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合金成分对低碳高合金钢组织与性能影响的研究 摘要 在冲击、腐蚀和磨损并存的工况条件下，传统的湿式磨机衬扳材质，如高 锰钢、中碳合金钢和高铬铸铁等，虽然各有优点，但综合表现不佳，低碳高合 金钢的研制成功很好的解决了这一问题。这是一种新型的合金钢，本文就合金 元素对其组织与性能的影响作了一些探讨。 碳是构成所有合金钢的最基本的元素，其极微小的含量变化都会引发钢的 性能的巨大变化，因此i 本文对碳在低碳高台金钢中的影响作了研究，在保持 合金元素含量不变以及低碳的前提下，熔炼了三种含碳量的低碳高合金钢。镍 对于合金钢性能的改善是独特的，但资源有限，价格昂贵，而常作为代用元素 之一的锰却很廉价，因此，本文还对低碳高合金钢中以锰代镍的可行性进行了 研究，在保持含碳量不变的前提下，以等量锰取代镍。 熔炼得到的几种低碳高合金钢，按预定工艺退火并淬火回火，采用光学金 相显微镜、x 射线物相分析和显微硬度等手段分析了不同处理状态的组织构成， 并测定了力学性能和均匀腐蚀性能。结果表明，碳显著的影响低碳高合金钢的 组织和性能，而以锰代镍低碳高合金钢可以获得预期的组织与性能。 在改进的m l d 1 0 型冲击腐蚀磨损试验机上，对不同成分的低碳高合金钢 的冲击腐蚀磨损性能进行了测试。结果表明，过高和过低的含碳量均产生不利 影响，以锰代镍在本试验条件下表现更好，几种低碳高合金钢的冲击腐蚀磨损 机制也不尽相同。 关键词：冲击腐蚀磨损，低碳高合金钢，合金元素，碳含量，以锰代镍，磨损 机制 a ni n v e s t i g a t i o no ne f f e c t so fa u o y i n ge l e m e t so ns t u c t u r e a n dp r o p e r t i e so fl o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e l a b s t r a c t s w e tg r i n d i n gl i n e ru s u a l l yw o r k su n d e rs e v e r ec o n d i t i o n ，w h i c hc o m b i n e c o r r o s i o n ，i m p a c ta n da b r a s i o nt o g e t h e lt r a d i t i o n a l1 i n e rm a t e r i a l s ，s u c ha sh i g h m a n g a n e s es t e e l ，m e d i u mc a r b o na l l o ys t e e l ，h i 曲c h r o m i u mc a s ti r o n ，h o l ds p e c i a l f e a t u r e sf o re a c h h o w e v e r ，t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h e s ea r en o t s a t i s f y i n g t h 苦d e v e l o p m e n to fl o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e l ( l c h a ) h a v ep r o v i d e d q u i t eag o o ds o l u t i o nf o rt h i sp f o b i e m l c h aj san e wc a t e g o r yo fs t e e l s ，a n dt h e e f b c to fa 1 1 0 y i n ge l e m e n t so ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fl c h aw e r ed i s c u s s e d f o n o w i n g a sa ne s s e m i a le l e m e n ti na l l o ys t e e l s ，c a r b o nm a yc h a n g ep r o p e r t i e so fs t e e l s g r e a t l yw i t ho n l ys l i 曲tc o n t e n tv a r i a t i o n s ot h ee f f e c to fc a t b o ni nl c h aw e r e d i s c u s s e di nt h i sp 印e r l c h ao ft h r e ek i n d so fc a r b o nc o n t e n tw i t h i nl o wc a r b o n r a n g ew e