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轧制Mn13的耐冲击和耐磨损性能

本文对热轧奥氏体高锰耐磨钢(Mn13 钢) 的磨损性能及硬化行为进行了研究。高锰钢的热轧工艺可有效解决受铸造工艺局限性的带来组织疏松、缩孔、晶粒粗大等缺陷的影响,针对矿山机械复杂的工况,以滑动磨损、磨料磨损、冲击磨料磨损的形式开展实验,通过分析磨损后的磨损失重、硬度、金相组织、磨损形貌和硬化机制来评价其综合耐磨性能,得出以下结论:

(1)Mn13钢在室温下为单一奥氏体组织,基体中有弥散的碳化物分布,其强度一般但塑韧性较好,未发生形变硬化之前硬度较低,整体的性能要优于ZGMn13。

(2)在滑动磨损试验中,与 B-Hard400和B-Hard500相比,Mn13 钢的低载干摩擦系数较大,其它条件的摩擦系数区别不大。高载摩擦系数低于低载,摩擦稳定性低于低载荷下的摩擦稳定性。除了高载荷干摩擦和低载荷煤泥粉的工况下,Mn13 钢的耐磨性表现的更为优秀。 干摩擦滑动磨损时磨损机理主要表现为犁沟和疲劳剥落磨损;煤泥粉和石英砂滑动磨损时磨损机理主要表现为犁沟切削和凿削切割的破坏机制。高载时还存在煤泥粉的碾压粘着膜,粘附膜层隔开了磨损面的直接接触,降低了颗粒对磨损表面的凿削磨损,这层碾压粘附膜起到一定润滑作用,使材料的摩擦系数较低。

(3)磨料磨损试验结果表明,硬质颗粒(煤矸石、石英砂)磨料磨损条件下,Mn13钢的抗磨料磨损性能较好,加工硬化效果明显;而软质颗粒(煤泥粉)主要成分为碳粉,颗粒的硬度较低,磨料对Mn13的表面硬化效果没有表现出来,同时碳粉具有一定的润滑性能,使得 Mn13钢的磨损失重较高,其相对耐磨性低于B-Hard400和B-Hard500钢。煤泥粉磨料磨损的磨损机制表现为微观切削,伴随局部的疲劳剥落。煤矸石磨料磨损的磨损机制为微观切削,伴随挤压剥落和局部区域的疲劳剥落。石英砂磨料磨损的磨损机制则为典型的凿削磨损和微观切削。

(4)在冲击磨料磨损试验中,1-8J冲击功下Mn13钢的磨损量走势呈“M 形”,在2J和5J时磨损量最大,4J和7J时磨损量最小,最佳冲击功工况为3.5-4.5J和6-7J。在2J、4J、5J和7J中,随着冲击次数增多,磨损量逐渐增大,在冲击3000到6000 次之间,磨损失重走势线出现了三个交点,加工硬化现象显著,7J线下穿2J线和 5J 线,2J线上穿5J 线,4J线一直保持最低磨损量展现出较好的耐磨性,Mn13钢在中、高冲击功条件下展示出较好的耐磨性,并且高冲击功激发了二次加工硬化。切削、塑变、凿削和疲劳剥落是Mn13钢冲击磨料磨损的主要机制,随着冲击功的提高加工硬化程度得到提升, 切削痕变少疲劳剥落坑增多。

(5)低、中、高冲击功对Mn13钢的加工硬化特征不同。在中、高冲击功条件下Mn13钢冲击磨损6000次后的硬化层厚度可达3500μm 以上,最高达6500μm;而低冲击功条件下的硬化层深度只有1500μm 左右。从磨损亚表层的金相组织中均可以观测到形变孪晶的存在,随着冲击功提高在同一深度的亚表层晶粒内生长的孪晶密度增大。

(6)在低冲击功的作用下,位错结缔为胞状组态,磨损表面仍保持奥氏体组织即γ(fcc),加工硬化效果不明显,Mn13钢的耐磨性差; 在中冲击功的作用下,孪晶和位错墙的交互作用是主要的硬化机制, 同时还产生了ε(hcp),由于转变量较小,仅起辅助作用;在高冲击功的作用下,高密度孪晶条带互相交割并与高密度位错交互作用为主要硬化机制,碳化物析出、α(bcc)转变等起辅助性加工硬化机制。 高分辨透射电镜(HRTEM)试验结果表明,高冲击功作用下Mn13 钢磨损表面的高密度变形条带互相交叉、阻滞或截割,使奥氏体组织细化为微晶甚至纳米晶,同时发生严重的点阵畸变,使晶体的自由能高于非晶体的自由能进而导致晶体失稳转变为非晶态。非晶的产生及其数量的增加加剧了纳米化程度及纳米晶尺度的减小,高韧性的奥氏体纳米晶与高强度、高硬度的非晶组织镶嵌分布使Mn13钢在高冲击功下保持良好的耐磨性。


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