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1、分类号一UDC密级编号中南大学C E N T R A LS O U T HU NlV E R SIT Y硕士学位论文论文题目：巯圭蟊素对低金金耐磨锕缉终积蝗能的影响学科、专业：材料熟王王焦研究生姓名：彭宏伟导师姓名及专业技术职务：奎蒸中副熬攮2 0 11 年5 月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：学位论文版权使用授权书
2、本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签日期：三丛年上月旦E t中南大学硕士学位论文摘要摘要本文设计了一种低合金耐磨钢，并用稀土变质剂对其进行变质处理。然后采用加热到9 3 0 后用不同的方法淬火、2 2 0 回火的热处理工艺。通过观察金相组织，分析低合金耐磨钢在铸态及热处理后的显微组织；测试了材
3、料的硬度；对热处理后的材料进行耐磨性试验和材料冲击韧性试验；用扫描电镜对磨损试样的表面形貌及冲击断口进行分析。研究了微量稀土对低合金耐磨钢组织和性能的影响。实验结果表明：稀土可以细化合金钢的晶粒，稀土可以改变夹杂物的数量、性质和分布，通过稀土变质处理后，低合金耐磨钢中的夹杂物数量减少，夹杂物由硫化物、氧化物变为稀土夹杂物；形状由条状、点状、块状变为球状；由晶界分布转移到晶内；稀土使马氏体形成温度升高，并能降低奥氏体层错能，有利于形成板条马氏体；稀土可以显著提高低合金耐磨钢的硬度及耐磨性，通过稀土变质处理后，低合金耐磨钢铸态、空冷、油冷及水冷的洛氏硬度分别由3 5 1、4 9 7、5 4 5、5
4、 4 6、提高到3 8 5、5 1 2、5 6 5、5 6 7。空冷试样磨损试验的摩擦系数由0 1 3 6 9 降低到0 0 8 1 9，磨损失重量由O 0 7 降低到0 0 1；稀土变质处理后的低合金耐磨钢在M s 点以上4 0 0 温度下等温淬火，获得下贝氏体为主的基体组织，具有好的耐磨性。关键词：稀土，硬度，低合金耐磨钢，贝氏体，耐磨性中南大学硕士学位论文A BS T R A C TAl o wa l l o yw e a r-r e s i s t a n ts t e e lw a sd e s i g n e d，a n du s e dr a r ee a r t ht om o
5、 d i f i e rt h ee x p e r i m e n t a ls t e e l A l la l l o y sw e r eh e a t e dt o9 30，q u e n c h e di nd i f f e r e n tw a y s，a n dt h e nt e m p e r i n gh e a tt r e a t m e n ta t2 2 0 T h em i c r o s t r u c t u r eo fa s c a s ta n dh e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o no ft h ee
6、x p e r i m e n t a ls t e e lw a sa n a l y s e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y,t h eh a r d n e s s，w e a rr e s i s t a n c ea n dt o u g h n e s so ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e la f t e rh e a tt r e a t m e n tw e r et e s t e d；a n dt h es u r f a c et o p o g r a p h yo
7、ft h ew e a rs a m p l e sa n dt h ei m p a c tf r a c t u r es u r f a c em o r p h o l o g yw e r ea n a l y z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y 1 1 1 ee f f e c to fr a r ee a r t ho nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h i sl o wa l l o yw e a r-r e s i