r ep r e p a r e d n i c k e li su n i q u ei ni n l p r o v i n gp f o p e r t i e so fa l l o ys t e e l s ，b u t a l s oe x p e n s i v ea n dl i m i t e di nr e s o u r c e s 0 nt h eo t h e rh a n d ，m a n g a n e s e ，o n eo ft h e s u b s t i t u t e sf o rn i c k e l ，i sq u i t ec h e a p t h e r e f o r e ，u n d e rc e r t a i nc a r b o nc o n t e n t ， i n s t e a do fn i c k e i ，s 鼬ep e r c e n t a g eo fm a n g a n e s ew e r ea d d e di nl c h at os e ei fi t w o r k s l c h aw i t hs e v e r a lv a r i a t i o n so fc o m p o s i t i o nw e r ec a s t e d ，a n n e a l e d ，t h e n q u e n c h e da n dt e m p e r e da c c o r d i n gt op r e s e tp r o c e s s e s s t r u c t u r e8 f t e rd i f 艳r e n t t r e a t m e n t sw e r eo b s e r v e dw i t ht h eh e l po fm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，x r da n d m i c r o h a r d n e s s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa i l du n i f o r mc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew e r ea l s o e x a m i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tc a r b o ni n n u e n c e ss t r u c t u r ea n dp r o 口e r t i e so f l c h as i g n m c a n t l y a n ds u b s t i t u t i o nf o rn i c k e lw i t hm a n g a n e s em a yr e s u l ti n e x p e c t e ds t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s l c h aw i t hs e v e r a lv a r i a t i o n so fc o m 口o s i t i o nw e r et e s t e dw i t ham o d i f i e d m l d l0w e a rt e s t e rt oi n v e s t i g a t et h e i rb e h a v i o ru n d e rc o r r o s i v ei m p a c ta b r a s i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a te x c e s so rl a c ko fc a r b o nm a vl e a dt ob a dd e r f b r m a n c e p e r f o r m a n c eo fl c h aa f t e rs u b s t i t u t i o nf o rn i c k e lw i t hm a l l g a n e s ed r o v e dt ob et h e b e s tu n d e rs u c hat e s tc o n d i t i o n a l s o ，m e c h a n i s m so fc o r r o s i v ei m p a c ta b r a s i o nf o r t h e s ei 。