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热化学

结构钢和工具钢的处理

Jan Suchaacute;nek

Czech Technical University in Prague,

Czech Republic

1. 绪论

在受力部件的工作表面上，降解过程明显，这会逐渐影响机械零件和设备的参数。这些退化过程包括硬矿物颗粒与工件表面的相互作用引起的磨粒磨损。在边缘情况下，密集的磨料磨损会导致因机器或设备大修导致的输出停止而造成的巨大损失，并且还会导致备件生产所需的成本，和翻修和维护费用。人们常说，大约50%的磨损是由于磨料加工造成的。 (Krushchov amp; Babichev,1970; Eyre,1979; Uetz,1986).

磨料磨损的特点是在硬颗粒引起的刮削和切削过程中材料颗粒的分离和位移。这些粒子可以是自由的，也可以是某种意义上的结合。

另一种磨料磨损的情况是从经验中得知的，即在两个相对于另一个工作表面之间存在着硬颗粒， 这种情况是典型的破碎和研磨物质。 然而，它也可以在滑动对中发现，其中硬杂质渗透到不够密封的工作表面。 在粘着磨损过程中也会形成硬质颗粒，这种磨损会影响一个或两个表面。 这种磨粒磨损类型的分类被普遍接受， 即使磨料颗粒与材料之间的相互作用过程似乎要复杂得多。 必须考虑的是磨料颗粒与被磨损表面之间作用力的特性和时间响应。

理想情况下，耐磨材料的硬度应超过配合表面或磨粒的硬度。但在大多数情况下,磨料颗粒的硬度高于磨损材料的硬度。

结构因素对耐磨性的影响

硬质结构成分对金属材料磨损失效的影响

结构因素对耐磨性影响的基本概念被提出(Krushchovamp;Babichev，1960)。他提出了一个假设说磨损机理的所有结构部件是相同的。非均质材料的耐磨性是由各结构物相的体积份额和它们的相对耐磨性(可加性规律)的乘积之和得出的。不考虑磨损和结构修改对过程的热影响。根据(ZumGahr，1985)，非均相材料的行为不是由单一相控制的，而是每个相的贡献与其体积份额成线性关系。 磨料磨损随硬相体积的增大呈线性减小。这两种模型都假设复合材料的所有部件都会以相同的方式磨损，并且每个部件的贡献仅取决于其体积份额和比例磨损。这些模型没有考虑相界面性质、相的相对尺寸和断裂韧度等其他重要因素的影响，但很明显， 它们对非均匀材料的磨粒磨损有着重要的影响(Simmamp;Freti，1989)。

金属材料的耐磨性取决于硬结构构件的硬度、形状、尺寸和数量以及它们在基本金属基体中的分布。这些相的硬度和显微组织中的含量增加了材料的耐磨性。 (Roberts et al., 1962; Schabuyev et al., 1972; Suchaacute;nek et al., 2007). 然而，碳化物的比例不能与基本材料分开考虑。在珠光体碳化物显微组织中，硬度和耐磨性随着碳化物体积的增大而增加，达到35%。(Popov amp; Nagorny, 1970).

然而，在铁素体-碳化物组织中，耐磨性随着碳化物含量的增加而增加，达到5-6%，进一步的生长不再影响耐磨性。(Popov amp; Nagorny, 1969). 此外，碳化物所占比例的重要因素还包括碳化物的类型和碳化物的尺寸。根据(格林贝格等人，1971年)，他研究了Cr、W和V含量恒定的含铁素体基体和均匀分布的碳化物的钢的耐磨性, 钢的耐磨性随着合金元素中碳化物种类的增加而增加。 例如，当从M3C型碳化物转变为更复杂的碳化物型M7C3时，耐磨性增加。 合金元素的特殊碳化物与含复合碳化物的钢相比，耐磨性提高 (Popov et al., 1969)。一个典型的例子是在渗碳铬钢中添加钒，由于形成了非常硬的VC碳化物，从而提高了耐磨性。 (2100 – 2800 HV). 图中给出了碳化物种类对硬度在850~900 HV范围内淬火钢的相对耐磨性Psi;a的影响 (Suchaacute;nek amp; Bakula, 1987)。 在这种硬度范围内，残余奥氏体在高合金材料中所占的比例很低，对整体耐磨性的影响很小。用磨料布测得的Psi;alpha;值表明，含Fe3C和/或M3C碳化物的钢的耐磨性最低。 具有M7C3碳化物的钢具有较高的耐磨性，在含特殊MC碳化物的钢中耐磨性最高。

碳化物的高分散性是获得高耐磨性的最有利条件。 (Tsypin, 1983). 这就是为什么随着渗碳体颗粒分散性的增加，回火钢的耐磨性提高的原因。 (Larsen-Badse amp; Mathew, 1966).

