合金元素Ni_Al对45S...韧钢冲击磨料磨损行为的影响_杨明.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom22030042-1基金项目:国家自然科学基金(52071012);中央引导地方科技发展资金基础研究(YDZX2021005)This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China(52071012)and Central Funds Guiding the Local Science and Tech-nology Development-Fundamental esearch(YDZX2021005)Chenxiaohua710103126com;Wangzidong64126comDOI:10.11896/cldb.22030042合金元素 Ni/Al 对 45Si2MnCr2Mo 超高强韧钢冲击磨料磨损行为的影响杨明1，2，陈晓华3，王自东1，3，王艳林1，左玲立21北京科技大学材料科学与工程学院，北京 1000832北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，北京 1000833北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083针对不同 Ni/Al 含量的强塑韧性良好的 45Si2MnCr2Mo 超高强韧钢，利用 MLD-10 冲击磨料磨损实验机对其进行了三体磨料磨损实验，系统研究了不同 Ni/Al 含量对超高强韧钢的磨损失重、硬化层深度以及磨损后表层及亚表层微观形貌的影响，并探讨了磨损机理。结果表明:Ni 含量为 3%时超高强韧钢的耐磨性最好，磨损百分比最低，为 0391%。当加入 05%的 Al 后超高强韧钢的耐磨性降低了 148，磨损百分比增加到 042%。添加Ni 元素能提高超高强韧钢的磨损性能，但当 Al 和 Ni 同时添加时反而不利于改善磨损性能。质量失重是由磨料的嵌入及剥落共同体现的。实验钢经冲击磨料磨损实验后表面和次表面区域通过加工硬化得到强化，Ni 含量为 3%时超高强韧钢拥有最佳的综合磨损后表面硬度、硬化百分比和有效硬化层深度，磨损过程更均匀。超高强韧钢的磨损形式主要为犁沟、剥落、裂纹、嵌入磨粒、犁沟浪花和挤压堆积。关键词超高强韧钢冲击磨料磨损磨损行为冲击硬化中图分类号:TB304文献标识码:AEffect of Alloying Elements Ni/Al on Impact Abrasive Wear Behavior of45Si2MnCr2Mo Ultra-high Strength SteelYANG Ming1，2，CHEN Xiaohua3，WANG Zidong1，3，WANG Yanlin1，ZUO Lingli21School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China2Beijing National Innovation of Lightweight Ltd，Beijing 100083，China3State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，ChinaIn this work，three-body abrasive wear experiments were carried out on 45Si2MnCr2Mo ultra-high strength steels with different Ni/Al contentsby using the MLD-10 impact abrasive wear tester The effects of different Ni/Al contents on the wear weight loss，the depth of hardened layer，and the microstructure of worn surface and subsurface of ultra-highstrength steel were systematically studied，and the wear mechanism was dis-cussed The results show that when the content of Ni was 3%，the wear resistance of ultra-high strength steel was the best，and the wear per-centage was the lowest，which was only 0391%However，when 05%Al was added，the wear resistance decreased by 148，and the wear per-centage increased to 042%Therefore，the addition of Ni element can improve the wear performance，but it is not conducive to improve the wearperformance when Al and Ni are added at the same time The wear weight loss is reflected by the embedded quantity and size of abrasives，de-pression and spalling After impact abrasive wear test，the surface and subsurface areas of ultra-high