c h ad i f f e rf r o me a c bo t h e r k e yw o r d s ：c o r r o s i v ei m p a c ta b r a s i o n ，1 0 wc a f b o nh i g ha l l o ys t e e l ，a l l o y e l e m e n t ，c a r b o nc o n t e n t ，s u b s t i t u t i o nf o rn i c k e lw i t hm a n g a n e s e ， w e a rm e c h a n i s m 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图5 1 插图清单 合金元素对共析点的影响3 合会元素对共析温度的影响4 铬对o 5 碳钢c 曲线的影响5 合金元素对淬火钢中残余奥氏体数量的影响 ( 1 o c ，1 l5 0 淬火)6 合金元素对铁索体硬度和韧性的影响6 退火工艺曲线15 淬火温度对合金性能的影响15 淬火及回火工艺曲线1 6 1 # 试样退火态和淬火回火态金相组织2 0 2 # 试样退火态和淬火回火态金相组织2 1 3 # 试样退火态和淬火回火态金相组织2 l 3 # 试样退火态x r d 衍射图2 2 3 # 试样淬火回火态x r d 衍射图2 4 3 # 试样高温扩散退火金相组织3 0 0 ( 2 8 4 # 试样退火态和淬火回火态金相组织3 0 4 # 试样退火态x r d 衍射图3 1 4 # 退火态双相区可能的c 曲线3 3 0 2 5 c 加锰低碳高合金钢退火态衍射图3 5 o 2 5 c 加锰低碳高合金钢退火态金相6 0 0 ”3 5 锰含量对各类不锈钢点腐蚀电位的影响 ( 出自d e 卫e r b e c k 和w o l d ) 3 6 冲击腐蚀磨损试验装置3 9 三种含碳量的低碳高合金钢冲击腐蚀磨损失重曲线4 0 1 # 试样冲击腐蚀磨损s e m 形貌4 2 l # 试样表层硬度梯度4 3 1 # 试样磨面亚表层金相4 4 2 # 试样冲击腐蚀磨损s e m 形貌4 6 2 # 试样表层硬度梯度4 7 2 # 试样磨面亚表层金相4 8 3 # 试样冲击腐蚀磨损s e m 形貌4 9 3 # 试样表层硬度梯度5 0 3 # 试样磨面亚表层金相5 1 加锰与加镍的低碳高合金钢冲击腐蚀磨损失重曲线5 4 图5 2 4 # 试样冲击腐蚀磨损s e m 形貌 图5 34 # 试样表层硬度梯度” 图5 4 4 # 试样磨面亚表层金相 一 | ! 表1 1 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 ：5 表3 6 表3 7 表3 8 表3 9 表3 1 0 表3 1 l 表3 1 2 表3 13 表3 1 4 表3 15 表3 1 6 表4 1 表4 2 表5 1 表格清单 合金元素在抗磨钢中的作用7 低碳高合金钢的成分范围1 4 试验原料主要成分1 7 金属材料耐均匀腐蚀的十级标准1 9 不同含碳量的低碳高合金钢化学成分2 0 不同含碳量的低碳高合金钢力学性能2 0 3 # 试样组织显微硬度分布2 2 ( c r ，f e ) 7 c 3 的p d f 卡片2 3 奥氏体的p d f 卡片2 3 不同含碳量的低碳高合金钢均匀腐蚀结果2 4 马氏体晶面间距与含碳量的关系2 6 奥氏体晶面间距与含碳量的关系2 6 合余中各组成相的显微硬度值2 7 加锰及加镍低碳高合金钢化学成分2 9 加锰及加镍低碳高合金钢力学性能3 0 4 # 退火态组织显微硬度分布3 0 碳化物m n 2 3 c 6 的p d f 卡片3 1 加镍与加锰低碳高合金钢均匀腐蚀结果3 2 三种碳量的低碳高合金钢基本参数3 8 实验室常用矿物的硬度4 2 加锰与加镍的低碳高合金钢基本参数5 3 独创性声明 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。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得宣蟹工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字孰勃签字日期：d 以：- 年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒日b 互些太堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥 目b 王些友堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：甄牟0 i 签字日期：口占年7 月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 叮冶移 签字日期：争坷年7 月日 电话 自腑i 致谢 本文是在导师丁厚福教授的悉心指导和热情关怀下完成的，字里行间凝结 着j 一老师的心血与期盼。导师严谨的治学态度、渊博的学识、睿智的思维、豁 达乐观的生活态度以及艰苦朴素的高尚情操，无疑使每一位有幸接受其指导的 学生受益匪浅。三年来，丁老师不仅在学业上给予作者极大的指导和教诲，而 且在生活上给作者以无微不至的关怀和帮助；不仅传授科研治学的思路和方法， 更注重教导为人处世的道理和准则。