作用的條件下,表現(xiàn)為粘著磨損。