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1、中碳中碳 CrMn 钢衬板热处理工艺、组织与性能研究钢衬板热处理工艺、组织与性能研究摘 要 机械磨损涉及的方面很多，其中磨料磨损占全部工业磨损的 50%以上。德国、英国等国家每年因磨料磨损而造成的损失达数十亿美元。在磨料磨损的工况条件下工作的低合金耐磨钢，不仅要求材质具有较高的硬度和韧性，还要有较好的的耐磨性，以达到组织性能要求。本文通过对已经设计好成分的中碳低合金 CrMn 钢衬板（其原始热处理工艺是 830淬火 2h，280回火 2h），设计了几组不同的淬火和回火温度。分别是850淬火，340、380、420回火，880、910、940淬火，对应均为150,、175、200、225、250
2、回火。用线切割做成 10mm10mm55mm的冲击试样。对这些试样进行洛氏硬度测试，然后进行冲击韧性实验。选出比较好的工艺，进行处理后做成金相试样，观察金相组织。对原材料按选出的工艺再次进行处理后，做成 8mm8mm18mm 的磨损试样，在 MM-200 磨损试验机上用300N 的载荷磨损 30min。试验结果表明：本材料在 880淬火，200回火，可以得到硬度、冲击韧性、耐磨性均较好的组织。其硬度可达 52HRC，冲击韧性测试未开缺口，结果是未断，并且磨损量最小。 关键词关键词：衬板，热处理，硬度，冲击韧性，耐磨性，显微组织The Research on the Heat treatment
3、, Microstructure and Properties about Midlle Carbon Steel of CrMnABSTRACTThere are many aspects related to mechanical wear, abrasive wear which occupy total more than 50% of industrial wear. Germany, Britain and other countries loss billions of dollars each year caused by abrasive wear.The low alloy
4、 wear-resistant steel which woks in the abrasive wear of the working conditions , requires not only material with high hardness and toughness, but also has good wear resistance in order to meet their performance requirements.The subject based on the good ingredients which have been designed in low-a
5、lloy CrMn of middle carbon steel liner (the original heat treatment process is quenched at 830 about 2h, tempered at 280 about 2h),designed several groups of different quenching and tempering temperature.Quenching temperature were 850 , tempering were340 , 380 , 420 . Quenching temperature were 880
6、, 910 , 940 , corresponding to all 150 ,175 , 200 , 225 , 250 tempered. Made by cutting 10 mm10 mm55mm in the impact specimen. These samples were Rockwell hardness test, then the impact toughness experiments.Select the appropriate process, then made the Metallographic specimens,Observe the microstru
7、cture. Process for raw materials by selected treatment again, making 8mm 8mm 18mm of wear and tear samples in the MM-200 wear tester with a 300N load for 30min.The results are as follows: This material is quenched in 880 , 200 tempered, can be a organization of good hardness, impact toughness, and w
8、ear resistance. Its hardness up to 52HRC, impact toughness test is not open gaps, the result is not broken, and minimal wear.KEY WORDS:liner, heat treatment, hardness, impact toughness, wear resistance, microstructure目 录第 1 章 绪 论.11.1 研究和发展耐磨材料的必要性11.2 国内外金属耐磨材料研究进展11.2.1 耐磨锰钢研究进展.21.2.2 耐磨铸铁研究进展.31