更令作者感动的是，丁老师在身体状况欠 佳的情况下，依然时刻惦记着我们的学习与生活，即使严冬酷暑，也坚持放弃 休息的机会，始终陪伴我们解决一个又一个困难。值此论文付梓之际，谨向恩 师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢! 在本课题的试验阶段，材料科学与工程学院实验中心的郑玉春、张明秀、 程娟文、王学伦、何元祥、王强、熊振茵、张勤贤等老师给予了最大限度的支 持和帮助，作者在此表示衷心的感谢! 作者还要感谢杜晓东、李先芬和余瑾老师给予作者的关怀和帮助，其中杜 晓东老师在作者试验和论文最困难的时候及时排忧解难，在此特表谢意! 另外 师姐卢书媛、师兄崔方明的耐心指导，严小冲同学的大力协助，以及师弟王凯、 吴凯，师妹邢文静所作的大量工作，作者一并表示感谢! 作者最后要感谢家人在这三年时光中对自己学习、生活和工作上的支持、 关怀和鼓励。 本课题得到教育部重点项目( 0 1 1 0 4 ) 和安徽省自然科学基金( 0 0 0 4 6 4 0 1 ) 资助。 1 1 关于台金钢及合金元素 1 1 1 台金钢及其分类 第一章绪论 随着工业生产和科学技术的发展，剥钢的性能提出越来越高的要求，碳素 钢在机械性能、耐热、耐磨、不锈耐酸以及某些物理化学性能和工艺性能等南 面不能满足使用要求。为了满足使用上的需要，就必须在冶炼过程中特意在钢 中加入一定量的某一种或几种元素进行合金化。这种为了合金化目的而加入并 且其含量有一定范同的元素称为合金元素，这种钢称为合金钢。 不管加入的元素是具有舍金性质的铬、镍，还是具有非金属性质的硅、硼 等，也不管加入量是多达2 0 3 0 的铬、镍，还是只有1 2 的锰、硅，乃 至只有o0 0 5 的硼只要是作为提高钢的某些性能而特意加入的元素，都属 于合金元素。 目前钢中常加入的元素副有：硅、锰、铬、镰、钨、钼、钒、钛、铌、 锆、铝、钻、氯、硼、稀土元素等。不同国家常用的合金元素与各国的资源条 件有很大的关系。例如，钼、钨、钒、硅、锰、硼、稀土元素等是我国的富产 元素，因此，日前我国合金钢的生产已建立起符合我国资源条件的独立的合金 钢体系。 台金钢按用途分类，包括结构钢、工具钢和特殊用途钢三大类。结构钢主 要是普通碳索钢、普通低合金钢、低合金高强度钢、调质钢、弹簧钢等，工具 钢则主要用于制造各种刃具、模具和晕具，特殊用途钢具有不锈、耐热、耐磨 等一些特殊的物理和化学性能。根据合会元素总含量，通常以5 和1 0 为界， 将合金钢划分为低合金、中合金和高合金钢。根据杂志元素硫、磷的含量，也 可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。 1 1 2 合金元素及其在钢中的作用 1 1 2 1 合金元素在钢中的存在形式 合金元素在钢中的作用口j 与其在钢中的存在形式有直接关系。台会元素在 钢中的分布状况不仅与合金元索本身的特性、含量以及碳的含量有关，而且还 受热处理工艺条件的直接影响。 1 ) 溶入固溶体成为舍金奥氏体或合金铁素体是合金元素在钢甲存在的主 要形式之一。 2 ) 形成具有金属性的化合物。过渡族金属常与半径小的非金属元素形成碳 化物、氮化物和硼化物，合金元素之问或合金元素与铁之间也可形成各 化物、氮化物和硼化物，合金元索之间或合金元素与铁之间也可形成各 1 1 关于合金钢及合金元素 1 1 1 合金钢及其分类 第一章绪论 随着工业生产和科学技术的发展，对钢的性能提出越来越高的要求，碳素 钢在机械性能、耐热、耐磨、不锈耐酸以及某些物理化学性能和工艺性能等方 面不能满足使用要求。为了满足使用上的需要，就必须在冶炼过程中特意在钢 中加入一定量的某一种或几种元素进行合金化。这种为了合金化目的而加入并 且其含量有一定范围暗勺元素称为合金元素，这种钢称为合金钢。 不管加入的元素是具有合金性质的铬、镍，还是具有非金属性质的硅、硼 等，也不管加入量是多达2 0 3 0 的铬、镍，还是只有l 2 的锰、硅，乃 至只有o 0 0 5 的硼，只要是作为提高钢的某些性能而特意加入的元素，都属 于合金元素。 目前钢中常加入的元素【1 ，2 】有；硅、锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛、铌、 锆、铝、钴、氮、硼、稀土元素等。不同国家常用的合金元素与各国的资源条 件有很大的关系。例如，钼、钨、钒、硅、锰、硼、稀土元素等是我国的富产 元素，因此，目前我国合金钢的生产已建立起符合我国资源条件的独立的合金 钢体系。 合金钢按用途分类，包括结构钢、工具钢和特殊用途钢三大类。结构钢主 要是普通碳素钢、普通低合金钢、低合金高强度钢、调质钢、弹簧钢等，工具 钢则主要用于制造各种刃具、模具和量具，特殊用途钢具有不锈、耐热、耐磨 等一些特殊的物理和化学性能。根据合金元素总含量，通常以5 和1 0 为界， 将合金钢划分为低合金、中合金和高合金钢。根据杂志元素硫、磷的含量，也 可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。 