8、s t a n ts t e e lw a si n v e s t i g a t e da n dt h er e s u l t sw e r es h o w nt h a t：R a r ee a r t hr e f i n e dt h eg r a i n so ft h ea l l o y,c h a n g e dt h en u m b e ra n dp r o p e r t i e so ft h ei n c l u s i o n s，a sw e l la st h e i rd i s t r i b u t i o n A f t e rm o d i
9、f i c a t i o nt r e a t m e n t，t h en u m b e ro fi n c l u s i o n si nt h el o wa l l o ys t e e lr e d u c e d，t h ec o m p o s i t i o no ft h e s ei n c l u s i o n sc h a n g e df r o ms u l p h i d ea n do x i d et or a r ee a r t hi n c l u s i o n s T h es h a p eo ft h e s ei n c l u s i
10、 o n sc h a n g e df r o ms t r i p、p o i n ta n db l o c kt og l o b u l a r,a n dt h e ys h i f t e df r o mt h eg r a i nb o u n d a r yt ot h ei n s i d e R Ei n c r e a s e dt h em a r t e n s i t ef o r m a t i o nt e m p e r a t u r e，a n dr e d u c e dt h es t a c k i n gf a u l te n e r g y
11、o fa u s t e n i t e，a n da c c e l e r a t e dt h ef o r m a t i o no fl a t hm a r t e n s i t e R Ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yt h eh a r d n e s sa n dw e a r-r e s i s t a n to fl o wa l l o ys t e e l A f t e rt h em o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t，t h eh a r d n e s so ft h
12、 i sl o wa l l o ys t e e lw e r e3 8 5，51 2，5 6 5，5 6 7i nt h ea s c a s t,a i rc o o l i n g，o i lc o o l i n g a n dw a t e rc o o l i n gc o n d i t i o n，r e s p e c t i v e l y I nt h ew e a rt e s t，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ea i rc o o l i n gs a m p l e sd e c r e a s
13、e df r o mO 1 3 6 9t oO 0 8 1 9，a n dt h el o s so f w e i g h tr e d u c e df r o mO。0 7t oO 0 1 A f t e rt h eR Em o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t，t h el o wa l l o yw e a rr e s i s t a n ts t e e lo b t a i n e dt h es t r u c t u r ew h i c hm a i n l yc o n t a i n e dl o w e rb a i n i
