奥氏体与马氏体耐磨钢磨损性能及机理的研究

温 华

(山西焦煤集团 机电部， 山西 太原 030021)

刮板输送机在煤矿生产中占据着重要的地位。刮板运输机结构复杂，其关键部件中部槽易在工作中产生严重磨损，磨损主要来自于矿石冲刷及同机器其他部件间的相互摩擦。目前，中部槽材料的使用主要是马氏体及奥氏体耐磨钢，常用的有瑞典奥克隆德HARDOX系列、日本JFE系列、国产NM360和NM400、高锰钢系列等[1-4]. 虽然研究人员对奥氏体耐磨钢、马氏体耐磨钢的磨损性能分别进行了大量的研究，但目前还没有见到有关奥氏体高锰钢、中锰钢以及马氏体耐磨钢滑动磨损性能综合对比的相关报道。

选择上海宝钢特钢有限公司新开发的奥氏体中锰钢(中锰钢)以及Mn13、HARDOX400(HD400)、HARDOX500(HD500)、JFE-EH450(JFE)5种耐磨钢为研究对象，通过各种滑动摩擦磨损实验，研究其耐磨性能以及磨损机理。

1 实验材料与方法

1.1 实验方法与条件

GB/T 12444-2006规定，摩擦试样尺寸为10 mm×10 mm×19 mm，摩擦副选用外径50 mm、内径16 mm的GCr15环状轴承钢，摩擦形式为干摩擦、石英砂摩擦，石英砂粒径控制在120～150目，流量控制在1.5～2 kg/h，摩擦副转速为200 r/min，滑动时间为2 h，法向载荷为200 N、600 N，实验用试验机为M-2000磨损试验机，试样尺寸图见图1.

分别采用HV-1000型显微硬度计、Sartorius BP211D型天平、S-3000N型扫描电镜对试样磨损前后硬度、质量变化及表面形貌等进行观察和测量。

图1 试样尺寸图

1.2 实验材料

中锰钢和Mn13都属于奥氏体耐磨钢，其基体硬度低于其他钢种，且韧性好；而日本产JFE钢以及瑞典产HD400及HD500钢属于马氏体耐磨钢，硬度及强度依次升高，但塑韧性较差。5种耐磨钢的基本力学性能指标见表1，基体金相组织见图2.

表1 5种耐磨钢的基本力学性能表

图2 5种耐磨钢金相组织图

2 实验结果

2.1 磨损性能

在200 N及600 N载荷下分别进行干摩擦及石英砂摩擦实验，其磨损失重情况见图3. 当载荷条件相同时，石英砂摩擦造成耐磨钢的磨损失重相较于干摩擦有大幅增加。在都处于干摩擦的条件时，奥氏体和马氏体耐磨钢的磨损失重相近，而在石英砂摩擦下，奥氏体中锰钢体现出优异的耐磨性能，其磨损失重远低于其他钢种，而Mn13相对较差，马氏体耐磨钢中JFE的磨损失重较高，均高于HD400和HD500. 结果显示，在摩擦条件相同时，载荷越大，各耐磨钢的磨损失重越大。

图3 不同条件下各耐磨钢的磨损失重图

不同条件下各耐磨钢的摩擦系数对比见图4. 由图4a)、b)对比可知，在摩擦初期，随着载荷的增大，曲线剧烈波动时间减小。载荷200 N与600 N干摩擦实验条件下，其摩擦系数μ在稳定阶段的波动性较小，同时200 N载荷下各钢种摩擦系数均高于600 N. 由图4a)可知，Mn13摩擦系数最大，中锰钢其次，另外3种马氏体耐磨钢摩擦系数较小且相差不大。由图4b)可知，5种耐磨钢摩擦系数相差较小，但两种奥氏体耐磨钢的摩擦系数高于3种马氏体耐磨钢。由图4c)、d)可知，添加石英砂磨料后，摩擦系数先升高，然后上下波动，其波动幅度明显大于干摩擦条件下。由图4c)可知，马氏体耐磨钢的摩擦系数略高于奥氏体耐磨钢，而当载荷增加至600 N时，几种耐磨钢的摩擦系数都显著降低，中锰钢的摩擦系数明显高于其他4种耐磨钢，高锰钢与马氏体耐磨钢的摩擦系数基本在同一范围内波动。

2.2 磨损形貌

干摩擦下载荷200 N、600 N时的表面磨损形貌分别见图5，图6. 由图5可知，200 N干摩擦时，Mn13表面有一定量剥落层，而中锰钢没有剥落层，但是存在一些犁沟。马氏体耐磨钢相比于两种奥氏体耐磨钢，表面出现了较多剥落坑。JFE表面剥落最严重，且剥落坑中存在大量剥落颗粒，而HD400与HD500表面疲劳坑较少，HD400表面附着有剥落颗粒，而HD500表面不存在剥落颗粒，但存在少量层片状凸起。由图6可知，5种耐磨钢表面都出现了大量的疲劳剥落坑，试样表面的剥落坑面积相比于200 N载荷下试样表面剥落坑的面积较大。5种耐磨钢中，中锰钢与HD500表面疲劳剥落层较少，而Mn13、HD400与JFE表面都存在大量剥落坑与层片状凸起。

