耐磨钢磨损机理及种类简介

2017-04-12 09:18:44 作者：本网整理来源：掌工知分享至：

    摩擦磨损是机械零件的主要失效形式之一，每年机械零件因磨损所造成的经济损失占国民生产总值得4%。在机械零件的摩擦磨损中，所处的工况不同，零件的磨损机理也不一样。磨损类型一般有磨粒磨损、黏着磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损等。耐磨钢目前还没有系统的牌号标准，不过根据不同的应用工况，发展了一系列的耐磨材料，如奥氏体耐磨钢、贝氏体耐磨钢、马氏体耐磨钢、多相钢、耐磨铸铁等。本文简要介绍耐磨机理、耐磨钢种类；并对球状共晶奥贝氏体多相钢耐冲击磨粒磨损性能进行主要介绍。

    1、引言

    耐磨钢是广泛应用的一类钢种，100年多来，各类耐磨钢层出不穷，在冶炼、热处理工艺、化学成分以及机加工工艺等方面不断进行改进，耐磨钢的性能不断提高，使用寿命得到了极大的提升。最近这二十到三十年间，国外把摩擦、润滑还有磨损，构成了一门独立的学科叫做摩擦学。但从材料学科特别是从材料的工程应用上来看，在研究的过程中人们更加重视材料的磨损。根据非完全的统计数据我们可以知道，世界能源的1/3-1/2消耗于摩擦，并且机械零件在工作的过程中失效的主要原因也是因为磨损。

    根据不同的工况和磨损机理，开发出了不同的耐磨钢。例如在矿山、冶金、基础建设等存在较大冲击磨粒磨损的条件下，历史悠久的高锰钢得到了很好的应用，主要因为其在外力的作用下奥氏体发生诱发马氏体相变，发生加工硬化，从而保护基体，达到耐磨的效果；在低冲击作用下，基体的硬度是决定耐磨性的主要原因，因此出现了低合金马氏体耐磨钢，此类钢在淬火加低温回火后得到具有高密度位错的板条马氏体，在低冲击的作用下能够有效的阻止裂纹的萌生，达到抗磨损的效果，此外马氏体组织具有高的硬度，耐磨性能良好；除了上述两种钢，还开发出了贝氏体钢、准贝氏体钢、以贝氏体为基体的多相钢，贝氏体组织具有良好的强韧性，硬度较马氏体有一定的下降，不过韧性更好，能够在中等冲击力的作用下良好的工作。

    2、工况简介

    摩擦发生在大多数情况下，工件相互接触，并发生相对运动或者具有相互运动趋势，就会存在摩擦的情况。除了摩擦存在，大多数时候在接触面的相对运动过程中，表面材料不断损失转移，发生磨损现象，造成工件的失效。绝大部分的磨损是有害的，不仅浪费材料浪费能源，还直接影响机器的寿命和准确性。不过有的时候，磨损是有益的，比如说研磨，使得表面粗糙度降低，使刀刃变得锋利。

    在金属材料的使用过程中，根据工作环境的不同，发生摩擦磨损的严重程度也不一样。在有润滑剂发生湿摩擦的情况下，工件表面的摩擦磨损状况会降低，如大多数齿轮在工作过程中都会使用润滑油；在没有润滑的条件下，工件相互之间发生干摩擦，表面的因此造成的失效会加速，此类摩擦是禁止的；在具有磨粒的环境中，不仅工件接触面会发生摩擦磨损，磨粒的存在会加速摩擦磨损，例如在润滑的过程中，尘土或者磨屑进入润滑油中，就会加速表面的失效，造成例如犁沟、剥落等现象；在有磨粒有冲击的情况下，摩擦磨损会更严重，比如说矿山、运输等环境下，除了存在磨粒以外，还存在很大的冲击力，磨粒破碎嵌入工件表面，加速了失效；除此之外，有的工件是在具有腐蚀的条件下工作的，除了要求具有耐磨性以外，还要求具有耐腐蚀性，不然腐蚀会加速磨损，磨损又促进腐蚀，这样循环导致工件的失效。

    3、磨损模型

    金属材料的摩擦磨损发生在很多工况下，摩擦副的材料不同、工况条件不同，对应的磨损机理也就不同。众所周知的磨损机理又黏着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损、冲击磨损等。[4]对于金属工件来说，往往几种磨损会同时发生，单一磨损的情况较少。