14、 t e，a n de x h i b i t e dab e t t e rT T中南大学硕士学位论文A B S l R A C Tw e a rr e s i s t a n c et h r o u g hi s o t h e r m a lq u e n c h i n ga b o v et h eM st e m p e r a t u r e(4 0 0)K E YW O R D S：R E，h a r d n e s s，t h el o wa l l o yw e a r-r e s i s t a n c es t e e l，b a i n i t e，w e a r-
15、r e s i s t a n t ei i中南大学硕士学位论文目录目录摘要I目蜀乏第1 章文献综述11 1 耐磨材料11 2 金属耐磨材料的发展历史及应用现状11 2 1 耐磨铸铁21 2 2 耐磨钢51 3 磨损机理及对耐磨材料力学性能的要求1 51 3 1 磨损概述1 51 3 2 磨料磨损机理1 81 3 3 磨料磨损的影响因素1 91 3 4 对耐磨材料的要求2 01 4 金属耐磨材料目前存在的问题2 11 4 1 对耐磨材料力学性能的要求2 11 4 2 对耐磨材料的组织要求2 21 5 提高材料耐磨性的途径2 21 6 合金元素对低合金耐磨钢性能的影响2 41 7 稀土在钢中的作
16、用2 71 7 1 稀土元素净化钢液的作用2 71 7 2 稀土对夹杂物的变质作用2 81 7 3 稀土元素对结晶组织的影响2 81 7 4 稀土对铸造工艺性能的影响2 91 7 5 稀土对钢组织转变的影响2 91 7 6 稀土对力学性能的影响2 91 7 7 稀土元素对耐磨性的影响3 01 8 本论文研究的内容、目的和意义3 01 8 1 研究的内容3 01 8 2 研究的目的和意义31第2 章实验过程与方法3 22 1 设计思路3 22 1 1 低合金耐磨钢的合金成分设计原则3 2I V士学位论文目录2 1 2 低合金耐磨金钢组织的设计原则3 32 1 3 低合金耐磨钢试验路线设计。3 4
17、2 2 原材料、熔炼及热处理方案3 42 2 1 原材料及含量3 42 2 2 熔炼与浇注。3 52 2 3 热处理工艺方案3 62 3 性能测试和组织分析382 3 1 力学性能测试3 82 3 2 显微组织夹杂物及磨损试样形貌分析3 9第3 章稀土对低合金耐磨钢组织的影响4 03 1 稀土对低合金耐磨钢夹杂物形态的影响4 03 2 稀土对合金金相显微组织的影响。4 23 3 腐蚀后合金S E M 表面形貌4 43 4 分析与讨论。4 73 5 小结4 8第4 章稀土及热处理对低合金耐磨铸钢组织和性能的影响5 04 1 合金铸态及在不同冷却介质中直接淬火+回火后的洛氏硬度5 04 2 合金磨
18、损实验数据514 3 合金磨损后的表面S E M 形貌5 34 4 稀土变质处理后的低合金耐磨钢在不同温度等温淬火力学性能5 44 4 1 低合金耐磨钢在不同温度下等温淬火+回火后的硬度5 44 4 2 低合金耐磨钢在不同温度下等温淬火+回火后的冲击韧性5 54 5 稀土变质处理后的低合金耐磨钢等温淬火的金相显微组织。5 54 6 稀土变质处理后的低合金耐磨钢等温淬火的冲击断口形貌5 64 7 冲击断口夹杂物能谱分析。5 74 8 下贝氏体+马氏体基体的强韧化机理5 94 9 小结6 0第5 章结论与应用前景6 15 1 结论6 15 2 应用前景6 2参考文献6 3致谢6 8攻读学位期间主要
19、的研究成果6 91 发表的学术论文6 9V中南大学硕士学位论文第l 章文献综述1 1 耐磨材料第1 章文献综述磨损是机械零件的三种主要失效形式之一，是工农业生产及人们日常生活中普遍发生的一种现象。由于磨损在生产生活中存在的普遍性，给国民经济造成的损失非常大。磨损通常在零件的摩擦表面上发生，统计表明n 3，全世界每年有1 3 1 2 的能源由于磨损而消耗掉。许多零件由于在使用过程中发生磨损而失效报废，同时由于制作零件的材料耐磨性差，零件在使用不久的时间后就磨损失效需要更换，造成了大量资源和能源的消耗。美国国家材料委员会曾向美国国会提交过一份报告雎1，报告指出，美国每年要用2 0 0 亿美元的巨款