1 1 2 合金元素及其在钢中的作用 1 1 2 1 合金元素在钢中的存在形式 合金元素在钢中的作用1 3 】与其在钢中的存在形式有直接关系。台金元素在 钢中的分布状况不仅与合金元素本身的特性、含量以及碳的含量有关，而且还 受热处理工艺条件的直接影响。 1 ) 溶入固溶体成为合金奥氏体或合金铁素体是合金元素在钢中存在的主 要形式之一。 2 ) 形成具有金属性的化合物。过渡族金属常与半径小的非金属元素形成碳 化物、氮化物和硼化物，合金元素之间或合金元素与铁之间也可形成各 种金属间化合物。碳化物也是合金元素存在的主要形式之一，根据形成 的倾向大小，可将合金元素划分为碳化物形成元素和非碳化物形成元 素，前者如钛、锟、锆、钒、铝、钨、铬和锰等，后者有镍、硅、铝、 钴、铜等。 3 ) 微量地存在于非金属夹杂物中，如氧化物、硫化物、硅酸盐等。这是因 为有些元素是在熔炼的最后阶段加入的，它们与钢液中残存的氧发生反 应，形成氧化物，但来不及进入渣中，结果以极微细质点的非金属夹杂 物存在于钢中。 4 ) 自由状态存在。个别元素如铅、铜和铍含量超过其溶解度时，将以自由 状态存在于钢中。 在平衡状态下，一般钢的基本相组成为铁素体和碳化物。非碳化物形成元 素基本上溶于铁素体中，它们在碳化物中的溶解度极微。碳化物形成元素随钢 中元素及碳含量的不同，其分布情况比较复杂【4 j ，一般可能出现如下情况： 1 ) 所有碳化物形成元素均应同时存在于铁素体和碳化物中。但最强的碳化 物形成元素( 如钛、锆) 溶入铁素体者甚微；而最弱的碳化物形成元素 锰，则将大部分溶入铁索体中。 2 】当钢中碳化物形成元素含量较少，而含碳量足够高时，则它们大部分处 于碳化物中，或形成合金渗碳体，或形成特殊碳化物。愈是强碳化物形 成元素愈容易形成特殊碳化物。 3 1 当钢中碳化物形成元素含量较高，而碳量不足时，则与碳亲和力强的元 素首先形成碳化物，其余量则溶入固溶体：而与碳亲和力较小的元素则 全部溶入固溶体中。 1 1 2 ，2 合金元素对铁碳相圈的影响 合金元素对铁碳相图的影响对于分析合金钢在热处理过程中的组织变化和 制订热处理工艺是很重要的。实际上合金钢系三元或多元合金，应该建立三元 或多元状态图作为研究合金钢中组织和相变的基础，但由于三元或多元相图较 为复杂，丽分柝f e f e 3 c 平衡圉的变化最为直观。因此遥常以铁碳相图为出发 点，分析合金元素对它的影响p 】，来粗略地了解合金元素的作用。 1 1 对奥氏体相区的影响：铁碳相图中的奥氏体相区即n j e s g 区，合金元 素加入以后。可使其扩大或缩小，锰与镍属于前者铬、钨、钒、钛、 硅等属于后者，碳扩大y 相区的作用是其他合金元素的几十倍以上。值 得注意的是，缩小奥氏体相区的合金元素当其含量超过某一临界值后， 可使奥氏体相区完全消失。铬的临界值约为1 9 ，除铬外，钨约为1 2 ：硅约为4 5 ；钛约为1 0 。 2 ) 对铁碳相图中s 点和e 点成分的影响：总的说来，凡能扩大y 相区的 元素随其含量的增加，均将使s 点及e 点向左下方移动( 如锰、镍等) ； 凡能缩小y 相区的合金元素随其含量的增加均将使s 点及e 点向左上 方移动。s 点是共析点，s 点左移，说明共析含碳量减少，例如，一般 碳素钢共析成分含碳量为0 8 ，如果钢中加入1 3 铬，共析点的含碳 量即移至o 3 ，这样一来，含碳为o 4 的4 c r l 3 不锈钢便属于过共析 钢了。图1 1 表示了常用合金元素溶入奥氏体后对钢的共析成分的影 响。从图中可以看出，所有的合金元素都降低共析含碳量。钼和钨稍有 差别，当含量低时，使共析含碳量降低，当达到一定量后，又使共析碳 量回升。 3 】对临界点的影响：合金元素对铁碳相图的另一重要影响就是改变铁碳相 图中临界点a 1 和a 3 的位置，因此合金钢的热处理温度不同于碳钢。 规律如下：凡扩大y 相区的合金元素如镍、锰、铜、氮等均将使铁碳 o _ 更 o o 蔷盒竞甓“ 图l 。1 合金元素对共析点的影响 相图中a l 和a 3 的温度下降，但钴使a 1 和a 3 升高是个例外：缩小y 相区的合金元素如钨、钼、硅、铝、铌、钒等，使铁碳相图中a 1 和a 3 的温度升高。铬稍有不同，含量低于7 5 时使铁碳相图中a 3 点温度 下降，含量高于7 5 时则使a 3 温度升高，但随铬量增加，a l 温度却 一直是升高的。合金元素对共析温度的影响如图卜2 所示。a 1 升高意 昧着加热时奥氏体化的温度提高了，这直接影响着合金钢热处理的温 度。 p 麓 骧 鞲 丰k t m j ，s i 7 么 q 珍 7 7 彳彩 j - _ 一 一 f 绉 二，一 0 t、 丧 、 、 、j、： n i k 、 、 畚叠j 己鬃，“ 图1 2 合金元素对共析温度的影响 1 1 2 3 合金元素对钢的热处理组织转变的影响 合金钢在加热时的奥氏体化进程基本上与碳钢具有相同的规律，即包括奥 氏体的形成、残余碳化物的溶解、奥氏体成分的均匀化以及奥氏体晶粒长大等 阶段。