    3.1黏着磨损

    黏着磨损是指在工件与工件的接触面产生相对滑动，由于固相焊合的作用产生黏着点，改点在剪切力的作用下，脱离材料基体，从一个面转移到另外一个面，从而导致工件的磨损。最常见的是基体上较软的组织，在摩擦过程中，粘附在其他工件上，从基体上剥落，产生剥落坑。黏着磨损的机理如图1所示。

    3.2磨料磨损

    磨料磨损是指外界的硬颗粒在磨擦磨损的过程中使得工件表面材料脱落的现象。还有一种情况就是对磨工件表面有硬的凸起的颗粒，在摩擦磨损的过程中，同样可以起到磨料的作用，致使表面剥落。磨料磨损又可以分为两体和三体磨料磨损，两体磨损是指磨料沿一个工件表面运动，通常磨料与表面的接触应力较低，固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹；三体磨损是指外界磨粒在两个磨面之间移动，和研磨的作用差不多。通常三体磨损中磨粒与接触表面会产生极大的应力，从而使得表面发生变形或者疲劳，脆性表面会产生脆裂或者剥落。挖掘机铲齿、球磨机衬板是典型的磨料磨损。

    3.3腐蚀及疲劳磨损

    腐蚀磨损是指工件在工作中与所处的环境介质发生化学反应或者发生电化学反应形成腐蚀产物，比如铁表面与空气中的氧气反应生成铁的氧化物，这些氧化物与表面的结合力较弱，容易从工件表面脱落引起磨损。腐蚀磨损中较为常见的是氧化磨损，此外在特殊的工作环境中，工件会因特殊的腐蚀气氛而产生特殊介质腐蚀。

    疲劳磨损较常出现在滚动或者滚动兼滑动的摩擦表面，工件在交变应力的作用下，使得表面较软区域产生塑性变形，当应力超过材料的拉伸强度，就会在薄弱的地方产生裂纹，裂纹在应力的作用下会不断扩展，裂纹长度达到一定值后就会引起断裂，造成点蚀剥落的现象，大致流程如图2所示。

    除了以上几种磨损以外，还有冲蚀磨损、微动磨损和冲击磨损。冲蚀磨损是指流体或者包含有微颗粒的流体以一定的速度和角度对材料表面冲击所造成的磨损，较为常见的是在铸造过程中，熔融金属液对磨具表面的冲蚀磨损；微动磨损是指两个相互接触的承载工件，其接触表面虽然没有宏观的相对位移，但却能产生在外部变动载荷和振动下产生微小的滑动，接触表面会在这种微小的滑动过程中产生磨损。冲击磨损多指磨粒以高的速度撞击表面，对工件表面产生磨损，在这种情况下，工件表面不仅会产生剪切应力，还会产生压应力，在多重应力的作用下，加速了表面的磨损。

    4、耐磨钢种类

    耐磨钢经过不断的发展，耐磨钢的种类日趋增加，应用的范围也越来越广泛。例如许振明等人研发出球状共晶奥贝氏体耐磨钢，在中低冲击作用下具有很好的耐磨性；康沫狂教授提出了准贝氏体的概念，国内外许多学者在此基础上对其性能进行了大量的研究，并发展成了准贝氏体耐磨钢。下面简要介绍国内外出现的一些耐磨钢种。

    4.1高锰铸钢

    高锰钢作为耐磨钢的运用历史悠久，其主要运用在具有较大冲击力作用的环境下，奥氏体基体在冲击力的作用下发生加工硬化，产生应力诱变马氏体，从而达到耐磨的效果。目前使用的高锰钢化学成分大致为：C：0.9—1.5%、Mn：10—15%、Si:0.3—1.0%、S:≤0.05%、P：≤0.10%。高锰钢加工非常困难，通常是通过铸造成工件来使用。Mn是奥氏体化元素，扩大奥氏体区，经过水韧处理使得此类钢在常温下得到单一奥氏体组织。由于传统高锰钢只适用于存在高冲击的工况下，而且其表层硬化层容易破碎，频繁更换增加了经济成本，因此在传统高锰钢的基础上发展了一系列耐磨钢。在高锰钢中加入稀土元素以及强碳化物形成元素，细化了奥氏体晶粒，并且使碳化物弥散分布，提高了其耐磨性；在一定的范围内，提高碳含量，从而提高基体硬度，提高其耐磨性；降低锰含量，降低过冷奥氏体的稳定性，提高Ms点，促进奥氏体的加工硬化，从而提高耐磨性；提高锰含量，同时加入一定量的合金元素，提高奥氏体组织的韧性，增强其拉伸强度，在冲击磨粒磨损的过程中，裂纹扩展困难，剥落过程减缓，从而提高耐磨性。