20、来支付由摩擦磨损而引起的材料损失。早期的统计表明口1，西德每年由磨损造成的损失约为i 0 0 亿马克，前苏联每年由磨损造成的损失约1 2 0 为亿卢布。大量统计表明“3，我国每年也有3 0 0 万吨以上的金属耐磨材料被消耗掉。因此研究和发展各类耐磨材料，减少零件的磨损，对国民经济的意义非常重大。广义上的耐磨材料是指抗磨材料和减磨材料的综合。其中减磨材料具有摩擦系数小、强度和硬度高、抗磨损能力强；导热性、磨合性、耐腐蚀性好；热膨胀系数小等特点。抗磨材料是在磨损工况条件下使用的材料，它主要以自身的硬度去抵抗摩擦磨损，要求材料具有高的强度、韧性和耐磨性，以满足不同工况条件的要求，抗磨材料就是狭义上的
21、耐磨材料、是本课题所要研究的范畴。耐磨材料主要包括有金属及其化合物、陶瓷及其复合材料以及塑料等三大类，其中使用范围最广、消耗量最多的是金属耐磨材料。金属耐磨材料主要有耐磨钢、耐磨铸铁、硬质合金、有色金属及金属基复合材料等。1 2 金属耐磨材料的发展历史及应用现状经过多年的研究与发展，国外耐磨材料的生产应用已趋于稳定，金属耐磨材中南大学硕士学位论文第l 章文献综述料从耐磨铸铁到耐磨钢，从普通白口铸铁到镍硬铸铁、铬系白口铸铁、贝氏体耐磨铸铁，从高锰钢到低合金耐磨钢、金属基表面复合材料以及硬质合金等已获得了长足发展。目前应用较多、消耗量大的是耐磨铸铁和耐磨钢两大类。1 2 1 耐磨铸铁铸铁是使用年代
22、最久远、应用最广泛的金属耐磨材料。近年来，其中的低碳白口铸铁和普通白口铸铁由于耐磨性较差、使用受到局限已经接近淘汰，目前应用较多的主要是低、高合金白口铸铁，其中最具代表性的有高铬、低铬白口铸铁两种。1 2 1 1 普通白口铸铁普通白口铸铁是我国最早使用的耐磨材料，其含碳量高，由于其中不含或很少含有合金元素，所以其特点是硬度高、韧性较差、脆性大，耐磨性不高，在使用过程中容易磨损和断裂，不能在冲击载荷的工况条件下工作，使用受到限制。普通白口主要用来制造性能要求不高的耐磨零件。普通白口铸铁中的碳含量决定着其耐磨性。其组织主要是渗碳体和珠光体，硬脆相渗碳体在珠光体基体中呈连续分布。由于不含或很少含有合
23、金元素，普通白口铸铁中渗碳体和珠光体的硬度都较低，其中硬而脆的的渗碳体在珠光体基体上呈网状连续分布，所以脆性大，不能用在受冲击载荷的场合，而作为基体的珠光体的强度和硬度又不高，所以耐磨性不好。但由于其生产成本低，在一定范围内得到了应用。在普通白口铸铁加入一定量的合金元素可以使硬度提高并改善其力学性能和耐磨性。科研人员结合我国的资源特点，在普通白口铸铁中加入硼、钨、锰等合金元素，使其耐磨性和使用性能在一定程度上得到提高。1 2 1 2 镍硬铸铁C l i m a x 国际公司在1 9 2 8 年成功研制了镍硬铸铁，镍硬铸铁是在普通白口铸铁的基础上加入镍和铬等合金元素而研发出来的。镍硬铸铁的研制成
24、功是白口铸铁发展史上的重要里程碑。加入铬，使普通白口铸铁中的共晶碳化物由渗碳体型变成合金渗碳体型，硬度得到有效提高；加入镍，提高了钢的淬透性，有利于获得马氏体为或贝氏体为主的基体，原来的珠光体基体被马氏体或贝氏体基体取代，2中南大学硕士学位论文第l 章文献综述硬度大大提高。由于硬度大幅度提高，所以镍硬铸铁的耐磨性要大大高于普通白口铸铁，在许多行业中得到了较广泛的应用。镍硬铸铁在许多国家已经纳入国家标准，镍硬铸铁也已由原来的镍硬I 型，发展到了现在的镍硬I V 型。镍硬I V 型铸铁中晦3，铬、镍在镍硬I V 型中的含量分别由镍硬I 型中的2 和4 5 提高到了9 和6 O。同时其中的共晶碳化物
25、由原来的M。C 变成了M，C。型，硬度和力学性能都得到提高，同时还具有一定的韧性。由于铬和镍的含量高、淬透性好，在铸态下厚截面的零件也能获得马氏体基体组织，不需要经过热处理可在铸态下直接使用。目前，镍硬I V 型铸铁主要用来制造辊式磨中的耐磨等零件。镍硬I V 型铸铁在国外得到了广泛的应用。上世纪9 0 年代以前，镍作为战略物资在我国一直被限制使用，而镍硬铸铁中含具有较高的镍，因此其研究发展和生产应用也受到了限制。1 2 1 3 铬系白口铸铁多年来，通过对铬的应用研究，研制开发出了适合在不同工况条件下使用的铬系白口铸铁。根据铬的加入量不同铬系白口铸铁可分为低铬白口铸铁、中铬白口铸铁和高铬白口铸
