微量Nb 对低碳合金耐磨铸钢的力学及摩擦磨损性能的影响

白 云，孙亚肖，李富强，赵延阔

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213000）

0 引言

随着工程机械的不断发展，人们对耐磨铸钢的强度、韧性及耐磨性能的要求越来越高[1]。低碳合金耐铸钢的合金含量较低，且淬透性好，便于进行热处理，经淬火+低温回火处理后，能够形成低碳马氏体组织，硬度和强度比较高，综合力学性能和耐磨性能较好，应用范围相对广泛[2]。

Nb 作为一种强碳化物形成元素,在再结晶过程中,因NbC 对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用,从而大大增加了再结晶的时间。在高于临界温度时,Nb 元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制,而在低于临界温度时,则表现为析出钉扎机制。Nb 在钢中提高奥氏体的再结晶温度,从而达到细化奥氏体晶粒的目的[3]。因此，微量的Nb 可使钢得到较好的综合性能。

本工作主要研究微量合金元素Nb（≤0.1%）对低碳合金铸钢的性能的影响，并研究了Nb 微合金化低碳合金钢的滑动磨损机理。

1 试验方法

试验采用工业中频感应电炉熔炼，浇注成25kg 钢锭，成分表如表1 所示。使用箱式电阻炉进行水淬和回火处理。拉伸试验在WI-25 型油压万能材料试验机上进行，拉伸试棒直径为12.5mm，标距为50mm；冲击试验在JB-30B 型冲击试验机上进行，采用U 型缺口试样；材料的滑动耐磨性能在金属磨耗试验机上进行：转动速度185r/min，滑动速度0.387m/s，接触载荷为250、500、650、800N，干磨，试样对磨5×104周次后，用称重法称重每对试样的磨损量。磨损形貌的观测实验在S-3700 N 型扫描电子显微镜上进行。

表1 实际化学成分表 w/%

该材料经过水淬和回火处理。力学性能如表2 所示。

表2 Nb 元素对力学性能的影响

2 Nb 元素对性能的影响

从图1 可以看出，随着Nb 元素含量的不断增加，材料的抗拉强度和硬度明显升高，达到1535MPa，硬度达到46HRC。

图1 Nb 含量对强度的影响

表3 是耐磨钢在滑动磨损条件下的失重量情况,由此可知试样的耐磨性能随着Nb 元素含量的不断增加而增加，试样的磨损量随着试样加载而增加。Nb 元素含量增加到0.03 以后，其磨损量增加值逐渐变小。

表3 材料成分对摩擦结果的影响

图3 Nb 含量对耐磨度的影响

如图2～3 所示当材料中Nb 含量增加时，材料的耐磨性也出现了上升趋势，但是在Nb 含量达到0.06%以后，耐磨性能趋于平稳，与材料的硬度变化趋势一致。这是因为Nb 含量的增加促使碳化物随之增加，在热处理过程中作为奥氏体转变时新相的核心，抑制晶粒的长大，不仅提高了硬度，还有效改善了材料的冲击韧性，增强了抵抗磨粒磨损的能力[4]。

图2 Nb 含量对磨损量的影响

3 不同载荷下的滑动磨损机理研究

图4 是4# 试验材料在固定磨损转动速度185r/min 下,分别经250、500、650、800N 不同载荷条件下的摩损量曲线。从图中可知随着载荷增加，磨损量迅速增加。从250N 载荷下0.07g 的磨损量到800N 载荷下0.73g 的磨损量。

图4 不同载荷对磨损量的影响

图5 是试验钢在固定磨损转动速度185r/min条件下,分别经250、500、605、800N 载荷下磨损5×104周次后的摩擦磨损表面的电子扫描照片。由图5a 可以看出,在250～500N 载荷作用下,磨损表面有沟槽,也有少部分塑性变形,表层相对光滑,磨损机理主要是磨粒磨损。随着加载载荷的不断增大,在650N载荷作用下,磨损表面出现了明显沟槽，塑形变形面积增大,其磨损量也较大。在把载荷增加到800N 作用的条件下,磨损表面出现大面积的塑性变形，随着摩擦热的不断增加,导致磨损表面温度上升,磨损形貌上有大颗粒的剥落物粘着在磨损表面上,表现为粘着现象,其磨损量出现了快速上升,其耐磨性能明显降低。

图5 不同载荷下的磨损形貌

在干摩擦条件下，材料的磨损主要分为三个阶段：合金表面发生相互作用；在摩擦力作用下接触区表面材料性能发生变化：表面层的破坏和磨屑的脱落。

滑动磨损使表面微凸体发生剧烈破坏、压碎和塑性变形，产生脱落的金属微细颗粒；同时剧烈的变化产生大量摩擦热，摩擦热在试样表面与摩擦副之间聚集，温度升高，试样氧化，形成一层致密的氧化膜，氧化膜因较高的加载而破裂，转而产生大量微细氧化物颗粒，氧化颗粒主要是FeO、Fe2O3和Fe3O4，具有较高的硬度；金属微细颗粒与氧化硬质颗粒在摩擦副与试样之间沿摩擦副滚动方向滑动，刮擦试样，在试样表面形成匀细磨痕，加速试样磨损[5]。

加载越大，磨损初期越剧烈。随着磨损试验进行，滑动距离增加，温度增加，试样表面微凸体软化而发生塑性变形与摩擦副粘着，粘着磨损发生；氧化颗粒嵌入发生塑性变形的金属表面形成细小的擦伤和划痕，磨损进一步加剧。加载越大，试样温度越高，氧化磨损越剧烈。

4 结论

（1）Nb 含量达到0.6%时，抗拉强度可以达到1545MPa，硬度达到46HRC，磨损系数达到6.41，达到良好的综合使用性能。

（2）低碳合金铸钢在250～500N 载荷作用下,磨损机理主要是磨粒磨损。在载荷增加到800N作用的条件下,表现为粘着磨损。