石英砂磨擦下200 N、600 N载荷时各钢滑动磨损下表面形貌见图7，图8. 实验中使用摩擦的石英砂硬度约为900～1 100 HV，而中锰钢与高锰钢表面硬度均小于280 HV，HD400、JFE和HD500钢的表面硬度约为400 HV、450 HV和500 HV，因此属于硬磨料磨损。从图中可以看出，3种马氏体耐磨钢表面破坏机制主要为石英砂对其表面造成的凿削，而中锰钢与高锰钢表面既存在凿削，又存在犁沟。而在摩擦磨损过程中，凿削使表面材料直接脱离磨损面，因此直接造成磨损失重。

图4 不同条件下各耐磨钢的摩擦系数图

图5 干摩擦下载荷200 N时表面磨损形貌图

图6 干摩擦下载荷600 N时表面磨损形貌图

由图7可知，3种马氏体钢中，HD400表面凿削最严重而且存在大量由石英砂压入表面而造成的挤压变形与疲劳剥落，而JFE和HD500表面的凿削坑要浅而且表面挤压变形较少。在中锰钢的表面可以看见轻微的切削痕迹和犁沟，有较少的凿坑；Mn13材料的表面可以发现许多切削痕迹与凿坑，而中锰钢表面切削痕迹比较少，但是凿坑较多。

图7 石英砂摩擦下载荷200 N时表面磨损形貌图

图8 石英砂摩擦下载荷600 N时表面磨损形貌图

由图8可知，3种马氏体耐磨钢的表面凿坑与反复碾压形成的疲劳剥落增多，表面塑性变形程度加大，且此时HD500、JFE和HD400表面形貌差别不大，都可以看到大量凿坑和疲劳剥落。两种奥氏体耐磨钢表面的犁沟与切削相比于200 N载荷下的表面形貌减少，表面较为平整。

2.3 中锰钢的加工硬化性能

中锰钢在不同条件下的加工硬化能力见图9. 在600 N时，干摩擦和石英砂摩擦条件下，中锰钢亚表层硬度高达550 HV，高于其他3种马氏体钢。而在200 N石英砂条件下中锰钢亚表层最高硬度达450 HV；另外在200 N干摩擦时，中锰钢亚表层硬度为375 HV，加工硬化程度最小。

图9 中锰钢在不同条件下的加工硬化能力图

3 分析与讨论

干摩擦试验刚开始时，表面温度增加较慢。犁沟切削作用使初期阻力较大，其中摩擦产生的磨屑对其也有影响。随着磨损程度的加深，试样的接触面积增加，导致摩擦系数在磨损一开始较大，后期则呈逐渐下降趋势。磨损程度进一步加深，摩擦会导致温度上升，摩擦系数也变大。载荷的增大也会导致其温度升高，试样出现软化现象，摩擦系数降低。在200 N时，摩擦系数曲线出现逐渐上升的趋势；在600 N时，摩擦系数曲线则出现了先逐渐上升而后慢慢下降的现象。在石英砂摩擦下，其部分热量被石英砂带走，达到相对平衡后，可以保持一个较低的表面温度，这时温度对其影响较小。

在载荷不同的石英砂摩擦条件与干磨料磨损条件下，5种耐磨钢的耐磨性表现出了较大的差异。干磨料磨损时，3种马氏体耐磨钢中，JFE磨损最严重，这是由于JFE本身的组织中残余奥氏体分布不均匀，内部存在块状碳化物，碳化物硬度较高，在试样受到压应力时，碳化物与奥氏体之间较容易产生裂纹，因此造成材料剥落，故磨损失重最大。石英砂磨料摩擦时，石英砂的硬度比马氏体耐磨钢高，在磨损过程中，石英砂很容易对马氏体钢表面形成切削和犁沟，材料塑韧性越差，越易发生脆性裂纹的扩展；所以在添加石英砂磨料后，马氏体耐磨钢磨损量变大。

高锰钢锰含量较高，其稳定性好，加工硬化效果也不显著，而且硬度偏低，石英砂摩擦下，表面较容易产生变形，在石英砂反复的凿削与碾压下，高锰钢表面产生大量疲劳剥落与凿削，而且由于表面硬度较低，在高载荷的反复碾压下表面较为平整。

中锰钢在4种工况条件下都具有良好的耐磨性，尤其是在添加石英砂磨料后，其耐磨性相比其他4种耐磨钢更强。

4 结 论

1) 4种不同实验条件下，中锰钢耐磨性最优，在干摩擦与石英砂摩擦时，随法向载荷的增加，各钢的磨损量都有所增加。

2) 在干摩擦下，各钢的磨损机理主要为疲劳磨损；在石英砂摩擦下，各钢的磨损机理主要为磨粒磨损以及疲劳剥落。具体来说，中锰钢与Mn13磨损表面的破坏机制主要为犁沟与切削，而其他3种马氏体耐磨钢的表面破坏机理主要为凿坑与切削。

3) 中锰钢在600 N下，不管是干摩擦还是石英砂摩擦下其加工硬化显著，其亚表层硬度高达550 HV，表明其加工硬化程度与载荷有关。

4) 在干摩擦实验条件下，5种耐磨钢的摩擦系数先升高后降低，最后趋于稳定，而在添加石英砂磨料后，摩擦系数先升高，然后发生小范围的波动，并且摩擦系数随着载荷的升高而降低。