26、铁。近几十年来，我国对铬系白口铸铁也有较多的研究，从合金化理论的分析研究到实际生产的开发应用等都取得了重大的进展。不同含铬量的锤头、衬板、磨球、渣浆泵过流部件、挖泥泵中的耐磨件等，铬白口铸铁在我国已得到了广泛的应用。(1)低铬白口铸铁低铬白口铸铁，低铬白口铸铁中的碳化物主要以渗碳体形式存在，其碳、硅含量比普通白口铸铁稍低。低铬白口铸铁在热处理后的基体组织为马氏体、索氏体、珠光体基体等，铁、铬型共晶碳化物在低铬白口铸铁的基体组织上呈连续网状分布，由于碳化物中有铬的存在，其硬度比普通白口铸铁大大提高，其维氏硬度由8 4 0-1 1 0 0 提高到了1 0 0 0 -1 2 0 0。低铬铸铁可在冲天
27、炉中熔炼，具有合金元素含量低、生产成本低、生产工艺简单等优点，同时也较适合我国的资源国情。但由于低铬白口铸铁合金元素含量低，所以其韧性较差，耐磨性也受到影响。目前国内主要用低铬白口铸铁生产磨球。近年来，通过对低铬白口铸铁的成分进行调整，控制硅和碳的百分含量，利用变质处理改变碳化物形状、数量和分布，加入其他合金元素、采用适当的热处3中南大学硕士学位论文第1 章文献综述理方法对碳化物进行断网处理获得珠光体、回火马氏体基体组织等，改善了低铬白口铸铁的韧性、提高了耐磨性，使磨球的使用寿命大大提高。(2)中铬白口铸铁由于镍的价格很高，而我国镍资源又稀少，而镍硬I V 型铸铁的含镍量又高，为节约资源、降低
28、生产成本，中铬白口铸铁是我国研制开出来替代镍硬I V 型铸铁的一种含铬白口铸铁，中铬白口铸铁的含铬、含碳量分别为4 一1 0，和2 3 一2 7，其碳化物有M 3 C 加M，C。型两种类型，其韧性和硬度都不是很高，所以耐磨性也一般，无论是价格还是性能，中铬白口铸铁都无明显优势，所以应用较少。(3)高铬白口铸铁上世纪3 0 年代，美国和英国先后试制成功了高铬白口铸铁，目前，高铬白口铸铁是国内外公认的较好耐磨材料。高铬白口铸铁根据铬含量的不同主要有铬1 5及铬2 0 两类，铬1 5 主要用于制造在一般冲击磨损工况条件下工作的耐磨件，铬2 0 则可用于制造高冲击、高磨损工况条件下工作的耐磨件及厚度较
29、大的耐磨零件。也有含铬量在3 0 以上的高铬白口铸铁，含铬量在3 0 以上的高铬白口铸铁由于其中的铬含量高，耐氧化和耐腐蚀能力强，主要用于耐热、耐磨和耐蚀的零件。其金相组织特征是在马氏体、珠光体或奥氏体基体上分布着不同形态的碳化物。高铬白口铸铁中的碳化物以(F e，C r)，C。为主。其碳化物中的溶铬量可高达5 0 3，因此，其显微硬度也很高，达到维氏1 3 0 0 1 8 0 0，由于高铬白口铸铁中高溶铬量碳化物的存在，使材料的硬度大幅度提高，从而使得高铬白口铸铁具有较高的耐磨性；同时由于铸造凝固后，高铬白口铸铁中的碳化物不是呈连续的网状分布，而是呈孤立的杆状，又在一定程度上改善了高铬白口铸
30、铁的韧性。高铬白口铸铁可以通过较简单的热处理的方法获得所需的组织，还可以通过退火处理后适当降低其硬度以利于机械加工。高铬白口铸铁在一般的磨料磨损工况条件下都有很好的耐磨性，在各种磨料磨损工况条件下的高铬白口铸铁的耐磨性都比镍硬铸铁的好阳1。由于含铬量高，高铬白口铸铁表面能生成致密的氧化铬保护膜，同时铬的存在还能提高基体的电极电位，所以高铬白口铸铁不但具有好的耐磨性，而且还具有高的耐腐蚀性和抗氧化性。但由于硬度太高，韧性不是很好，在受冲击磨损的工况条件下，用高铬白口铸铁制造的零件易发生断裂而失效。高铬白口铸铁的铸造生产过程较难控制，因合金元素铬的含量高，铸造时的4中南大学硕士学位论文第1 章文献
31、综述流动性较差、热裂倾向也大，所以韧性较差、在铸造时易产生裂纹等缺陷，修补性差：因含碳、合金元素多使得其铸造缺陷不能通过焊补的方法进行修补，所以铸件的出品率低，生产成本很高，应用受到限制。1 2 1 4 贝氏体基体耐磨铸铁耐磨白口铸铁经过多年的研究与发展，通过添合合金元素、变质处理改变碳化物的分布、使碳化物断网、适当的热处理方法获得要求的基体组织等方法，虽然都使耐磨性在一定程度上得到提高，但因为白口铸铁的含碳量高、碳主要以渗碳体的形式存在，所以其生产的零件脆性大、韧性不足的问题始终未能解决。贝氏体组织的发现，为研究和开发新型的耐磨铸铁开拓了一条新的思路。利用贝氏体组织改善耐磨铸铁的组织，即以球
