李卓松，王奧博，閆曉倩，金 偉，馮智飛，李國華

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院 材料科學與工程系，北京 100083）

耐磨材料是制造業(yè)重要的消耗材料，其主要作用就是被普遍應(yīng)用在以下各個領(lǐng)域：機械零部件構(gòu)件的制造、金屬的冶煉成型過程、電力系統(tǒng)的配置、建筑高樓大廈所用材料、國防科技的開發(fā)、艦船的生產(chǎn)與制造、有關(guān)交通運輸行業(yè)和液壓支架采煤機等采煤設(shè)備的制造生產(chǎn)過程、化工等領(lǐng)域，典型產(chǎn)品如冶金工業(yè)金屬軋機中的軋輥，電力工業(yè)磨煤機中的磨環(huán)、沖擊板和渣漿泵過流件等。耐磨產(chǎn)品消耗量巨大，現(xiàn)已構(gòu)成技術(shù)系列并已工程化和產(chǎn)業(yè)化的鑄造耐磨材料及其技術(shù)為以下5大類[1-3]：①奧氏體錳鋼（含Mn13鋼系列、Mn17鋼系列、Mn25鋼和Mn7鋼系列）；②耐磨損白口鑄鐵（含高鉻、中鉻和低鉻白口鑄鐵系列）；③非錳系耐磨損合金鋼（奧氏體錳鋼之外的耐磨合金鋼）；④耐磨損球墨鑄鐵；⑤耐磨損鋼鐵復合材料[4]。耐磨鋼鐵材料雖分為5大類，但已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的具體鋼（鐵）種牌號卻已超過百個，典型的牌號也有40~50個，而且各種牌號的生產(chǎn)工藝、力學性能和工業(yè)應(yīng)用效果均有不同，因此增加了企業(yè)生產(chǎn)管理和工藝操作的難度。

1 研究目的、背景及意義

無損檢測技術(shù)是以不傷害被檢測的物體表面與使用性能的前提下，對其內(nèi)部或者其表面進行探測，并及時發(fā)現(xiàn)其存在的各種宏觀缺陷，通過探測結(jié)果進行分析從而判斷出缺陷的位置、性質(zhì)、形狀及大小等信息。通過探測出的信息，還能分析出被檢測對象的服役狀態(tài)，力學性能等固有屬性，從而對其發(fā)展趨勢進行分析，預測，最終對其做出綜合性評價。無損檢測和傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，所涉及的綜合知識面更廣，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域更加的廣闊，對于材料本身所進行的綜合評定更加嚴密，更加靈活，更加科學[5]。

在國內(nèi)，對于多晶材料組織的超聲無損表征已經(jīng)取得了一定的成果。對具有多相結(jié)構(gòu)的合金鋼進行不同方式的熱處理，可以得到其不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織。利用超聲波聲速法、衰減特性分析及頻譜分析3種方法可以得出超聲波在不同組織中不同的傳播規(guī)律。利用這一特點，林莉[6-7]團隊表征了不同熱處理下3種鋼（40Cr、38CrMoAl及GCr15SiMn）的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的顯微組織。有學者用超聲方法表征并評價了金屬薄片及低碳鋼球化組織的彈性模量，并提出了利用超聲測量聲壓透射系數(shù)譜的表征方法來對薄層的彈性模量進行無損表征。此外，其還利用超聲波聲速法對20號鋼組織的球化轉(zhuǎn)變程度進行了評價，實現(xiàn)了用超聲無損表征材料組織狀態(tài)。陳永昌[8]用超聲無損評價的方法得到隨著熱疲勞周次的不斷增加，徑向橫波和縱波聲速都不斷減小的規(guī)律。董志勇[9]用超聲衰減系數(shù)評估材料損傷，發(fā)現(xiàn)隨著使用時間的增加，超聲衰減也不斷增加。

目前對于合金鋼的熱處理產(chǎn)物的超聲檢測，僅僅停留在傳統(tǒng)的聲速法和超聲衰減系數(shù)法。而傳統(tǒng)的絕對衰減系數(shù)法對于實際的實驗條件也有著極為苛刻的要求，并且獲得比較高的探測精度也很難實現(xiàn)，也無法區(qū)分有效合金鋼的顯微組織成分，同時對于合金鋼本身性能之間的關(guān)系探究也僅僅浮于表面。本文提出建立聲學參數(shù)與耐磨性能之間關(guān)系的思路，意在通過比較不同熱處理產(chǎn)物超聲參量及耐磨性之間的差異，建立超聲表征耐磨材料新的數(shù)字化處理方法。本文主要使用超聲聲速法對先進耐磨材料ZM4-13鋼進行了超聲無損表征，希望能夠在無損表征方面起到一定的作用，在保證測試條件一致的情況下，比較了不同熱處理下ZM4-13的聲速，同時與耐磨性之間建立了聯(lián)系，得到了耐磨性能和聲速之間的相關(guān)性。在未來時如果有更好的設(shè)備，考慮用傅里葉變換來對材料內(nèi)部組織進行表征，建立一套全新的表征手段。

