一种新型耐高温磨损耐磨钢组织性能控制及磨损性能研究

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近年来,经过国内科研工作者的不断努力,常规低合金耐磨钢得到了长足的发展,逐渐形成系列化、标准化。但是现有的常规低合金耐磨钢通常是采用马氏体组织,通过淬火+低温回火工艺来获得,在实际生产中耐磨件的服役环境越来越严苛,在一些高温生产领域马氏体组织会发生回火,强度和硬度急剧下降,常规级别耐磨钢失去其优异的耐磨性能,发挥不出良好的耐磨作用,这对材料的高温耐磨性能提出了要求。本文拟采用轧制及轧后离线热处理的工艺方式,以绿色化、经济性为前提,对400HB级别新型耐高温磨损耐磨钢进行成分和微观组织设计,并结合轧制、轧后冷却和离线热处理等过程,来控制材料的相变过程和最终组织,从而实现得到具有优异的耐高温磨损性能和高韧性等综合性能良好的一种新型耐高温磨损马氏体耐磨钢的目的。主要的研究内容如下:(1)研究了实验钢连续冷却过程中的组织演变规律,分析添加的Mo元素对相变类型的影响。所设计的两种实验钢组织结构均为马氏体,在冷速达到10℃/s时,两种实验钢均获得全马氏体组织。Mo元素能够提高实验钢的淬透性,使CCT曲线右移。较高冷速下,两种实验钢的硬度均达到400HB级别,满足国标对常规级别耐磨钢NM400对硬度的要求。由于A实验钢Mo含量较多,硬度较B实验钢更高。(2)研究了不同奥氏体化温度下马氏体形态和微观组织,并分析了微观结构对淬火后力学性能的影响规律。两种实验钢的强度、硬度、延伸率和-40℃冲击韧性随淬火温度变化趋势不同,但总体上呈现出力学性能随淬火温度先增加后降低的趋势。A实验钢淬火温度为930℃时,综合力学性能最好;对于B实验钢来说,综合力学性能最好时,淬火温度为890℃。A实验钢的强度和硬度比B实验钢高,这是由于A实验钢较B实验钢Mo元素含量更多,Mo元素发挥的固溶强化作用更强。(3)研究了实验钢的淬火态马氏体在低温回火过程中的微观组织和力学性能变化规律。回火后A和B两种实验钢的强度和硬度下降程度非常小。A实验钢低温回火后的强度和硬度分别为1392MPa和470HV;B实验钢低温回火后的强度和硬度分别为1269MPa和419HV。此外,A和B实验钢均展现出优异的低温冲击韧性,A实验钢-40℃冲击功达到50J,而B实验钢的-40℃冲击功高达190J,远超出国标对NM400冲击韧性要求。(4)研究了高服役温度(300~500℃)对新型耐高温磨损耐磨钢力学性能的影响规律,并分析了其微观组织的内在变化情况,同时与常规NM400的高温力学性能进行了对比分析。随着温度的升高,A、B两种实验钢以及对比钢NM400的强度和硬度均出现下降,但是所设计的两种耐高温磨损耐磨钢的下降速率缓慢,而常规级别耐磨钢NM400强度和硬度随着温度升高急剧下降。A实验钢的高温强度由300℃时的1368MPa降为500℃时的860MPa;B实验钢的高温强度则由1345MPa变化为927MPa;常规耐磨钢NM400的高温强度由1310MPa急剧下降为554MPa。(5)对A、B实验钢和NM400的高温磨损性能和室温磨损性能进行了对比研究,并分析了其磨损机理。室温磨料磨损结果表明:硬度基本相同的NM400和B实验钢的室温磨损性能相差很小,硬度相对较高的A实验钢室温磨损性能最好,实验钢磨损机理主要以微切削和塑变疲劳为主。高温摩擦磨损实验结果表明:NM400高温力学性能降幅较大,高温磨损性能大幅度降低。A和B实验钢高温力学性能降幅较小,磨损形貌以较浅的犁沟为主,展现出优异的耐高温磨损性能,其中A实验钢耐高温磨损性能最佳。500℃服役条件下,A实验钢的高温磨损性能达到了常规NM400的2.0倍以上。
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