高Ti耐磨钢TiC析出行为及耐磨机理研究

麻 衡，曹 阳

（山钢股份莱芜分公司技术中心，山东 济南271104）

1 前言

材料磨损是导致材料失效的一种重要形式，大约占了全世界一次能源无用消耗的1/3［1］，磨损是导致很多设备和工件迅速失效的主要原因，严重阻碍了当今社会的生产发展［2-3］，所以，如何使用现代技术来提高耐磨材料性能和提高易磨损件使用寿命是一个亟待解决和深入研究的课题。

碳化物颗粒增强的铁基材料具有较高的强度、硬度以及优异的耐磨性能，因此，碳化物颗粒增强型耐磨钢也成为了研究的热点［4-5］。TiC因其较高的熔点、硬度和强度、良好的热稳定性、良好的耐磨损性能、能与大多数金属基体润湿而受到广泛地研究与关注，常用来制备高强度、高硬度、高耐磨的钢基、铁基等金属基复合材料［6-8］。Y.Chen等通过激光熔敷技术于奥氏体不锈钢基材表面制备出原位自生TiC增强FeAl复合材料涂层，TiC/FeAl涂层在滑动磨损试验条件下表现出优异的耐磨性能［9］。

当前已开展了大量关于TiC增强型材料的研究，高Ti耐磨钢在恶劣服役条件下的应用研究也己经开展，因而讨论TiC作为硬质强化相在耐磨钢中的应用与研究TiC增强型耐磨钢在磨损条件下的磨损性能及磨损机理具有一定的理论与现实意义。

2 试验材料及方法

结合传统NM400钢种成分，设计一种耐磨性能优异的高Ti耐磨钢NM400G，如表1所示。熔炼成分中Ti含量0.2%，C含量为0.21%，其他元素含量及控制水平基本与NM400保持一致。

表1 高Ti耐磨钢NM400G成分（质量分数）wt%

钢坯加热过程中，加热参考时间按9～11 min/cm，出钢温度要求1 180±20℃，均热时间≮40 min，钢坯各点温差≯30℃。轧制过程中，采用双机架两阶段控轧工艺，精轧开轧温度控制在900℃左右，15～30 mm厚度NM400G钢板待温厚度控制为2倍成品厚度，轧后不水冷。轧制后钢板中析出相分布如图1所示，经过热变形，沿晶界分布的TiC析出相在钢板中呈扁球状分布，沿轧向分布特征明显。

图1 轧制后钢板中析出相分布

经测定钢种Ac3为864.92℃，选取钢种淬火加热温度为910℃，回火温度220℃。图2为热处理后高Ti耐磨钢与常规耐磨钢在金相和扫描电镜下的组织对比，可以看出组织均为马氏体板条，与常规耐磨钢NM400组织对比，高Ti耐磨钢马氏体板条尺寸更加短小。

采用金相显微镜和Feature全自动扫描电镜析出相统计设备对高Ti耐磨钢中析出相分布情况进行分析，对不同厚度处的析出相数量和尺寸进行统计。采用EBSD和TEM进行晶粒尺寸统计，分析TiC析出对精炼尺寸的影响规律。

图2 NM400与NM400G耐磨钢微观组织对比

磨损试验采用干砂/橡皮轮三体磨损试验机，分布从普通耐磨钢NM400、30 mm厚高Ti耐磨钢NM400G-30T和20 mm厚高Ti耐磨钢NM400G-20T上取尺寸为10 mm×57 mm×25 mm的试样，试样均为板厚1/4处取样，切好的试样表面经磨床加工，最终表面粗糙度1.6μm。每次磨损试验前、后均将样品表面处理干净，用精密天平称重、记录。本次试验分别在试验进行5 min、10 min、15 min时对样品称重记录。磨损试验机转速为200 r/min，砂粒尺寸为0.425 mm。

采用激光共聚焦显微镜对磨损试样取照并进行粗糙度统计，对磨损后形貌进行扫描电镜观察分析，分析TiC析出相对耐磨性能的影响机理。

3 析出相分析

采用金相显微镜和Feature全自动扫描电镜析出相统计设备对高Ti耐磨钢中析出相分布情况进行分析，观察高Ti钢板不同厚度位置的析出相分布规律。NM400G钢板不同厚度处的金相照片如图3所示，发现不同厚度处均有析出相析出，近表面表现为细小且数量较多，1/4及芯部相比近表面析出相的尺寸均要大些。

图3 30 mm厚NM400G钢板不同厚度处析出相分布规律

析出相由近表到芯部的数量是由多到少，然后又增加，尺寸则是先增大而后减小，这与金相直接观察的结果基本一致。分析析出相在近表面数量多且细小的原因是因为析出相在凝固前沿析出，铸坯急冷过程中会在近表大量形核，从而在进表面处细小均匀分布；1/4和1/2厚度处铸坯的冷却效果变差，析出相形核后有机会长大导致尺寸有所增大，且1/2厚度处中心等轴晶粒的形成可能会导致析出相数量减少。钢板近表面处析出相尺寸小且数量多对提高钢板表面的耐磨性能是有利的。