图1.碳化物种类对淬火钢耐磨性的影响 (100Cr6, C80W2, C110W2 – carbide M₃C; X135CrWV20 1, X210Cr12, X225CrMo12 10 – carbide M₇C₃; HS6-5-2-0, HS11-0-2-0, HS11-0-4-0 – carbides M₆C M₂₃C₆ MC) (Suchaacute;nek amp; Bakula, 1987).

100 Abrasion Resistance of Materials

Heat and Thermochemical Treatment of Structural and Tool Steels 101

基体对磨损过程的影响

如果对文献中已有的文献进行总结，可以得出以下结论：铁素体基体的耐磨性最低。 碳化物形成元素(Cr、W、V)对铁素体的替代硬化并不能提高其耐磨性。 珠光体在铁素体-珠光体钢中所占比例的增加导致耐磨性的提高。具有马氏体基体的钢和铸铁比珠光体钢和化学成分相似的铸铁具有更高的耐磨性。碳和合金元素含量越高，耐磨性越显著。 (Moore, 1974; Filippova amp; Goldshtein, 1979).

马氏体基体中碳化物的存在进一步提高了颗粒的耐磨性。这些碳化物的硬度和数量对金属的耐磨性有重要贡献。 基体和碳化物抵抗开始切割作用的磨料颗粒的渗透。

在对碳和合金元素含量较高的钢和铸铁进行热处理时，这些元素会使Ms和MF温度向较低的值转变，组织中形成残余奥氏体。 许多论文专门讨论了它对耐磨性的影响。 (Petrov amp; Grinberg, 1968; Popov amp; Nagorny, 1970; Fremunt et al., 1971).实验证明，在不同牌号钢和铸铁中，残余奥氏体在滑动磨损中的作用是正的。这一行为的一个解释是应变诱发马氏体相变有助于提高低冲击能下的耐磨性。

表1.选定钢a的热处理、显微组织、硬度和耐磨性

故障的频率和机器设备的使用寿命取决于许多因素-----例如设计，用于重要零件的材料，生产质量，工作介质的响应和操作条件。尽管已经获得了磨损颗粒与被磨损材料表面分离机理的基本知识, 热处理、热化学处理、金属材料显微组织对磨损强度的影响仍未得到充分的解释。 在一些已发表的论文中，研究了低强度磨料磨损情况下的碳和低合金钢的结构效应。(Soroko-Novickaya, 1959; Krushchov amp; Babichev, 1960; Richardson, 1967; Khruschov, 1974; Eyre, 1979; Wirojanupatump amp; Shipway, 1999). 在这一领域进行的试验工作具有相当大的实际效果，因为它使在条件下工作的钢及其热和/或热化学处理得到最佳选择。 磨料磨损。

磨料磨损试验方法

用磨料布对不同钢的耐磨性进行了测试。在仪器VBUM AB-1上，直径为10毫米的针形试样滑动到刚玉砂布上。 在试验过程中，有固定磨料布(粒度120)的圆盘旋转，试样以3mm/1旋转径向运动。

采用标准试样(0.045%C，95~105HV)和试验试样，采用1-2-1-2-1-1方案。 测试参数：滑动路径- 50米，比压-0.32 MPa，最大速度-0.53m/s。 根据参考材料的磨损量与被试钢的磨损量之比，估算了试验钢的磨料耐磨性。 (Vocel amp; Dufek, 1976; Suchaacute;nek amp; Bakula, 1987).

图2.磨料磨损试验用磨料布装置

热处理结构钢的耐磨性

在选定的一组结构钢上进行了显微组织对耐磨性的影响试验。除热处理碳和低合金钢外，还对不锈钢和奥氏体锰钢(Hadfield钢)进行了渗碳和渗氮试验。 被测试的结构钢的化学成分见表2。

采用热处理方法对其组织和物理力学性能进行了改性，研究了淬火和回火温度对结构钢硬度和耐磨性的影响。热处理条件可以在较宽的范围内改善低合金钢和高合金钢的组织和物理力学性能。因此，它们的耐磨性也随之变化。 表3和表4概述了结构钢的热处理条件、硬度和耐磨性。

作为标准材料的磨料磨损试验用极低碳含量(0.045%C)的RFe 100钢退火后具有铁素体组织。

正火铬锰渗碳钢20 MnCrTi基体为铁素体-珠光体。淬火后，该钢的组织为马氏体组织。

经正火处理后的Cr-Ni级17NiCr6 4钢组织为铁素体-珠光体组织.经860℃油淬后，组织为马氏体。 在150℃/1h回火后，硬度和耐磨性略有下降。

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