    4.2贝氏体、马氏体耐磨钢

    众所周知，下贝氏体组织具有高的强韧性和良好的耐磨性，在此基础上发展出来的贝氏体耐磨钢被广泛应用。在贝氏体钢中，较早出现的是低碳贝氏体钢，而后出现了中高碳贝氏体，其碳含量为0.45%-0.65%,直接空冷得到，工艺简单成本低，并且具有良好的耐磨性；除此之外，还有贝氏体球磨铸铁，其碳含量为3.5-3.9%，王振国等人研究得出在空冷条件下得到的高碳贝氏体球磨铸铁制作的磨球与中锰球铁与高铬铸铁所制作的磨球性能更好。在贝氏体钢的基础上，陆续又有一些新的钢种被研发出来，比如康沫狂教授经过多年的研究，研发出了准贝氏体钢，其组织是贝氏体、铁素体以及残余奥氏体，准贝氏体钢具有良好的耐磨性以及焊接性能；许振明等人研究的ABEN钢，即球状共晶奥贝氏体钢，这个钢在冲击磨粒磨损的条件下表现出良好的耐磨性能；马氏体具有高的硬度，在低冲击作用下具有好的耐磨性，贝氏体马氏体双相钢弥补了单一马氏体钢韧性较差的缺点同时又提高了贝氏体钢的硬度，增强了耐磨性；贝氏体、马氏体、残余奥氏体三相复合钢较传统高锰钢在高冲击的作用下性能更加优异，贝氏体结合马氏体的基体具有良好的强韧性，在冲击力的作用下，残余奥氏体向马氏体转变，吸收能量，提高耐磨性；除此之外还有奥氏体贝氏体双相耐磨钢等。

    除了以上提到的两大类耐磨钢，还有马氏体耐磨钢。马氏体是在奥氏体急速冷却的过程中得到的过饱和α-Fe组织，马氏体中含有的高密度位错以及细小的晶粒度，都决定了其具有良好的耐磨性。马氏体耐磨钢常见的组织是回火马氏体，其硬度很高，抗切削耐磨性能好，在马氏体范围内，其硬度值与其耐磨性成正比关系，在低冲击力的环境下能够较好服役，不过在高冲击力的环境下，其性能逊与奥氏体组织，主要是由于其韧性不足，容易开裂，在此中工况下，一般不会单独使用马氏体组织。在马氏体耐磨钢的研究中，国外学者提出了一种Q-P-T热处理工艺，通过在Ms和Mf之间进行等温处理，形成马氏体加富碳奥氏体组织，提高了耐磨性。王佳等人通过对比得出结论，经Q-P-T热处理的20Si2Ni3钢在保持高硬度的同时，具有良好的韧性，在耐冲击磨粒磨损方面的性能有所提升。

    目前来说，国际上发展比较成熟的耐磨钢有德国蒂森克虏伯的XAR400，XAR450，XAR500；瑞典钢铁旗下的奥克德隆公司生产的HARDOX系列钢板，其中HARDOX600是目前世界上最硬的耐磨钢板，HARDOX系列耐磨钢不仅具有良好的耐磨性，并且具有良好的焊接性；除此之外，日本生产的JFE，EH360，EH400，EH500都是性能优良的耐磨钢。国内多家钢厂均生产耐磨钢，如舞钢、宝钢、武钢等企业，生产的部分耐磨钢板达到国际先进水平，出口多个国家。

    5、结语

    通过文献资料的查阅，对国内外一些主要的耐磨钢有个大致的了解，同时对于摩擦磨损的机理有更深入的认识。目前我国生产的耐磨钢整体水平处于世界的中上游，但一些高端耐磨钢仍需要从国外进口。在未来的发展中，相信我国的科技人才会以市场为导向，在基础研究和新技术的基础上，研发出一系列的高性能耐磨钢，摆脱高端钢材进口的现状。