strength steel are strengt-hened by workhardening When the content of Ni is 3%，the ultra-high strength steel has the best comprehensive surface hardness，hardening percentage andeffective hardened layer depth，and the wear process is more uniform The wear forms of ultra-highstrength steel are mainly furrows，spalling，cracks，embedded abrasive particles，furrow spray and extrusion accumulationKey wordsultra-high strength steel，impact abrasive wear，wear performance，impact hardening0引言近几十年来，钢铁耐磨材料由于其生产成本效益优势而成为耐磨领域应用中极具竞争力的选择，并已被广泛应用在采矿、矿物处理和农业等工程机械产品上1-4。但是，机械设备中的冲击磨料磨损行为会导致工作部件损坏和机器故障，缩短设备的使用寿命，从而造成重大的经济和环境损失5-9。目前，很多学者针对冲击磨料磨损工况做了大量的工作10，研究出抗磨损和抗冲击的强韧性耐磨材料。其中，超高强韧钢具有高的强韧性匹配的同时具有良好的耐磨性，得到国内外学者的广泛关注。超高强韧钢具有良好的耐磨性和长的使用寿命，主要通过提高钢的强度、硬度和韧性相配合，全面提高其抗冲击磨损的能力11。热处理工艺对超高强韧钢的磨损性能的影响研究较多12-15，而合金元素对超高强韧钢的磨损性能的影响研究较少。目前，合金钢通过添加多种合金元素来获得良好的硬韧性配合，被应用于各种冲击磨损工况。因此，为制备出耐磨性良好的耐磨钢，需进一步优化材料的化学成分。El-Koussy 等16 研究了 Cr 含量对超高强韧钢磨损性能的影响，结果表明，当 Cr 含量为 1%12%时，提高 Cr 含量可以有效增加超高强韧钢的耐磨性，而且 Cr 含量较低时，这种效应更为显著，但 Cr 的大幅添加增加了生产成本。Shukyurov 等17 发现高铬模具钢中 Ti(04%07%)和 Si(07%10%)的存在会使其强度和耐磨性提高，同时不会对其制造性能产生不利影响。Ni 有利于提高钢的强度和淬透性，同时可扩大奥氏体相区，有利于获得残余奥氏体组织18。残余奥氏体在磨损22030042-2过程中会转变为马氏体，也有利于提高钢的耐磨性19-20。在马氏体耐热钢中加入一定量的 Al 元素能有效提高材料的耐磨性，特别是当 Al 含量达到 20%时，试样磨损后磨损面形成的沟槽最浅，磨损量最小，耐磨性最好21。ZG40Cr25Ni20 抗磨耐热钢经 1 200 保温 5 h 油冷热处理后，随 Al、Ti 和 W含量的增加，基体组织中铁素体含量逐渐增加，组织由奥氏体+碳化物逐渐向铁素体+碳化物转变。当 Al、Ti 和 W 的含量分别为 502%、061%和06%时，试样耐磨性比未加合金元素试样高一倍22。上述文献报道了 Ni 和 Al 元素对耐磨钢耐磨性的影响，但其对超高强韧钢的冲击磨料磨损性能的影响尚不明晰。因此，有必要研究 Ni 和 Al 元素对超高强韧钢的冲击磨料磨损 行 为 的 影 响 以 及 磨 损 机 理。本 课 题 组 制 备 出45Si2MnCr2Mo 超高强韧钢23，其耐磨性能还未研究。本工作利用冲击磨料磨损实验机对添加不同含量 Ni 和 Al 的45Si2MnCr2Mo 新型超高强韧钢进行了三体磨料磨损实验，探究了超高强韧钢在不同Ni和Al含量下的磨损行为，提出了超高强韧钢磨损分析方法，分析了磨损表层和磨损亚表层的微观组织，阐释了超高强韧钢的耐磨机理，为耐磨超高强韧钢的设计提供了依据。1实验11材料制备三种 45Si2MnCr2Mo 超高强韧钢的化学成分如表 1 所示，根据 Ni、Al 含量的不同，分别记为试样 A、试样 B 和试样 C。采用真空熔炼方法制备 150 kg 钢锭，接着直接采用热轧工艺制备出厚度为 52 mm 的钢板，再经过 930 保温15 min正火及 220 保温 2 h 回火热处理，获得热处理板。钢板的详细制备过程见文献 23，采用线切割在热处理板上切割出金相试样，用于扫描电镜(Scanning electron microscope，SEM)和能谱分析。金相试样用 400#到 2000#粒度的碳化硅砂纸进行机械研磨，然后用 4%(体积分数)的硝酸酒精溶液抛光和蚀刻15 s，使用 Zeiss-Auriga 扫描电镜对其微观组织形貌进行扫描观察。表 1超高强韧钢的化学成分(质量分数/%)Table 1Chemical composition(mass fraction/%)of ultra-high strength steels钢CSiMnPSCrNiMoAlFeA0471870590010004 51921800450006余量B0471890600009 70005 11923400440006余量C0472000600007 60004 11923300440310余量根据 ASTM E8M 标准，拉伸试验测量是在室温下进行，设备为 WDW-200D 型微型计算机控制的电子万能试验机，应变速率为 66104s1，引伸计长度为 25 mm。每种样品测试三个平行试样，并取平均值。开 U 口的冲击试样的尺寸为5 mm10 mm55 mm，在摆锤式冲击试验机(ZBC2452-B)上完成室温冲击试验。为了确定残余奥氏体(etained auste-nite，A)的体积分数 V，用 Cu-Ka 辐射在 2 为 4095、步