耐磨钢的组织与性能研究

耐磨钢的组织与性能研究

第1章耐磨材料研究的意义及现状1

1.1耐磨铸钢的研究现状2

1.1.1高锰耐磨钢的研究现状2

1.1.2贝氏体耐磨钢的研究现状3

1.1.3国内外对奥氏体-贝氏体耐磨钢的研究现状6

1.2耐磨钢强韧化研究进展8

1.3化学成分对耐磨钢性能的影响10

1.4半钢耐磨材料的研究12

1.5金属材料磨料磨损机理的研究15

1.5.1磨料磨损的一般规律17

1.5.2磨屑形成的变形断裂机制17

1.5.3金属材料耐磨性的研究方法20

1.5.4磨料磨损的切削模型及其耐磨性大小的评定20

1.5.5磨粒磨损机理对耐磨材料的要求21

1.6耐磨铸钢研究中主要存在的问题21

1.7耐磨铸钢的发展方向23

参考文献23

第2章中碳低合金贝氏体钢的研究27

2.1材料制备27

2.1.1奥氏体-贝氏体耐磨钢的组织设计27

2.1.2试样的成分设计及试验方法28

2.1.3试样临界点的确定29

2.1.4试样热处理工艺制度制订29

2.2力学性能与组织观察试验结果及分析30

2.2.1力学性能测试30

2.2.2断口分析33

2.2.3拉伸试验的方法及分析35

2.2.4金相组织观察及XRD分析39

2.2.5XRD测试42

2.2.6透射电镜显微组织观察分析46

2.3磨料磨损试验及结果分析51

2.3.1静载荷滑动磨料磨损试验51

2.3.2试样力学性能与耐磨性的关系54

2.3.3磨损表面组织与性能的变化55

2.3.4不同载荷下试验钢与Mn13的耐磨性57

2.4低应力冲击载荷磨料磨损试验59

2.5研究结论64

参考文献65

第3章中碳高硅铸钢耐磨性的研究66

3.1研究意义及目的66

3.2国内外研究现状66

3.3试验材料与方法72

3.4组织与性能试验结果分析73

3.4.1冲击韧性的讨论73

3.4.2试样硬度73

3.4.3金相组织分析75

3.4.4断口形貌分析77

3.5磨损表面及耐磨性分析78

3.5.1试样力学性能与耐磨性的关系79

3.5.2磨屑的形貌80

3.6研究结论81

参考文献81

第4章半钢耐磨性的研究84

4.1研究的目的和意义84

4.2半钢耐磨材料研究现状84

4.3试验材料89

4.4试验结果分析90

4.4.1硬度测试90

4.4.2冲击韧性测试92

4.4.3金相组织分析94

4.4.4断口形貌分析95

4.5研究结论96

参考文献97

第5章抗磨铸钢与高强度钢复合焊接工艺的研究98

5.1研究的目的及意义98

5.2异种钢焊接研究的现状98

5.3试验材料及方法101

5.3.1高强钢材料与耐磨材料的选择101

5.3.2焊接材料的选用102

5.3.3母材的焊接及热处理103

5.3.4试验材料制备104

5.4试验结果分析105

5.4.1金相组织分析105

5.4.2硬度测试结果分析108

5.5研究结论109

参考文献110

第6章TiC高锰钢钢结合金的研究111

6.1选题背景111

6.2研究的目的及意义112

6.3破碎设备对材料性能的要求112

6.3.1破碎设备工况条件及失效分析112

6.3.2破碎设备材质的组织及性能的要求113

6.4碳化钛钢结合金的国内外研究现状115

6.4.1碳化钛钢结合金的制备方法116

6.4.2界面结构及润湿性119

6.4.3应用与展望123

6.5研究内容124

6.6试验材料与方法124

6.6.1成分设计124

6.6.2热处理工艺126

6.6.3试验方法127

6.7试验结果与讨论127

6.7.1碳化钛钢结合金制备工艺的研究127

6.7.2成形剂的影响128

6.7.3成形压力的影响131

6.7.4温度的影响132

6.7.5热处理工艺的影响135

6.7.6铬对碳化钛钢结合金组织及力学性能的影响138

6.8研究结论142

参考文献142

黄志求，教授，材料科学与工程学院金属材料教研室主任。

耐磨钢简史

耐磨钢作为一种专用钢大约始于十九世纪后半叶。1883年英国人哈德菲尔德（R0.A0.Hadfield）首先取得了高锰钢的专利，至今已有100多年的历史，高锰钢是一种碳含量和锰含量较高的耐磨钢，这个具有百余年历史的古老钢种，由于它在大的冲击磨料磨损条件下使用时具有很强的加工硬化能力，同时兼有良好的韧性和塑性，以及生产工艺易于掌握等优点，因此，它仍然是耐磨钢中用量最大的一种（尤其是在矿山等部门）。近几十年来，低、中合金耐磨钢的开发与应用发展很快，由于这些钢具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理，在许多工况条件下适用，受到用户的欢迎。为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，所研制的高硬度耐磨钢板，20世纪70～80年代在国际上已形成系列并标准化。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，它们一般采用轧后直接淬火并回火，或实行控轧、控冷工艺进行强化，可节约能源，且合金元素含量低，价格较便宜，但硬度高，耐磨，工艺性能尚可，由于具有了这些优点使这类耐磨钢板很受用户欢迎。日、英、美等国的一些钢铁公司都生产这类耐磨钢。

