微量Nb對(duì)低碳合金耐磨鑄鋼的力學(xué)及摩擦磨損性能的影響

1、作者：白云 1985年11月生，男 ，工程師，碩士研究生，主要從事鑄鋼、鑄鋁材料工藝開發(fā)工作微量Nb對(duì)低碳合金耐磨鑄鋼的力學(xué)及摩擦磨損性能的影響白云，孫亞肖，李富強(qiáng)，趙延闊常州 中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 213000摘 要：本文研究了Nb對(duì)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(dòng)磨損機(jī)理。當(dāng)Nb含量達(dá)到0.06%左右時(shí)，材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到1545Mpa，能夠得到良好的力學(xué)和耐磨性能的配合。在25-50kgf載荷作用下,主要是磨粒磨損。在把載荷增加到80 kgf 作用的條件下,表現(xiàn)為粘著磨損。關(guān)鍵詞：低碳合金鋼，力學(xué)性能，摩擦磨損Effect of Micro-N

2、b on Mechanical and Friction and Wear Properties of a Low-carbon Alloyed Cast SteelBai yun，Sun Yaxiao, Li Fuqiang, Zhao YankuoCRRC Qishuyan Locomotive & Rolling Stock Technology Research Institute Co., Ltd.213000Abstract：The effect of Nb on the performance of low-carbon alloy cast steel is studied,

3、and the sliding wear mechanism of Nb microalloyed low-carbon alloy steel is studied.When the Nb content reaches about 0.06%, the material can be well combined with the mechanical and wear resistance.Under the effect of 25-50kgf load, the wear mechanism is mainly grinding grain wear.Under conditions

4、that increase the load to 80 kgf, the wear mechanism is characterized by adhesive wear.Key words：Low-carbon Alloyed Cast Stee,l Mechanical Properties,Friction and Wear1.概述隨著工程機(jī)械的不斷發(fā)展，人們對(duì)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(duì)廣范2。Nb作為

5、一種強(qiáng)碳化物形成元素,在再結(jié)晶過程中,因NbC對(duì)位錯(cuò)的釘扎及對(duì)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(shí)間。在高于臨界溫度時(shí),Nb元素對(duì)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(shí),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(duì)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(dòng)磨損機(jī)理。2.試驗(yàn)方法試驗(yàn)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)行經(jīng)過水淬和回火處理。拉伸試驗(yàn)在WI-25型油壓萬能材料試驗(yàn)

6、機(jī)上進(jìn)行，拉伸試棒直徑為12.5mm，標(biāo)距為50mm；沖擊試驗(yàn)在JB-30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用U型缺口試樣；材料的滑動(dòng)耐磨性能在金屬磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行：轉(zhuǎn)動(dòng)速度185轉(zhuǎn)/分鐘，滑動(dòng)速度0.387米/秒，接觸載荷為25、50、65、80 kgf，干磨，試樣對(duì)磨5104周次后，用稱重法稱重每對(duì)試樣的磨損量。磨損形貌的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)在S-3700 N型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。表1實(shí)際化學(xué)成分表編號(hào)C%Si%Mn%P%S%Cr%Mo%Nb%10.200.59 1.12 0.021 0.014 0.94 0.24 20.21 0.59 1.12 0.021 0.014 0.94 0.24 0.02 30.2

7、2 0.53 1.06 0.019 0.012 0.90 0.24 0.03 40.22 0.65 1.11 0.020 0.016 0.93 0.26 0.05 50.21 0.60 1.17 0.020 0.015 0.92 0.25 0.08 該材料經(jīng)過水淬和回火處理。力學(xué)性能如表6所示。3.Nb元素對(duì)性能的影響表2 Nb元素對(duì)力學(xué)性能的影響編號(hào)抗拉強(qiáng)度Rm（MPa）規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2(MPa)斷后伸長(zhǎng)率A（%）硬度HRC11420108054221446119054331467101044341535104984551485972646圖1 Nb含量對(duì)強(qiáng)度的影響 從圖1可以看出

8、，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。表3是耐磨鋼在滑動(dòng)磨損條件下的失重量情況。表3材料成分對(duì)摩擦結(jié)果的影響材料磨損量耐磨系數(shù)無添加0.48 2.08Nb-10.27 3.70Nb-20.17 5.77Nb-30.16 6.41Nb-40.16 6.25圖2.Nb含量對(duì)磨損量的影響 圖3 .Nb含量對(duì)耐磨度的影響如圖23所示當(dāng)材料中Nb含量增加時(shí)，材料的耐磨性也出現(xiàn)了上升趨勢(shì)，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(shì)一致。這是因?yàn)镹b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(shí)新相的核

9、心，抑制晶粒的的長(zhǎng)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。4.不同載荷下的滑動(dòng)磨損機(jī)理研究圖4不同載荷對(duì)磨損量的影響圖4是4#試驗(yàn)材料在固定磨損轉(zhuǎn)速50 m/ s 下, 分別經(jīng)25、50、65、80 kgf 不同載荷條件下的的摩損量曲線。從圖中可知隨著載荷增加，磨損量迅速增加。 從25 kgf 載荷下0. 07 g 的磨損量到80 kgf 載荷下0. 73 g的磨損量。 圖5-1 25kgf載荷磨損形貌 圖5-2 50kgf載荷磨損形貌 圖5-3 65kgf載荷磨損形貌 圖5-4 80kgf載荷磨損形貌圖5 不同載荷下的磨損形貌圖5是試驗(yàn)鋼在固定磨損轉(zhuǎn)速50

10、 m/ s 條件下, 分別經(jīng)25、50、65、80 kgf載荷下磨損5104周次后的摩擦磨損表面的電子掃描照片。由圖5-1 可以看出, 在25-50kgf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(duì)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65 kgf 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80 kgf 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。在干摩

11、擦條件下，材料的磨損主要分為三個(gè)階段: 1. 合金表面發(fā)生相互作用;2.在摩擦力作用下接觸區(qū)表面材料性能發(fā)生變化; 3.表面層的破壞和磨屑的脫落?；瑒?dòng)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(shí)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(dòng)方向滑動(dòng)，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(yàn)進(jìn)行，滑動(dòng)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。5.結(jié)論（1）Nb含量達(dá)到0.6%時(shí)，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1545Mpa，硬度達(dá)到HRC46，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25-50kgf載荷作用下,磨損機(jī)理主要是磨粒磨損。在載荷增加到80 kgf 作用的條件下,表現(xiàn)為粘著磨損。參考文獻(xiàn)：1何俊.近