麻 衡，曹 陽

（山鋼股份萊蕪分公司技術中心，山東 濟南271104）

1 前言

材料磨損是導致材料失效的一種重要形式，大約占了全世界一次能源無用消耗的1/3［1］，磨損是導致很多設備和工件迅速失效的主要原因，嚴重阻礙了當今社會的生產(chǎn)發(fā)展［2-3］，所以，如何使用現(xiàn)代技術來提高耐磨材料性能和提高易磨損件使用壽命是一個亟待解決和深入研究的課題。

碳化物顆粒增強的鐵基材料具有較高的強度、硬度以及優(yōu)異的耐磨性能，因此，碳化物顆粒增強型耐磨鋼也成為了研究的熱點［4-5］。TiC因其較高的熔點、硬度和強度、良好的熱穩(wěn)定性、良好的耐磨損性能、能與大多數(shù)金屬基體潤濕而受到廣泛地研究與關注，常用來制備高強度、高硬度、高耐磨的鋼基、鐵基等金屬基復合材料［6-8］。Y.Chen等通過激光熔敷技術于奧氏體不銹鋼基材表面制備出原位自生TiC增強FeAl復合材料涂層，TiC/FeAl涂層在滑動磨損試驗條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能［9］。

當前已開展了大量關于TiC增強型材料的研究，高Ti耐磨鋼在惡劣服役條件下的應用研究也己經(jīng)開展，因而討論TiC作為硬質(zhì)強化相在耐磨鋼中的應用與研究TiC增強型耐磨鋼在磨損條件下的磨損性能及磨損機理具有一定的理論與現(xiàn)實意義。

2 試驗材料及方法

結(jié)合傳統(tǒng)NM400鋼種成分，設計一種耐磨性能優(yōu)異的高Ti耐磨鋼NM400G，如表1所示。熔煉成分中Ti含量0.2%，C含量為0.21%，其他元素含量及控制水平基本與NM400保持一致。

表1 高Ti耐磨鋼NM400G成分（質(zhì)量分數(shù)）wt%

鋼坯加熱過程中，加熱參考時間按9～11 min/cm，出鋼溫度要求1 180±20℃，均熱時間≮40 min，鋼坯各點溫差≯30℃。軋制過程中，采用雙機架兩階段控軋工藝，精軋開軋溫度控制在900℃左右，15～30 mm厚度NM400G鋼板待溫厚度控制為2倍成品厚度，軋后不水冷。軋制后鋼板中析出相分布如圖1所示，經(jīng)過熱變形，沿晶界分布的TiC析出相在鋼板中呈扁球狀分布，沿軋向分布特征明顯。

圖1 軋制后鋼板中析出相分布

經(jīng)測定鋼種Ac3為864.92℃，選取鋼種淬火加熱溫度為910℃，回火溫度220℃。圖2為熱處理后高Ti耐磨鋼與常規(guī)耐磨鋼在金相和掃描電鏡下的組織對比，可以看出組織均為馬氏體板條，與常規(guī)耐磨鋼NM400組織對比，高Ti耐磨鋼馬氏體板條尺寸更加短小。

采用金相顯微鏡和Feature全自動掃描電鏡析出相統(tǒng)計設備對高Ti耐磨鋼中析出相分布情況進行分析，對不同厚度處的析出相數(shù)量和尺寸進行統(tǒng)計。采用EBSD和TEM進行晶粒尺寸統(tǒng)計，分析TiC析出對精煉尺寸的影響規(guī)律。

圖2 NM400與NM400G耐磨鋼微觀組織對比

磨損試驗采用干砂/橡皮輪三體磨損試驗機，分布從普通耐磨鋼NM400、30 mm厚高Ti耐磨鋼NM400G-30T和20 mm厚高Ti耐磨鋼NM400G-20T上取尺寸為10 mm×57 mm×25 mm的試樣，試樣均為板厚1/4處取樣，切好的試樣表面經(jīng)磨床加工，最終表面粗糙度1.6μm。每次磨損試驗前、后均將樣品表面處理干凈，用精密天平稱重、記錄。本次試驗分別在試驗進行5 min、10 min、15 min時對樣品稱重記錄。磨損試驗機轉(zhuǎn)速為200 r/min，砂粒尺寸為0.425 mm。

采用激光共聚焦顯微鏡對磨損試樣取照并進行粗糙度統(tǒng)計，對磨損后形貌進行掃描電鏡觀察分析，分析TiC析出相對耐磨性能的影響機理。

3 析出相分析

采用金相顯微鏡和Feature全自動掃描電鏡析出相統(tǒng)計設備對高Ti耐磨鋼中析出相分布情況進行分析，觀察高Ti鋼板不同厚度位置的析出相分布規(guī)律。NM400G鋼板不同厚度處的金相照片如圖3所示，發(fā)現(xiàn)不同厚度處均有析出相析出，近表面表現(xiàn)為細小且數(shù)量較多，1/4及芯部相比近表面析出相的尺寸均要大些。

圖3 30 mm厚NM400G鋼板不同厚度處析出相分布規(guī)律

析出相由近表到芯部的數(shù)量是由多到少，然后又增加，尺寸則是先增大而后減小，這與金相直接觀察的結(jié)果基本一致。分析析出相在近表面數(shù)量多且細小的原因是因為析出相在凝固前沿析出，鑄坯急冷過程中會在近表大量形核，從而在進表面處細小均勻分布；1/4和1/2厚度處鑄坯的冷卻效果變差，析出相形核后有機會長大導致尺寸有所增大，且1/2厚度處中心等軸晶粒的形成可能會導致析出相數(shù)量減少。鋼板近表面處析出相尺寸小且數(shù)量多對提高鋼板表面的耐磨性能是有利的。