但是由于合金元素的作用，对上述各个阶段都产生影响，使合金钢在奥 氏体化过程中表现出一些特点【6 j 。首先，合金元素通过改变碳在奥氏体中的扩 散速度来影响奥氏体形核与长大，如非碳化物形成元素镍和钴能增大碳在奥氏 体中的扩散系数，因而增大奥氏体的形成速度；而硅、铝或锰对其影响不大； 至于铬、铝、钨、钒等强碳化物形成元素，由于它们强烈降低碳在奥氏体中的 扩散速度，所以大大地降低了奥氏体的形成速度。其次，合金元素对碳化物向 奥氏体中溶解也有影响，一般说来，非碳化物形成元素促进碳化物分解，加速 溶解，而碳化物形成元素增大碳化物稳定性，减慢了溶解速度，且不同碳化物 的稳定性不同。再次，合金元素原予的不均匀分布，其在奥氏体中极小的扩散 系数，也会使合金钢奥氏体均匀化过程比碳钢慢得多，因此，合金钢与碳钢相 比，其奥氏体化所需的加热温度要高，保温时间要长。最后，合金元素对奥氏 体晶粒长大也有影响，如锰会促进晶粒长大，钒、铬等强烈阻碍长大，对此的 解释先后出现过机械障碍论、内吸附理论和晶界铁原子自扩散理论。 合金元素对过冷奥氏体转变机构和动力学有着显著的影响，集中体现在c 曲线的变化上。碳钢的珠光体转变和贝氏体转变温度范围极为接近，故等温转 变图上只出现一个c 曲线，合金钢却不同，由于合金元素溶入奥氏体后，对珠 光体和贝氏体转变机构和动力学产生影响，从而改变了c 曲线的位置和形状， 如中、强碳化物形成元素铬、钨等使c 曲线右移，并分出两个鼻温区，同时使 m s 点下降，其中铬的贝氏体转变鼻子更加偏右( 图1 3 ) ；非( 或弱) 碳化物 形成元素( 除钴外) ，如镍、锰，只使c 曲线右移，且基本上不改变c 曲线的 形状。如此大的差别主要是由于合金元素对钢中过冷奥氏体转变过程中各个阶 段的动力学有不同的影响。 0 5 “ 2 “ r 一 kk lf 廿 l| h 刁 岫 哥圣滞，摹 醒阍a蜘封a 图1 。3 铬对0 5 碳钢c 曲线的影响 除钴和铝外的所有的合金元素都对珠光体转变和贝氏体转变有不同程度的 推迟作用，即降低钢的临界冷却速度，提高了淬透性，且多元合金化的作用远 大于单一元素的作用，这也是提倡多组元少含量的原因。对贝氏体转变这样的 半扩散型转变来说，合金元素主要通过对碳原子扩散速度以及y 向n 相转变速 度的影响而起作用，作用最强烈的是锰和铬1 7j 。碳的影响比较特殊，共析碳量 的钢相对最稳定，高于或低于这一含量时，均有加速转变的趋势。合金元素对 马氏体转变的影响主要体现在影响m s 点，除钴和铝外，都会降低m s 点，以碳 的作用最为强烈。应当指出，合金元素对m s 点的影响与碳含量有关，含碳越 高，则合金元素降低m s 点作用越显著。凡使m s 点降低的元素均使淬火钢中的 残余奥氏体增加，降低m s 点越多的，残余奥氏体也越多，图1 - 4 说明了这一 点。一般认为，板条马氏体大都在2 0 0 以上形成，片状马氏体在2 0 0 以下形 成，因此合金元素在降低m s 点的同时也促进片状马氏体的形成。对于马氏体 的回火过程来说，合金元素主要提高回火稳定性，即相同回火温度下，其硬度 将高于碳素钢，这是由于合金元素通常阻碍碳原子扩散，抑制马氏体分解，析 出特殊碳化物而产生二次硬化，并且稳定残余奥氏体而产生二次淬火效应。不 过合金钢通常会产生一定的回火脆性，第一类回火脆性目前没有有效方法消除， 钼是降低第二类回火脆性最好的元素。 1 1 2 4 合金元素对钢的性能的影响 钢的性能取决于钢中各组成相的性质和钢的组织状态。合金元素能改变钢 中各组成相的性质，又可通过热处理改变钢的组织状态，从而可以改变钢的性 能【“】。从微观机制来看，金属的塑性流动，主要是通过位错运动来实现的。 合金元素加入钢中，改变各组成相的性质和组织状态实质上就是通过这一途径 的强化。 鬟 i 啦 蛙 1 区 球 墙 傣 b 卜：莎 礴j c (：r 夕 ， ? 。， l m o， - - - dc u l 奢 s i j v 1 1 c di l 台金元素 图1 4 合金元素对淬火钢中残余奥氏体数量的影响( 1 0 c ，1 1 5 0 淬火) 固溶于铁素体中的合金元素均能在不同程度上提高钢的屈服强度、抗拉强 度及硬度，其中多种合金元素在提高强度的同时使塑性降低，因此对钢的冲击 韧度也带来不同影响，常见合金元素对钢的硬度和韧性的影响见图1 5 。由图 可知，p 、s i 、m n 强烈提高铁素体硬度而c r 、w 、v 、m o 则较弱，s i 和m n 。f t 川j i 3 5 0 一氏 l l m 盈删 f i i，一 彭弋x 、 n ； l 南 ， ， 一 一 ， v “ 2 5 0 l 。l ly j z 对 s 2 帖 娑f l ?l 一。汉 一一一 露 ， 扣 东fi 5 0 离 c r 7，0 77 矽鼻够一 _ l u弘咎髟一丁 np l m 夺 绻移f ll 卯 ，r l u忒 w = 台盘元素，i 台惫元量，鳍 圈1 s 合金元素对铁素体硬度和韧性的影响 某些合金元素的碳化物或氮化物能在钢液凝固过程中成为非均质晶核，促 进晶粒细化，使钢的强韧度提高。