通过对小样进行电解腐蚀，观察钢板中析出相的形貌（见图4），结合扫描电镜和能谱分析发现析出相为TiC，TiC析出相一般有棒状、边部较为圆滑的球状、椭圆状等。

采用EBSD进行晶粒尺寸统计，如图5所示，从图中可以看出相比于常规NM400耐磨钢，NM400G高Ti耐磨钢晶粒尺寸明显更加细小，晶粒尺寸在10μm以上的数量极少，极大多数的晶粒尺寸在4 μm以下，这对耐磨性的提高有利。

图4 TiC析出相的扫描电镜

采用透射电镜对高Ti耐磨钢组织进行观察，结果如图6所示，可以明显看出常规耐磨钢板条宽度为500 nm左右，高Ti耐磨钢板条宽度为300 nm左右，分析是因为钢中产生的纳米析出相钉扎奥氏体晶界，加热过程中阻碍奥氏体晶粒长大，因此淬火后形成的马氏体板条也变得细小，细小的板条马氏体组织有利于提高钢板的耐磨性能。

图5 NM400与NM400G钢的晶粒尺寸统计

图6 NM400与NM400G钢的马氏体组织

采用透射电镜对TiC析出相进行了观察，观察结果如图7所示，发现TiC颗粒一般位于板条内部，且伴随着大量位错的存在，可以显著提高材料的力学性能，有利于材料耐磨性能的提升。

图7 NM400G钢的TEM形貌

4 耐磨性能评价

磨损失重测试结果如图8所示，可以看出NM400钢的耐磨失重为NM400G的1.32～1.37倍；30 mm和20 mm不同厚度的NM400G钢板耐磨性能相差不大。

图8 磨损失重统计

采用激光共聚焦显微镜对磨损试样取照并进行粗糙度统计，每个试样取3个不同位置进行测量，取平均值进行统计，见图9。由图9可知，NM400G钢表面磨损后磨痕深度浅、粗糙度值低，说明磨损试验中材料损失程度低。NM400的粗糙度较大，体现在峰高的均值、峰尖锐程度、峰+谷的平均宽度、最大峰-最深谷高度均高于NM400G试样，说明砂粒很容易对NM400进行磨损，NM400材料对砂粒的阻碍能力相对较差。

图9 试样磨损表面的粗糙度统计

对磨损后形貌进行扫描电镜观察分析，观察结果如图10所示，高Ti耐磨钢NM400G的磨损形貌均为磨粒磨损，表现为金属表面因塑性变形而出现较浅犁沟。有研究学者认为［10］，材料硬度越大其表面磨损后形成的犁沟越浅耐磨性能就越好。较细的晶粒尺寸结合坚硬的TiC粒子保证了基体较强的耐磨性，阻止磨损试验中干砂对基体更深的破坏，能较好地保护基体，提高了材料整体耐磨性。

图10 NM400G试样磨损后的SEM图

对高Ti耐磨钢抛光后的试样采用颗粒直径为0.013 mm的砂纸摩擦，摩擦墨痕见图11，在金相照片中观察发现，坚硬的TiC颗粒能减少基体的磨损，表现为磨痕在TiC颗粒周围减轻、间断或消失。

图11 NM400G摩擦试验金相组织

5 结 论

5.1 由于TiC在凝固前沿析出，析出过程与钢液凝固过程基本一致，TiC在轧后钢板厚度上的尺寸、数量分布情况为近表处TiC颗粒数量较多且尺寸细小，1/4厚度处TiC颗粒数量减少、尺寸增大，1/2厚度处TiC颗粒数量增加、尺寸又有所减小。小样电解试验表明，TiC形貌有棒状、粒状、球状。

5.2 高Ti钢在轧制后，沿晶粒析出TiC有明显的沿轧制方向拉长的趋势，在钢板中呈扁球状分布。相比普通耐磨钢，高Ti耐磨钢晶粒尺寸明显细小，大多数的晶粒尺寸在4μm以下，高Ti耐磨钢板条宽度为300 nm左右，这与Ti发挥微合金元素的作用、形成纳米析出相有关，纳米析出相钉扎奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，淬火后形成的马氏体板条也变得细小，对耐磨性的提高有利。

5.3 摩擦试验观察发现，磨痕在坚硬的TiC颗粒周围减轻、间断或消失，从而实现对基体的保护，减少了基体材料的磨损情况；同时，较细的晶粒尺寸结合坚硬的TiC粒子保证了基体较强的耐磨性，基体的破坏减少，材料整体耐磨性得到提高。NM400G相对耐磨性为NM400的1.32～1.37倍，不同厚度钢板的NM400G钢耐磨性相差不大。