关键词:
空冷马氏体耐磨钢
低温热轧
逆向奥氏体相变
超细晶马氏体
磨损机理
摘要:
马氏体耐磨钢凭借高强度,高硬度和低成本被广泛应用于轨道交通、煤炭采运和工程机械等领域。传统的马氏体耐磨钢常采用轧制后离线淬火和回火的生产工艺来保证强度和韧性,并加入大量的Cr、Ni和Mo元素提高淬透性。然而,高价金属元素的添加、快冷设备的需求和较长的生产流程大大增加了马氏体耐磨钢的生产成本。基于此,本文设计了一种以Mn代替Cr和Ni降低材料成本,用空冷代替淬火来降低设备需求,缩短生产流程的新型空冷马氏体耐磨钢。提出了低温热轧工艺,并阐明了低温轧制对再加热过程中奥氏体晶粒长大行为的影响;探究了再加热工艺对第二相粒子析出行为、奥氏体晶粒长大行为、马氏体显微组织结构及其力学性能影响;研究了不同磨损工况下轧制温度和热处理工艺对空冷马氏体耐磨钢磨损性能的影响;揭示了磨损性能与强度、硬度和韧性之间的关系。主要研究结果如下:空冷马氏体耐磨钢具有优异的淬透性,0.05℃/s的冷速条件下仍能获得全马氏体组织。经过低温热轧后,马氏体组织多级结构显著细化、大小角度界密度、位错密度以及纳米级V(C,N)析出量增加,获得了更强的细晶强化、位错强化和析出强化效果。此外,细化的微观结构有效地增加了韧性断裂区域,延长了裂纹传播路径,大幅提高了冲击韧性。其抗拉强度、屈服强度、硬度和-40℃下的冲击吸收能量分别为1701 MPa、1174 MPa、482 HB和38 J,完全满足NM450级别耐磨钢的性能要求。将低温轧制与热处理相结合,成功实现了奥氏体晶粒超细化。研究发现:低温轧制获得的扁平化组织可以有效提高再加热过程中的奥氏体形核率,同时能够促进再加热过程中纳米级V(C,N)粒子的析出,钉扎奥氏体晶粒,抑制奥氏体晶粒长大。当再加热温度为820℃时,试验钢的奥氏体平均晶粒尺寸仅为3.79μm。与热轧态试验钢相比,经820℃保温1 h热处理后,试验钢获得了更高的细晶强化,位错强化和析出强化,综合力学性能提升。其抗拉强度、屈服强度、硬度和-40℃下冲击吸收能量分别为1690 MPa、1244 MPa,496 HB和50 J。针对试验钢在不同工况条件下耐磨性能的研究发现:在干滑动磨损试验中,试验钢的磨损形貌以犁沟为主,磨损机制为微切削机制。与商用Hardox450钢相比,热轧空冷马氏体耐磨钢显示出更高的耐磨性,且磨损性能随着终轧温度降低而增加;在三体冲击磨料磨损试验中,随着冲击能量升高,磨损形貌中犁沟面积减小,断裂、分层、疲劳磨损和磨料嵌入面积增大。经低温轧制后的空冷马氏体耐磨钢有效提高基体的硬度和韧性,抵抗磨料嵌入,抑制裂纹萌生和扩展,减少磨损失重,提高耐磨性能,其磨损性能与Hardox450钢达到同一级别。同时,低温热轧试验钢经820℃热处理后,其耐磨性能进一步提高,磨损形貌中断裂和分层面积显著减小,冲击磨损性能得到进一步提升,明显优于Hardox450钢。