耐磨钢分类

耐磨钢种类繁多，大体上可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢，铬钼硅锰钢，耐气蚀钢，耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。一些通用的合金钢如不锈钢、轴承钢、合金工具钢及合金结构钢等也都在特定的条件下作为耐磨钢使用，由于它们来源方便，性能优良，故在耐磨钢的使用中也占有一定的比例。

耐磨钢化学成分

中、低合金耐磨钢这类钢中通常所含的化学元素有硅、锰、铬、钼、钒、钨、镍、钛、硼、铜、稀土等。美国很多大中型球磨机的衬板都用铬钼硅锰或铬钼钢制造。而美国的大多数磨球都用中、高碳的铬钼钢制造。在较高温度（例如200～500℃）的磨料磨损条件下工作的工件或由于摩擦热使表面经受较高温度的工件，可采用铬钼钒、铬钼钒镍或铬钼钒钨等合金耐磨钢，这类钢淬火后，经中温或高温回火时，有二次硬化效应。

耐磨钢应用

耐磨钢广泛用于矿山机械、煤炭采运、工程机械、农业机械、建材、电力机械、铁路运输等部门。例如，球磨机的钢球、衬板、挖掘机的斗齿、铲斗，各种破碎机的轧臼壁、齿板、锤头，拖拉机和坦克的履带板、风扇磨机的打击板，铁路辙叉，煤矿刮板输送机用的中部槽中板、槽帮、圆环链，推土机用铲刀、铲齿，大型电动轮车斗用衬板，石油和露天铁矿穿孔用牙轮钻头等等，以上所列举的还主要限于属于经受磨料磨损的耐磨钢的应用，而各种各样的机械中凡是有相对运动的工件问，皆会产生各种类型的磨损，都会有提高工件材料耐磨性的要求或要求采用耐磨钢，这方面的例子则不胜枚举。矿石和水泥磨机中使用的研磨介质（球、棒和衬板）是消耗量很大的钢铁磨损件。在美国，磨球大多数是用碳素钢和合金钢锻造或铸造的，它们占磨球总消耗量的97%。在加拿大，消耗的磨球中钢球占81%。据80年代末统计，中国每年消耗磨球约80～100万t，全国磨机衬板的年消耗量近20万t，这其中绝大多数为钢制品。中国煤矿用刮板输送机中部槽每年要消耗6～8万t钢板。

耐磨钢生产工艺

耐磨钢都是用电炉或转炉冶炼的，产品以铸件为多，近年来，锻、轧等热加工材正在增多。在一般机械中使用的耐磨钢件的生产方法与其他工件并没有太大的区别，只是在热处理工艺或表面处理工艺方面应有所要求，以达到保证耐磨性的需求。对于那些材质冶金纯净度显著影响耐磨性的钢件应采取精炼措施，并对有害杂质和气体提出限量要求。除基体外第二相的数量、形状和分布往往对钢件的耐磨性能有重大影响，此时需要从钢的化学成分设计、冶炼、热加工、热处理（含热机械处理）等等方面统筹考虑，以便从冶金因素方面力争达到提高耐磨性的要求。

耐磨钢强化技术

磨损是发生在工件表面的过程，因此，强化工件表面就显得十分重要。钢的表面强化技术有着悠久的历史，例如，渗碳技术至少可以追溯到两干多年前中国的汉朝，而一千多年前的中国史书中已有关于碳氮共渗工艺的记载。近几十年来，各种各样的表面强化技术与装备发展迅速，采取必要的表面强化及表面改性措施，不仅可以节约大量的原材料，而且可以赋予工件表面层以各种特殊的、作为整体材料难以得到的组织结构与性能，从而取得最优异的耐磨性能和巨大的经济效益。如今，表面强化技术已成为耐磨钢（包括耐磨材料）的研究与应用的一个重要发展方向。

耐磨钢工艺发展

近年来钢铁材料的表面强化（润化）技术发展很快，有关新技术、新工艺层出不穷，针对不同需要可以选择不同的表面强化技术来提高钢件在各种类型磨损条件下的耐磨性，以价格较低廉的基体材料制作工件取代昂贵的合金钢。渗碳、碳氮共渗、渗氮等工艺仍然是强化机械零件的主要措施，采用共渗、复合渗、渗硼、渗金属、喷焊、堆焊、气相沉积、电刷镀、离子注入等工艺在不同机件的各种工况条件下都取得了提高耐磨性的明显效果。此外，铸渗、复合铸造等铸造工艺在耐磨钢件的制造中也有应用。