2 實驗

2.1 實驗方案

（1）本文將采用ZM4-13耐磨鋼作為這次實驗的實驗材料，ZM4-13是中煤張家口煤礦機械有限責任公司研制的產(chǎn)品。同時對ZM4-13材料在不同條件進行熱處理實驗，熱處理工藝見表1。使用友聯(lián)PXUT-280型數(shù)字超聲波檢測儀對不同熱處理實驗材料進行超聲實驗，收集超聲檢測儀不同試樣下所檢測出來的數(shù)據(jù)。

表1 試樣熱處理工藝

（2）選用M-2000環(huán)塊磨損實驗機對試樣進行摩擦磨損實驗，本文以線接觸滑動為該實驗的摩擦形式，通過稱量試樣磨損前、后的質(zhì)量對材料在不同工況下的磨損性能進行綜合性評價。并且本文使用GCr15剛作為對摩副材料。

（3）最后使用倒置顯微鏡對各個試樣進行顯微觀察，對不同熱處理條件下試樣的表面組織進行表征。

2.2 超聲實驗

我們在超聲測量階段挑選出來10Z6N探頭用于超聲檢測實驗。實驗過程中對探頭進行不同耦合力下的波形圖的測定，通過控制配重塊的數(shù)量進而控制耦合力大小。從一個配重塊開始依次疊加，直到波形穩(wěn)定后再開始卸載。對正火、淬火、退火、200℃回火、400℃回火和600℃回火共計6組，每組的3個平行試樣進行超聲實驗波形圖測量。記錄每個試樣5組波峰值，回波高度、波速及增益系數(shù)，進而測定聲速，為接下來的實驗做準備。

2.3 實驗結(jié)果分析

2.3.1 超聲實驗

10Z6N探頭對ZM4-13不同熱處理狀態(tài)的試樣測試出的聲速結(jié)果如圖1所示，由圖1可以看出，退火處理的聲速與其他狀態(tài)下的聲速有明顯差異，可以單獨區(qū)分出來；而正火與低溫回火只能歸為一類，淬火、中溫回火、高溫回火歸為一類。從而可以將熱處理后的試樣分為3種情況。

圖1 不同熱處理狀態(tài)下的聲速

2.3.2 磨損實驗

根據(jù)實際的工況，并且結(jié)合現(xiàn)有實驗機條件，本文將實驗載荷設(shè)置為200 N，時間設(shè)置為60 min，試驗機對摩副的轉(zhuǎn)速為200 r/min。每次實驗前用工業(yè)無水乙醇對各個試樣進行超聲清洗處理，除去試樣表面存在的雜質(zhì)與氧化層，清洗時間設(shè)置為15 min，溫度設(shè)置為20℃。之后再用吹風機將各個試樣吹干并稱重，之后立即進行磨損實驗，實驗結(jié)束后同樣使用超聲清洗儀，并用工業(yè)無水乙醇進行清洗，清洗完后稱重。將兩次稱重的結(jié)果進行比較，得出摩擦失重量（結(jié)果保留至小數(shù)點后4位）見表2。經(jīng)過多次實驗與分析后，實驗結(jié)果如圖2、圖3所示，進而得出結(jié)論，耐磨性情況：淬火大于回火大于正火大于退火。

圖2 不同熱處理下的平均摩擦系數(shù)

圖3 不同熱處理下的磨損失重量

表2 耐磨性能實驗情況

2.3.3 金相分析

①采用金相顯微鏡對試樣進行觀察，并使用晶粒度大小進行表征，如圖4所示，測得晶粒大小順序為退火大于正火大于淬火；②退火與正火的組織均為珠光體+鐵素體，退火的珠光體含量略少于正火，由于ZM4-13的碳含量在0.3%左右，所以無論退火還是正火，珠光體的含量均少于鐵素體；③淬火得到的是非平衡組織馬氏體，淬火組織除了得到馬氏體，還有殘余的奧氏體，此時組織為回火屈氏體。高溫回火溫度加熱至600℃，此時組織為回火索氏體。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下的金相顯微組織

3 結(jié)論

（1）對不同熱處理后的試樣進行了多次耐磨性檢測，測得了不同熱處理情況下的ZM4-13摩擦失重量與摩擦系數(shù)，分析后得出結(jié)論：耐磨性情況為淬火大于回火大于正火大于退火，其中回火處理后的耐磨性能變化不大。

（2）在保證實驗條件相同的情況下，經(jīng)過探頭篩選后對ZM4-13 6種熱處理狀態(tài)的試樣采用10Z6N探頭進行檢測，并且用超聲檢測數(shù)據(jù)對試樣的熱處理狀態(tài)進行分類，聲速分散的只有正火與低溫回火，而退火處理后的試樣能單獨的區(qū)分出來，正火與低溫回火歸為一類，而淬火、中溫回火和高溫回火歸為一類。因此得出結(jié)論：聲速法能夠粗略的區(qū)分出不同熱處理下的產(chǎn)物。

（3）耐磨性與超聲聲速之間的關(guān)系還需要進行更加深入的研究。未來時如果有更好的設(shè)備，考慮用傅里葉變換來對材料內(nèi)部組織進行表征，建立1套全新的表征手段。