通過對小樣進行電解腐蝕，觀察鋼板中析出相的形貌（見圖4），結(jié)合掃描電鏡和能譜分析發(fā)現(xiàn)析出相為TiC，TiC析出相一般有棒狀、邊部較為圓滑的球狀、橢圓狀等。

采用EBSD進行晶粒尺寸統(tǒng)計，如圖5所示，從圖中可以看出相比于常規(guī)NM400耐磨鋼，NM400G高Ti耐磨鋼晶粒尺寸明顯更加細小，晶粒尺寸在10μm以上的數(shù)量極少，極大多數(shù)的晶粒尺寸在4 μm以下，這對耐磨性的提高有利。

圖4 TiC析出相的掃描電鏡

采用透射電鏡對高Ti耐磨鋼組織進行觀察，結(jié)果如圖6所示，可以明顯看出常規(guī)耐磨鋼板條寬度為500 nm左右，高Ti耐磨鋼板條寬度為300 nm左右，分析是因為鋼中產(chǎn)生的納米析出相釘扎奧氏體晶界，加熱過程中阻礙奧氏體晶粒長大，因此淬火后形成的馬氏體板條也變得細小，細小的板條馬氏體組織有利于提高鋼板的耐磨性能。

圖5 NM400與NM400G鋼的晶粒尺寸統(tǒng)計

圖6 NM400與NM400G鋼的馬氏體組織

采用透射電鏡對TiC析出相進行了觀察，觀察結(jié)果如圖7所示，發(fā)現(xiàn)TiC顆粒一般位于板條內(nèi)部，且伴隨著大量位錯的存在，可以顯著提高材料的力學性能，有利于材料耐磨性能的提升。

圖7 NM400G鋼的TEM形貌

4 耐磨性能評價

磨損失重測試結(jié)果如圖8所示，可以看出NM400鋼的耐磨失重為NM400G的1.32～1.37倍；30 mm和20 mm不同厚度的NM400G鋼板耐磨性能相差不大。

圖8 磨損失重統(tǒng)計

采用激光共聚焦顯微鏡對磨損試樣取照并進行粗糙度統(tǒng)計，每個試樣取3個不同位置進行測量，取平均值進行統(tǒng)計，見圖9。由圖9可知，NM400G鋼表面磨損后磨痕深度淺、粗糙度值低，說明磨損試驗中材料損失程度低。NM400的粗糙度較大，體現(xiàn)在峰高的均值、峰尖銳程度、峰+谷的平均寬度、最大峰-最深谷高度均高于NM400G試樣，說明砂粒很容易對NM400進行磨損，NM400材料對砂粒的阻礙能力相對較差。

圖9 試樣磨損表面的粗糙度統(tǒng)計

對磨損后形貌進行掃描電鏡觀察分析，觀察結(jié)果如圖10所示，高Ti耐磨鋼NM400G的磨損形貌均為磨粒磨損，表現(xiàn)為金屬表面因塑性變形而出現(xiàn)較淺犁溝。有研究學者認為［10］，材料硬度越大其表面磨損后形成的犁溝越淺耐磨性能就越好。較細的晶粒尺寸結(jié)合堅硬的TiC粒子保證了基體較強的耐磨性，阻止磨損試驗中干砂對基體更深的破壞，能較好地保護基體，提高了材料整體耐磨性。

圖10 NM400G試樣磨損后的SEM圖

對高Ti耐磨鋼拋光后的試樣采用顆粒直徑為0.013 mm的砂紙摩擦，摩擦墨痕見圖11，在金相照片中觀察發(fā)現(xiàn)，堅硬的TiC顆粒能減少基體的磨損，表現(xiàn)為磨痕在TiC顆粒周圍減輕、間斷或消失。

圖11 NM400G摩擦試驗金相組織

5 結(jié) 論

5.1 由于TiC在凝固前沿析出，析出過程與鋼液凝固過程基本一致，TiC在軋后鋼板厚度上的尺寸、數(shù)量分布情況為近表處TiC顆粒數(shù)量較多且尺寸細小，1/4厚度處TiC顆粒數(shù)量減少、尺寸增大，1/2厚度處TiC顆粒數(shù)量增加、尺寸又有所減小。小樣電解試驗表明，TiC形貌有棒狀、粒狀、球狀。

5.2 高Ti鋼在軋制后，沿晶粒析出TiC有明顯的沿軋制方向拉長的趨勢，在鋼板中呈扁球狀分布。相比普通耐磨鋼，高Ti耐磨鋼晶粒尺寸明顯細小，大多數(shù)的晶粒尺寸在4μm以下，高Ti耐磨鋼板條寬度為300 nm左右，這與Ti發(fā)揮微合金元素的作用、形成納米析出相有關，納米析出相釘扎奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒長大，淬火后形成的馬氏體板條也變得細小，對耐磨性的提高有利。

5.3 摩擦試驗觀察發(fā)現(xiàn)，磨痕在堅硬的TiC顆粒周圍減輕、間斷或消失，從而實現(xiàn)對基體的保護，減少了基體材料的磨損情況；同時，較細的晶粒尺寸結(jié)合堅硬的TiC粒子保證了基體較強的耐磨性，基體的破壞減少，材料整體耐磨性得到提高。NM400G相對耐磨性為NM400的1.32～1.37倍，不同厚度鋼板的NM400G鋼耐磨性相差不大。