32、墨铸铁替代白口铸铁，由贝氏体组织代替马氏体组织，由此研发出来的贝氏体耐磨铸铁具有优良的综合力学性能和良好的耐磨性能。具有贝氏体基体的耐磨球墨铸铁由于性能优良，在各工业部门得到越来越广泛的应用。按其组织内部的石墨形态，贝氏体耐磨铸铁可分为贝氏体球墨铸铁和贝氏体可锻铸铁。贝氏体球墨铸铁不需石墨化退火，性能优良，作为耐磨材料已得到应用广泛贝，而贝氏体可锻铸铁因为生产周围长，适用性不大，目前研究应用较少。优良的综合力学性能使贝氏体基体球墨铸铁具有非常广泛的用途，可以用在有冲击载荷和磨损的工况条件下；也可以在要求高强度、高韧性及耐疲劳的环境下使用。在磨球材料的生产中，用贝氏体球墨铸铁制作矿山球磨机中的研
33、磨介质使用已得到普遍的认可。与高铬白口铸铁相比，贝氏体球墨铸铁具有更好的耐磨性和耐腐蚀性，同时贝氏体球墨铸铁还适用于生产在湿磨工况条件下工作的的耐磨零件，如挖泥泵的过流部件、渣浆泵的耐磨件等。虽然贝氏体球球墨铸铁的力学性能和使用性能优良，但其生产成本较高、生产工艺复杂，质量不稳定等。1 2 2 耐磨钢钢是指碳含量低于2 1 1 的铁碳合金。而耐磨钢中的碳含量一般都远远低于2 1 1。因为耐磨钢中的碳含量要比耐磨铸铁低得多，所以其韧性要比耐磨铸铁好很多。因为耐磨钢在适当的热处理条件下可以获得马氏体、贝氏体等硬度较高的基体组织，具有较高的强度和硬度，所以具有较好的耐磨性。因为韧性较好，与大学硕士学
34、位论文第1 章文献综述耐磨铸铁相比，耐磨钢更适合制造在冲击载荷下工作的耐磨零件。按化学成分分类，耐磨钢可分为：奥氏体锰钢、中锰钢、改性高锰钢、高碳、中高碳、中碳、高合金、中合金及低合金耐磨钢等；按基体的金相组织分类，耐磨钢可分为马氏。体、贝氏体及奥氏体耐磨钢。除以上列举的耐磨钢外，根据设备磨损的具体情况和资源情况，我国还研制出了多种新型耐磨钢。除要求耐磨铸钢具有好的耐磨性外，有时还要求其具有其他一些特殊性能，如耐冲击、抗氧化、耐腐蚀或高韧性等，具有高韧性的耐磨钢，适合制作在大冲击载荷工况条件下工作的耐磨零件。如含锰量较高的高锰钢，具有很好的韧性，能够满足零件使用条件对零件的高韧性的要求，适合制
35、作在大冲击载荷下工作的耐磨零件。同时，在大的冲击载荷作用下，其加工硬化的特性也可以得到充分发挥。对于既要求耐磨性又要求耐热性、耐腐蚀性的零件，则需要选用合金含量高的钢，特别是铬镍含量高的高合金钢，具有好的耐热和耐蚀性。1 2 2 1 高锰钢英国人H a d f i e l d 在1 8 8 2 年就发明了高锰钢，它是一种使用年代久远的耐磨材料，具有良好的耐冲击磨料磨损性能。其成分百分含量为碳：0 9 1 4、锰：1 0-1 5，硅0 3-0 8、S 0 0 5、P 0 1 0。高锰钢铸态的组织是奥氏体加碳化物，其中碳化物的脆性大、韧性低，它的存在使钢的耐冲击磨性降低。因此，为消除基体组织中的碳
36、化物，高锰钢铸件一般都要经过重新加热水韧处理，通过水韧处理后高锰钢的碳化物全部固溶于奥氏体中、可获得单相的奥氏体组织。高锰钢之所以具有良好的耐冲击磨料磨损性能，一方面是因为奥氏体组织具有很高的韧性，在受冲击时能吸收较多的冲击功，抑制裂纹在磨损亚表层中的萌生和扩展；另一方面由于其中的奥氏体组织具有优异的加工硬化能力，即在强烈的挤压载荷或冲击载荷作用下，受挤压或冲击的表面会迅速产生加工硬化，硬度可从H B 2 0 0 左右很快提高到H B 5 0 0 以上，而心部仍能保持良好的韧性，从而能减少切削和变形磨损。研究发现，其耐磨性与冲击载荷有很大关系，冲击载荷越大，高锰钢的加工硬化能力越强，越表现出高
37、的耐磨性。在高锰钢磨受更高能量的冲击载荷磨损作用时其表面会有非晶组织和纳米晶出现。高强度、高硬度的非晶组织与高韧性的奥氏体纳米晶镶嵌分布在其磨损表面上，使其在高能冲击载荷下还表现出较好的综合力学性能，这就是在大能量冲击载荷作用下高锰钢材料还具有较好耐磨性的原因。因为高锰钢只有通过加工硬化才表现出好的耐磨性，所以其使用6中南大学硕士学位论文第1 章文献综述范围受到限制，只适合制作在大冲击磨损工况条件下工作的零件。要扩大高锰钢的应用，需要对其进行改性研究，使其耐磨性提高n 羽，以适应不同工况条件的使用要求。采用合金化的方法可以提高高锰钢的耐磨性：在高锰钢中加入铬、钼、钛等合金元素，在钢中加入钛与碳
38、结合生成碳化钛、起到弥散强化、细化晶粒的作用，在提高强度的同时使韧性得到提高；加入钼、铬等元素产生固溶强化、起强化基体的作用，提高基体的强度和硬度，使材料的耐磨性提高。试验表明，用以上方法生产出来的耐磨零件，其使用寿命至少是原来普通高锰钢零件的1 5 倍。在生产工艺方面也有所改进，利用铸造余热进行水韧处理，避免了传统的在铸件冷却后重新加热再进行水韧处理的方法，使工艺简化，缩短了生产周期，降低了生产成本，使经济效益显著提高n 钉。高锰钢的加工性差，其产品零件一般都是在铸态直接使用。徐文亮等n 钔采用深度轧制方法对高锰钢表面进行预变形硬化处理表明，随着变形量的增加，其表面晶粒细化、组织内部孪晶增多