凡是能细化晶粒，细化组织的合金元素都能 使钢的冲击吸收功提高，使钢临界韧性一脆性转变温度( d b t t ) 降低，使低 温韧性提高。m n 、n i 虽对晶粒度影响不大，甚至有粗化现象，但m n 、n i 的加 6 入，使珠光体组织细化，使低温韧性提高。 作为抗磨用途的钢需要高的硬度和一定的韧性储备，以抵抗磨损，有代表 性的是马氏体抗磨钢和高锰钢，合金元素在这两种钢中起到相当大的作用，具 体见表1 1 。 表1 1 台金元素在抗磨钢中的作用 元素马氏体抗磨钢高锰钢 降低临界冷却速度，促进马氏体形成， 1 促使钢形成高韧性的奥氏体 m n 2 与碳配合，使钢具有加工硬化能力， w ( m n ) 1 3 1 8 提高抗磨性，w ( m n ) 1 0 14 促使马氏体形成，提高钢的屈服强度， 脱氧剂，超过0 5 时促使碳化物粗 s i 化降低耐磨性，控制量为o _ 3 0 _ 8 w ( s i ) 0 7 1 o 增加淬透性，促进马氏体形成，提高屈服强度，防止变形，提高耐磨 c r w ( c r ) 0 5 1 0 性 增加淬透性促进马氏体形成，减少碳化物，促进碳化物弥散析出， m o w ( m o ) 0 2 5 o 7 5 改善抗磨性 增加淬透性，促进韧性马氏体形成，用于大断面零件，阻止碳化物析出， n i w ( n i ) 1 4 1 7 易获得单相奥氏体组织 基本元素，促使马氏体钢硬度增加，降与m n 配合( m n ，c 一8 1 1 ) ， c 低钢的韧性，w ( c ) o 3 o 6 促使加工硬化，提高抗磨性 1 2 关于耐磨铸钢 应用于磨料磨损工况条件下的特种钢铁材料称为钢铁抗磨材料或耐磨材 料。磨料磨损是指由于硬颗粒或硬突起使得材料产生迁移而造成的一种磨损 【“j 。在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占5 0 左右【1 2 】。在 我国经济建设中，冶金、矿山、建材、电力，每年用于破碎、制粉的抗磨材料 消耗是非常巨大的，以球磨机用衬板为例，每年消耗2 0 多万吨：欧洲国家每年 消耗2 0 亿美元；美国高达6 0 亿美元【”】。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济 损失，研究磨损和不断发展抗磨材料是一项永远热点的课题。 金属抗磨材料从普通白口铸铁、高锰钢到镍硬铸铁、铬系白口铸铁、贝氏 体耐磨铸铁、耐磨铸钢以及金属基表面复合材料、硬质合金，获得了长足的发 展。但目前应用最多、消耗最大的仍是以耐磨铸铁和耐磨铸钢为主。本文研究 的对象就是耐磨铸钢中的一种，因此下面就耐磨铸钢的情况作一介绍。 耐磨铸钢是广泛用于各种磨损工况的一类合金钢，1 0 0 余年来新的耐磨铸 钢钢种层出不穷，其冶炼、铸造、热处理和机加工工艺不断改进，耐磨铸钢的 综合力学性能、耐磨性能和使用寿命逐步提高，其应用领域日渐扩大。作为现 代合金钢的奠基人，英国人h a d f i e l d 也开创了耐磨铸钢的历史，他于1 8 8 2 年 研制出第一种真正的现代耐磨铸钢一一高锰钢，以后伴随着合金结构钢的发展， 一系列中低合金耐磨钢也陆续诞生，直到今天仍广为使用。近年来用于特殊磨 损工况的耐磨钢逐渐引起人们的注意，如高温氧化磨损工况下使用的耐热耐磨 钢，湿态腐蚀磨损工况下使用的耐蚀耐磨钢等，其研制和工业应用已取得了一 些成效，但相对奥氏体锰钢和中低合金耐磨铜而言还有待深入的试验研究和进 一步推广使用。 1 2 1 高锰钢 高锰钢1 8 8 2 年由美国人哈德菲尔德发明，这种钢的铸态组织为奥氏体加碳 化物，水韧处理后，可以获得单相奥氏体组织，它具有较高的耐冲击性能和加 工硬化能力，其在强烈冲击加工硬化后表面硬度可由h b 2 0 0 左右上升到h b 5 0 0 ， 这一特性使其广泛应用于矿山、建材、冶金、能源、铁路等机械中的耐磨件【1 1 ，1 4 1 。 近年来，由于许多用户对高锰钢的认识不清，认为其是“万能耐磨材料” 滥用高锰钢，高锰钢其含有韧化相奥氏体及其加工硬化的特点，决定其应用于 伴有强烈冲击载荷的凿削磨损的工况下，否则就无法发挥高锰钢潜在的抗磨能 力而表现得非常不耐磨。例如：小型锤头及球磨机尤其是小直径球磨机的衬板， 在使用中所受冲击力小，因而高锰钢硬化不够【1 5 ，拍l 。高锰钢的另一缺点是屈服 强度低( 3 5 0 m p a 左右) 。在使用过程中极易产生塑性变形，使得诸如球磨机衬 板这样的工件在运转过程中尺寸变大，产生流变，挠曲变形，拉断螺拴，产生 跨仓及隔仓板上的槽孔变小，影响磨矿效率。因此，美国、日本等国已不用高 锰钢做球磨上的衬板【”】。 国内外针对高锰钢上述缺点，也做了许多工作，国外在七十年代就有加入 合金元素m o 、c r 的高锰钢及铸态高锰钢i 1 7 j 。国内对高锰钢的合金化研究较多， 一般加入c r 、m o 、t i 、n b 、v 等对高锰钢进行第二相强化，以提高其后os ， 但都有局限性。另外，对高锰钢的改性进行了研究，发展了中低锰钢，以在中、 低冲击工况下提高耐磨性，但常出现韧性较低，安全性不好等问题。