微量Nb对低碳合金耐磨铸钢的力学及摩擦磨损性能的影响

1、作者：白云 1985年11月生，男 ，工程师，硕士研究生，主要从事铸钢、铸铝材料工艺开发工作微量Nb对低碳合金耐磨铸钢的力学及摩擦磨损性能的影响白云，孙亚肖，李富强，赵延阔常州 中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 213000摘 要：本文研究了Nb对低碳合金铸钢的性能的影响，并研究了Nb微合金化低碳合金钢的滑动磨损机理。当Nb含量达到0.06%左右时，材料抗拉强度达到1545Mpa，能够得到良好的力学和耐磨性能的配合。在25-50kgf载荷作用下,主要是磨粒磨损。在把载荷增加到80 kgf 作用的条件下,表现为粘着磨损。关键词：低碳合金钢，力学性能，摩擦磨损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.概述随着工程机械的不断发展，人们对耐磨铸钢的强度、韧性及耐磨性能的要求越来越高1。低碳合金耐铸钢的合金含量较低，且淬透性好，便于进行热处理，经淬火+低温回火处理后，能够形成低碳马氏体组织，硬度和强度比较高，综合力学性能和耐磨性能较好，应用范围相对广范2。Nb作为

5、一种强碳化物形成元素,在再结晶过程中,因NbC对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用,从而大大增加了再结晶的时间。在高于临界温度时,Nb元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制,而在低于临界温度时,则表现为析出钉扎机制。Nb在钢中提高奥氏体的再结晶温度,从而达到细化奥氏体晶粒的目的3。因此，微量的Nb可使钢得到较好的综合性能。本工作主要研究微量合金元素Nb（0.1%）对低碳合金铸钢的性能的影响，并研究了Nb微合金化低碳合金钢的滑动磨损机理。2.试验方法试验采用工业中频感应电炉熔炼，浇注成25Kg钢锭，成分表如表1所示。使用箱式电阻炉进行经过水淬和回火处理。拉伸试验在WI-25型油压万能材料试验

6、机上进行，拉伸试棒直径为12.5mm，标距为50mm；冲击试验在JB-30B型冲击试验机上进行，采用U型缺口试样；材料的滑动耐磨性能在金属磨耗试验机上进行：转动速度185转/分钟，滑动速度0.387米/秒，接触载荷为25、50、65、80 kgf，干磨，试样对磨5104周次后，用称重法称重每对试样的磨损量。磨损形貌的观测实验在S-3700 N型扫描电子显微镜上进行。表1实际化学成分表编号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 该材料经过水淬和回火处理。力学性能如表6所示。3.Nb元素对性能的影响表2 Nb元素对力学性能的影响编号抗拉强度Rm（MPa）规定塑性延伸强度Rp0.2(MPa)断后伸长率A（%）硬度HRC11420108054221446119054331467101044341535104984551485972646图1 Nb含量对强度的影响 从图1可以看出

8、，随着Nb元素含量的不断增加，材料的抗拉强度和硬度明显升高，达到1535MPa，硬度达到46HRC。表3是耐磨钢在滑动磨损条件下的失重量情况。表3材料成分对摩擦结果的影响材料磨损量耐磨系数无添加0.48 2.08Nb-10.27 3.70Nb-20.17 5.77Nb-30.16 6.41Nb-40.16 6.25图2.Nb含量对磨损量的影响 图3 .Nb含量对耐磨度的影响如图23所示当材料中Nb含量增加时，材料的耐磨性也出现了上升趋势，但是在Nb含量达到0.06%以后，耐磨性能趋于平稳，与材料的硬度变化趋势一致。这是因为Nb含量的增加促使碳化物随之增加，在热处理过程中作为奥氏体转变时新相的核

9、心，抑制晶粒的的长大，不仅提高了硬度，还有效改善了材料的冲击韧性，增强了抵抗磨粒磨损的能力4。4.不同载荷下的滑动磨损机理研究图4不同载荷对磨损量的影响图4是4#试验材料在固定磨损转速50 m/ s 下, 分别经25、50、65、80 kgf 不同载荷条件下的的摩损量曲线。从图中可知随着载荷增加，磨损量迅速增加。 从25 kgf 载荷下0. 07 g 的磨损量到80 kgf 载荷下0. 73 g的磨损量。 图5-1 25kgf载荷磨损形貌 图5-2 50kgf载荷磨损形貌 图5-3 65kgf载荷磨损形貌 图5-4 80kgf载荷磨损形貌图5 不同载荷下的磨损形貌图5是试验钢在固定磨损转速50

10、 m/ s 条件下, 分别经25、50、65、80 kgf载荷下磨损5104周次后的摩擦磨损表面的电子扫描照片。由图5-1 可以看出, 在25-50kgf载荷作用下, 磨损表面有沟槽, 也有少部分塑性变形,表层相对光滑, 磨损机理主要是磨粒磨损。随着加载载荷的不断增大, 在65 kgf 载荷作用下, 磨损表面出现了明显沟槽，塑形变形面积增大, 其磨损量也较大。在把载荷增加到80 kgf 作用的条件下, 磨损表面出现大面积的塑性变形，随着摩擦热的不断增加, 导致磨损表面温度上升, 磨损形貌上有大颗粒的剥落物粘着在磨损表面上, 表现为粘着现象, 其磨损量出现了快速上升, 其耐磨性能明显降低。在干摩

11、擦条件下，材料的磨损主要分为三个阶段: 1. 合金表面发生相互作用;2.在摩擦力作用下接触区表面材料性能发生变化; 3.表面层的破坏和磨屑的脱落。滑动磨损使表面微凸体发生剧烈破坏、压碎和塑性变形，产生脱落的金属微细颗粒; 同时剧烈的变化产生大量摩擦热，摩擦热在试样表面与摩擦副之间聚集，温度升高，试样氧化，形成一层致密的氧化膜，氧化膜因较高的加载而破裂，转而产生大量微细氧化物颗粒，氧化颗粒主要是FeO、Fe2O3和Fe3O4，具有较高的硬度; 金属微细颗粒与氧化硬质颗粒在摩擦副与试样之间沿摩擦副滚动方向滑动，刮擦试样，在试样表面形成匀细磨痕，加速试样磨损5。加载越大，磨损初期越剧烈。随着磨损试验进行，滑动距离增加，温度增加，试样表面微凸体软化而发生塑性变形与摩擦副粘着，粘着磨损发生; 氧化颗粒嵌入发生塑性变形的金属表面形成细小的擦伤和划痕，磨损进一步加剧。加载越大，试样温度越高，氧化磨损越剧烈。5.结论（1）Nb含量达到0.6%时，抗拉强度可以达到1545Mpa，硬度达到HRC46，磨损系数达到6.41，达到良好的综合使用性能。（2）低碳合金铸钢在25-50kgf载荷作用下,磨损机理主要是磨粒磨损。在载荷增加到80 kgf 作用的条件下,表现为粘着磨损。参考文献：1何俊.近