39、和位错密度增大，材料的耐磨性提高。这是因为在外力作用下高锰钢表面产生了高密度位错及孪晶组织，同时轧制使铸造过程产生的各向异性、气孔等缺陷得到改善或消除，表面晶粒细化和位错密度增加能减少磨粒造成的磨损表面的脆性剥落。在轧制过程中，虽然高锰钢表面被加工硬化、但其心部仍保持良好的韧性，这也使磨损过程中的疲劳剥落减少，轧制消除了铸造缺陷、使高锰钢的性能得到进一步提高，该工艺方法对提高高锰钢零件的使用寿命及扩大高锰钢的应用范围具有积极的意义。1 2 2 2 变质中锰钢中锰钢是在高锰钢的基础上研发出来的。在高锰钢的基础上，添加一定量的铬，并适当降低含锰量，降低了奥氏体的稳定性、使之易于N-r 硬化，提高其
40、耐磨性。中锰钢的成分百分含量为：锰：8 0 9 O、碳：1 O 1 2、铬：2 0 2 5、硅：墨严，、*S、Y(于1)l二一二、。木I，、b；囊专，、。1 0 11 01 0 21 0 1 0 z t m s2-2 亚共析钢等温转变曲线及利用c 曲线估计转变产物图2、回火工艺的确定钢淬火后的组织主要是马氏体或马氏体加残余奥氏体或铁素体加残余奥氏体，这些组织在室温下都处于亚稳定状态，马氏体处于碳过饱和状态、残余奥氏体处于过饱和状态，它们都趋向于向平衡组织珠光体转变。钢在淬火后，一般具有高的硬度、大的淬火应力，片状马氏体还有较大的脆性。通过低温回火可以在不降低或适当降低硬度的同时，消除大部分淬火
41、应力，改善钢的塑性和韧性。同时使其尺寸稳定性大大提高，通过回火可以在很大范围内改善钢的强度、塑性、韧性间的配合，从而满足各种机械零件对性能提出的不同要求。回火过程完全受碳及合金元素的扩散与铁的自扩散控制，回火温度与在该温度下的保温时间对淬火钢回火后的组织与性能有决定性的影响。随回火温度的升高淬火组织依次分解为：回火马氏体(贝氏体)、回火屈氏体、回火索氏体、粒状珠光体组织。对要求高强度、硬度、耐磨性及一定韧性的淬火零件，通常在淬火后于1 5 0 2 5 0 之间进行低温回火，获得以回火马氏体(贝氏体)为主的组织。对低合金耐磨钢而言，主要是要求其有高的强度、硬度和耐磨性。因此，为保证消除其淬火应力
42、又不降低其淬火硬度，本次实验选择低温回火。回火温度确定在2 2 0，保温时间为2 5 小时。3 7中南大学硕士学位论文第2 章实验过程和方法2 3 性能测试和组织分析2 3 1 力学性能测试(1)硬度测量目的：对试验钢在铸态和在不同淬火工艺条件下热处理后的硬度值进行比较，研究稀土变质处理与热处理工艺对材料硬度的影响。所用仪器：用H B R V U-1 8 7 5 型布络维光学硬度仪测量试样硬度，每个试样检测六次，结果取它们的平均值。方法：洛氏硬度是以测量压痕深度来表示材料硬度的值，所用压头的采用圆锥角为1 2 0。的金刚石圆锥体。为保证测量的准确性，在测量时先加初试验力F o，先在试样表面取得
43、一深度为h。的压痕，此硬度计的指针在表盘上指零。第二步施加主试验力F。，得到尝试为h。的压痕。试样在F。力作用下产生的总变形h。中包括弹性变形与塑性变形，当卸除试验力后，总变形中的弹性变形会恢复，使压头回升(h。-h)的距离，此时残留在试样表面深度为h 的塑性变形就是硬度测量的压痕深度。随着弹性变形的恢复，指针顺时针方向转动，转动停止时所指的数值就是压痕深度所对应的洛氏硬度值。洛氏硬度值是以试样表面测量时产生的压痕深度h来计算的，压痕深度越大，说明试样表面的变形越大，试样的硬度值也越低，反之硬度值越高。(2)冲击韧性试验目的：对添加稀土变质处理后在不同温度下等温淬火的试样进行冲击韧性试验，分析
44、不同等温温度对低合金钢耐磨钢冲击性能的影响。设备：C B D-摆锤冲击试验机。试样制备：用线切割机将试样切成5 5 5 5(i m)的无缺口非标试样。试验方法：试验在摆锤式冲击试验机上进行冲击。试验时，先将试样水平放置在冲击试验机的支座上，然后将摆锤提升到一定高度H。，使其获得G H。(其中G摆锤质量)的势能，然后释放摆锤，摆锤释放后会冲断试样，在冲断试样后，摆锤会部到一定的高度H 2，此时摆锤还剩余G H：的能量，摆锤在冲断试样时所消耗的能量为G H 广G H：，此能量也是试样在受冲击时产生变形和断裂所吸收的功，称为冲击吸收功，以W 表示，单位为J，试样截面面积为S，则试样的冲击韧度为a=W