近年来， 国内外有一种发展更高含锰量的超高锰钢的倾向，锰可达18 2 5 ，结果表明 能提高高锰钢的加工硬化能力【1 8 以”。 高锰钢生产中水韧处理，需要将铸件加热至1 1 0 0 左右保温，这是一道耗 能的工艺，且铸件处理不好易开裂，近年来，多篇论文及生产小厂对高锰钢进 行余热淬火，但余热淬火能否完全消除，或部分消除碳化物呢? 文献2 2 】认为高 锰钢中界上的粗大碳化物是液固转变时生成的，因此余热淬火时不可消除碳化 物。 1 2 。2 贝氏体基体型耐磨钢 贝氏体基体型钢和贝氏体基体型铸铁类似，其基体组织为贝氏体+ 奥氏体 或贝氏体，硬度高韧性好，综合力学性能优良，是目前材料研究领域的研究热 点，近几年来国内外对贝氏体钢从组织、性能、工艺、相变机理方面进行了研 究，从而推动了贝氏体钢的应用。目前贝氏体钢在耐磨件上的应用也日见增多， 但整体处于研究试应用阶段。 贝氏体钢根据其获得贝氏体的方式，可分为等温淬火贝氏体钢和空冷贝氏 体钢。作为耐磨材料使用等温淬火贝氏体钢的化学成分：特点是c 在中碳、中 高碳范围0 5 1 2 ，s i 的含量在2 0 2 6 ，0 5 的m o ，适量的m n 、n i ，专 利u s l 4 2 3 2 6 ，j p 7 9 4 3 6 ，o 色2 8 1 7 6 2 8 ，j p 7 0 5 2 8 3 2 都是这一类钢。其组织形成的 机理与等温淬火奥氏体贝氏体球墨铸铁相似，即先将奥氏体急冷至中温区等 温获得一定量的贝氏体后再淬火到m s 点以下的温度以完成马氏体转变。关于 等温淬火获得贝氏体钢国内外进行了不少研究，文献【2 3 t 。7 】等着重分析了贝氏体 复相组织的性能及热处理工艺参数对贝氏体的组织形态、数量、性能的影响， 认为等温贝氏体马氏体复相组织具有良好的韧性配合，其韧性优于同强度的回 火马氏体单相组织的韧性，可以通过调节热处理工艺参数如等温温度来调节贝 氏体马氏体间相对量，以调节钢的强韧性匹配，是一种优异的抗磨料磨损的耐 磨钢。但由于等温工艺复杂，能耗大，使得等温贝氏体马氏体复相组织在工程 的推广应用受到限制。 通过空冷而获得贝氏体的钢简称为空冷贝氏体钢，从二十世纪五十年代至 九十年代，国际上贝氏体钢的发展主要集中在低碳范围，而合金化途径主要是 m o 系或m o b 系为基础。1 9 4 9 年英国的b a r d 斟e r t 和r e e v e 首先研究了低碳 的m o b 系贝氏体钢【2 ”，五十年代英国i r v i n e 和p i c k e r i n g 【2 9 j 提出并发展了实 用而著名的低碳l 2 m o b 系贝氏钢，此钢在相变动力学上一个重要特征是它 的等温转变曲线带有海湾式的平台，这就使它在空冷条件下的很大冷速范围内 都可能发生贝氏体相变。作为耐磨钢应用的中碳及中高碳贝氏体钢起初仍以 m o 系及m o b 系为基础，国内此方面的研究较多，硒北工业大学康沫狂等成 功研制出s i m n m o 系中碳贝氏体耐磨钢【3 0 ，3 i 】，其贝氏体为贝氏体铁素体， 称其为准贝氏体钢，具有良好的强韧性和高的耐磨性，应用取得了良好的效果。 上海交通大学的司鹏程、山东工业大学李风照等研制出多元微合金化冷贝氏体 钢【3 2 ，”】。上述钢种加入少量的m o 和微量的b ，使铁素体“c ”曲线右移，而 对贝氏体“c ”曲线影响较小，从而空冷获得贝氏体。在这一类钢中m o 、b 成 为必不可少的元素，m o 原料价格昂贵，另m o 降低b s 点的作用小，为此需要 进一步加入c r 、m n 、n i 等元素复合化，从而更提高了钢的价格，极大地限制 了此类贝钢的应用。 在空冷贝氏体耐磨钢中，另一类合金系就是m o b 系贝钢。7 0 年代研究 发现，m n 在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的河湾， 使钢的上下c 曲线分离，m n 与b 相结合，使高温转变孕育期明显长于中温转 变。清华大学方鸿生等人成功地用普通合金化元素，发明出m n b 系空冷贝氏 体镪 3 4 ，”】。m n 的原料价格为m o 的l 3 0 l 2 5 ，在推广应用中显示突出优势， 发展迅速，成为贝氏体钢发展的重要拓展方向，目前此系列钢共有10 个钢种， 应用于磨球、衬板、齿板、锤头、截齿、耐磨管道上。但m n b 系列空冷贝氏 体钢，仍然存在截面尺寸较大的部件在空冷条件下很难获得均一的下贝氏体 马氏体复合组织，其中m n 含量大于2 时易产生偏析，马氏体量过多使韧性降 低，另外含微量b 的钢在熔炼时难以使b 固溶于奥氏体中，b 极易与钢中n 、 o 、 c 形成化合物，b 在熔炼中没有得到很好控制。 近年来一些研究者采用s i 、m n 、c r 、v 、n b 等合金采用多元微量合金化， 在铸态下获得抗磨铸件如文献6 j 采用高硅高锰，辅以一定的c r 、m o 及微 量元素v 、t i 、b 在铸态下得到奥氏体一下贝氏体耐磨铸钢，文献 37 j 采用m o n b 合