9、.2.3 贝氏体基体型耐磨钢.51.2.4 低、中合金耐磨钢.51.3 球磨机衬板的性能要求6第 2 章 试验方法72.1 试验方案的确定与材料准备72.2 力学性能试验方法82.2.1 硬度试验.82.2.2 冲击试验.82.2 耐磨性能试验方法92.3 金相组织观察9第 3 章 试验结果及分析103.1 力学性能试验结果及分析103.1.1 硬度试验结果及分析.103.1.2 冲击试验结果及分析.123.2 耐磨性能试验结果及分析.133.3 金相组织分析.14第 4 章 结论与展望.164.1 结论164.2 展望16参考文献17致 谢19第 1 章 绪 论1.1 研究和发展耐磨材料的必
10、要性磨损是摩擦学的三个重要组成部分(摩擦、磨损和润滑)之一，是金属零件失效的三种主要原因（断裂、腐蚀、磨损）之一。材料磨损尽管不像另外两种形式，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。据早期统计，由磨损造成的经济损失，美国约 150 亿美元年，西德约 100 亿马克年，前苏联约 120 亿卢布年。据不完全统计，能源的 1323 消耗于摩擦与磨损，对材料来说，约 80%的零件失效是磨损引起的，其中磨料磨损所造成的经济损失占 50%以上1 。磨损不仅造成能源的消耗和材料的浪费，还造成经济上的巨大损失和社会资源的极大浪费。而且由于磨损，更换零部件时停工所消耗的人力和物力以及由
11、于劳动生产率的降低造成的损失更加严重。此外，零件磨损还会使产品的质量降低，乃至造成设备与人身事故。所以对磨损的研究，越来越必要。磨粒磨损是指由于摩擦副表面存在硬颗粒或硬突起引起材料产生迁移而造成的一种磨损。在工业生产中，磨粒磨损是最重要的一种磨损，约占 50%左右。据统计，国内每年消耗金属耐磨材料达 300 万吨以上2。在我国经济建设中，矿山、冶金、电力每年用于破碎、制粉的抗磨材料消耗是非常大的。以球磨机衬板为例，每年消耗 20 多万吨；欧共体每年消耗 20 亿美元；美国高达 60 亿美元3。因此，为了减少磨料磨损所造成的经济损失，研究磨损和不断发展抗磨材料将是一个永久的课题。1.2 国内外金
12、属耐磨材料研究进展应用于磨料磨损工况条件下的钢铁材料称为耐磨材料。金属耐磨材料经历了从普通白口铸铁、高锰钢到镍硬铸铁、铬系白口铸铁、贝氏体耐磨铸铁、耐磨铸钢以及金属基表面复合材料、硬质合金，获得了长足的发展。1.2.11.2.1 耐磨锰钢研究进展耐磨锰钢研究进展耐磨锰钢是应用最广的耐磨材料，其中高锰钢是英国人 Hadfield 于 1882 年发明的，其铸态组织是奥氏体+马氏体+碳化物，水韧处理后为单一奥氏体组织。他具有较高的耐冲击性能和加工硬化能力，其在强烈冲击加工硬化后表面硬度可由 HB200 左右上升到 HB500，从而具有良好的耐磨性4。100 多年来，高锰钢的主要成分并未发生太大变化
13、，目前大量生产的高锰钢的化学成分为：1.0%1.4%C，10%14%Mn。高锰钢的耐磨性与含碳量有关，一般说来，含碳量越高，耐磨性越好。在 1.3%C 以上，容易析出碳化物而使韧性降低。另外，在普通高锰钢基础上，有目的地添加一些其他合金元素：如加入铬、钒、铜等元素，对奥氏体进一步固溶以实现固溶强化。加入钒、钛、铬和钼等元素，使在奥氏体基体上弥敞析出细小碳化物，以实现第二相强化。这种碳化物的分布形态对高锰钢的韧性影响不大，并能阻止位错运动，从而大幅度提高高锰钢的加工硬化能力。加入稀土、镁和钙等元素，可净化晶界，以实现晶界强化。加入稀土、钛等元素，可以明显细化组织，以实现细晶强化。为使厚大铸件中心
14、部位也为全奥氏体组织，提高加工硬化能力，发展了超高锰钢(Mn15、Mn17、Mn20、Mn25)。挪威的 StarangerStool 公司开发了一种名为STROMHARD 的超高锰钢，其锰含量为 15%23%，同普通高锰钢相比，其初始硬度提高了 80150HB，加工硬化性能明显增强，有相当好的耐磨性5。高锰钢铸件热处理一般为缓慢升温(5080/h)到 650700，保温 12h后以 100120h 升温到 10501080，保温 24h 后水韧处理。对于合金化高锰钢、超高锰钢淬火温度一般提高到 10801120，保温时间延长到 46h。近年来，许多单位采取先在 950保温 2h 正火预热处理
15、，均匀化成分，细化组织，冷至 300后再淬火的工艺，使耐磨性得到提高6。近年来，由于许多人对高锰钢的认识不清，认为其是“万能耐磨材料”，滥用高锰钢。高锰钢因其含有韧性相奥氏体及其加工硬化的特点，决定其应用于伴有强烈冲击载荷磨损的工况下，否则就无法发挥高锰钢潜在的耐磨能力而表现不出好的耐磨性。国内外针对高锰钢上述缺点，也做了许多工作，国外在七十年代就有加入合金元素 Mo，Cr 的高锰钢及铸态高锰钢7。现在的中锰钢是在普通高锰钢基础上发展起来的，适当降低锰含量，并加入一定含量的铬，从而降低奥氏体的稳定性所获得的一种新型耐磨材料。大致成分为 0.8%1.2%C、6.0%9.5%Mn 和1.5%3.0
16、%Cr，水韧处理后仍可得到单相奥氏体组织，在室温下磨损中变形可以诱发马氏体相变，从而提高加工硬化能力。即使在低冲击、较小应力下工作，也会因形变诱发相变而显著硬化，使耐磨性提高。与高锰钢相比，其韧性有所降低，耐磨性则较大提高。中锰钢的加工硬化速率比高锰钢高得多，他弥补了高锰钢的不足之处，有足够的韧性也有良好的耐磨性，在中、低应力的冲击磨损条件下，比高锰钢性能优良8,9。1.2.2 耐磨铸铁研究进展耐磨铸铁研究进展一、普通白口铸铁普通白口铸铁是指不含或少含特殊合金元素的自口铸铁，这是我国应用最早的耐磨材料，至今仍广泛应用于性能要求不高的耐磨件的制造。 普通白口铸铁的耐磨性主要依靠碳的作用，按碳含量可分为亚共晶型(C4.3%)。其金相组织特点是无石墨存在仅由珠光体类组织所组成。其中的硬脆相为 M3C 型渗碳体，并在基体中连续分布。普通白口铸铁的性能特点是硬度较