45、 S，3 R中南大学硕士学位论文第2 章实验过程和方法单位为J c m 2。每组三个试样，冲击后取其平均值。(3)耐磨性试验目的：对变质处理前后的两种合金在空冷淬火+回火处理后的试样进行耐磨性试验，通过磨损失重量和摩擦系数的试验结果比较它们的耐磨性能差异。仪器：U M T 一3 微磨损试验机试验运行参数：往复速度：1 0 0 0 r m i n l 载荷：5 0 N；时间：1 小时。制备试样：将试样加工成2 5 X 2 5 X(1 5-2 0)(衄)的长方体，试样表面在试验前用1 5 0 0 号砂纸打磨、抛光。2 3。2 显微组织夹杂物及磨损试样形貌分析(1)金相组织分析目的：观察试验合金在铸
46、态、在不同淬火介质中冷却淬火及在不同温度下等温淬火的金相组织以及通过加入稀土进行变质处理后的和未添加稀土的金相组织、不同淬火状态的金相组织的区别。研究组织和性能之间的关系。仪器：P O L Y V A RM E T 金相显微镜制各试样：上用线切割机在试验材料截取1 0 1 0 2 0(姗)大小的试样制备成金相试样，然后经过砂纸打磨、水冲洗、抛光、冲洗、浸蚀、冲洗、烘干。首先利用金相显微镜进行观察并拍照，然后再用电镜进行扫描并照相，对照片进行比较，分析铸态和热处理后的组织以及添加稀土前后的组织变化，并分析夹杂物中的成分，以此来说明添加稀土变质处理及不同热处理工艺的对合金的影响。浸蚀剂：5 硝酸酒
47、精。浸蚀时间：2 0 秒。(2)夹杂物分析目的：观察两种合金中夹杂物形态、分布，并分析其形成机理仪器：s i r i o n 2 0 0 场发射扫描电镜(3)磨损试样形貌分析目的：对耐磨性试验试样表面进行扫描，分析其磨损机理。对冲击试验试样断口进行扫描，分析其断裂机理。仪器：s i r i o n 2 0 0 场发射扫描电镜3 9中南大学硕士学位论文第3 章稀土对低合金耐磨钢组织的影响第3 章稀土对低合金耐磨钢组织的影响3 1 稀土对低合金耐磨钢夹杂物形态的影响图3-1 铸态合金S M E 表面形貌8)合金1b)A 金2其中合金1 代表没有添加稀土变质处理的低合金耐磨钢、合金2 代表通过加入稀
48、土进行变质处理后的低合金耐磨钢，以下同。图3 1 是两种低合金耐磨钢试样铸态的S E M 表面形貌，从上图可以看出未添加稀土的低合金耐磨钢中夹杂物数量较多，与稀土变质处理后的低合金耐磨钢比，其夹杂物呈条状或不规则的块状，大小和分布都不均匀，稀土变质处理后，低合金耐磨钢试样中夹杂物数量在整个视场中所占比明例明显减少，且呈类球状，从S E M 表面形貌可以看出，稀土改变了夹杂物的形态并使其数量减少。对铸态合金中的夹杂物的能谱分析如图3-2 所示，由于图3-2 a)和图3-2 b)可看出，未添加稀土的低合金耐磨钢夹杂物中的元素是0、C、A l、S i、C r、M n、F e。稀土变质处理后的低合金耐
49、磨钢中的夹杂物中测出的元素是S i、C r、F e。图3-2 合金夹杂物能谱分析a)合金1b)合金24 1中南大学硕士学位论文第3 章稀土对低合金耐磨钢组织的影响3 2 稀土对合金金相显微组织的影响要获得所需要的材料性能，必须了解材料的内部组织结构，材料的金相显微组织决定材料的性能，因此要了解材料的性能，必须弄清楚材料在铸态下和热处理后的组织结构。图3-3 铸态合金金相显微组织a)合金1b)A 金2图3-3 是合金在铸态时金相组织，从图可以看出，两种低合金耐磨钢的铸态组织为珠光体、铁素体及碳化物，稀土变质处理后合金的组织变细，组织中珠光体的数量减少而铁素体数量增加，没有添加稀土时，珠光体在低合
50、金耐磨钢中呈点状和小球状，而稀土变质处理后钢中的珠光体变为片层状结构。从图3-3b)中可看出，稀土可以细化晶粒，主要表现在使渗碳体、铁素体和珠光体层片间距减小。使组织中的铁素体量增加，稀土使铁素体量增加，是因为稀土增加碳和锰的固溶度，在基体中的固溶量增加、碳化物减少，珠光体的量就会减少嘲3 结果必然会使铁素体量增加，。图3-4 是低合金耐磨钢试样空冷淬火+回火处理后的组织。由图可知，两种低合金耐磨钢热处理后的组织都是少量马氏体+块状铁素体+粒状贝氏体。由图可见，通过稀土变质处理后的低合金耐磨钢的组织更细小，结果说明：稀土使粒状贝氏体晶粒细化。4 2中南大学硕士学位论文第3 章稀土对低合金耐磨钢