评估并改善钢的冲击磨损性能


由 于土方作业设备和相关工具受到各种磨损机制的影响,因此一般应用中,确定适用的最佳材料是个挑战。

与地面接触的工具的淬火和回火钢性能的选择通常与其他性能标准相关,例如疲劳度、缺口或断裂韧性。即使在松散的土壤施工,偶尔出现埋藏物或不可移除的障碍物时,也会产生冲击力; 淬火和回火钢的抗断裂性更好。

在一项研究中,为了获得高强度和抗冲击的钢,定制Mn-Si-Mo-V合金钢,以最小化凝固收缩孔隙度。研究3种化学成份:基础成份、基础成份+2 wt%镍
(Ni)、基础成份+1.5wt%镍(Ni)但不含钒(V),保持锰碳比为5-1(表1)。对钢进行热处理,平均的原始奥氏体晶粒尺寸为50-70μm,呈现条状马氏体微观结构,第一阶段的回火硬度为525-560HBW(53-55HRC)。屈服强度和极限拉伸强度平均为1482MPa(215ksi)和1930MPa(280ksi)。

镍的添加可有效提高拉伸塑性和冲击韧性。不含钒的合金表现出拉伸塑性与冷却间隔的依赖程度最低,并且在11%-7%之间变化。通过气刨磨损试验模拟冲击磨损,与目前使用的钢相比,合金钢的磨损降低27%-46%。

3种成份的合金都呈现了预期的第一阶段的回火马氏体微观结构,但测量的硬度低于预期。最明显的是,如表2所示,含镍(Ni)合金的试验硬度和实际测量值之间存在较大差异。Ni的添加降低了马氏体的初始温度和转化速率。

当低于392F(200℃)时,板状马氏体更易形成,并且对于基础成份+ Ni合金钢,预期可以产生多达20%的板状马氏体。金相结果似乎证实了计算的动力学。原始奥氏体晶粒尺寸的测量值与在淬火之前根据保温的时间和温度计算所得的尺寸一致(表2)。在对基础成份合金钢热处理时观察到的较小的晶粒尺寸可能是由于AlN或VN的晶粒钉扎导致。

通常情况下,拉伸性能随着与冷铁的距离而下降。一项使用相同铸件结构铸造Cr-Ni-Mo合金的研究显示,拉伸塑性与在断裂表面上测量的最大孔隙长度相关。研究中合金的拉伸断裂表面上的孔隙长度的测量工作正在进行,并将在稍后报告。当断裂伸长率小于4%时,可以观察到极限拉伸强度显著降低。

目前,尚无法证明在金相截面上随机收集的孔隙率的定量测量值与拉伸杆的测量截面上可能存在的最大缩松相关。然而,可以合理地假设,具有较高孔隙覆盖率的材料将表现出较低的拉伸塑性。基础成份与基础成份+Ni之间的孔隙覆盖率的比较支持这一观点。为了在基础成份+Ni的合金钢中获得大于9%的延伸率,要求孔隙面积的覆盖率小于0.024%、二次枝晶臂间距小于100μm。由于孔隙较大,对于具有较大二次枝晶臂间距的相同钢材,对低面积覆盖提出了更严格的要求。在基础成份+Ni合金中观察到,对于相同的0.024%的面积覆盖率,断裂伸长率为6.5%、二次枝晶臂间距为375μm。

对于基础成份合金,其拉伸塑性随冷却间隔的变化更为显著,而其他削弱因素不仅会产生较大的孔隙率,还可能导致较差的拉伸延展性。首先,II型(共晶)MnS夹杂物将降低拉伸塑性和缺口韧性。其次,拉伸断裂从易延展的微孔集聚型转变为脆性解理断裂。在基础成份+Ni金属液中也能观察到脆性断裂,但仅与孔隙度相关;与基线化合物相比,孔隙通常较小。

在最近的研究中,在HY80和HY100钢中观察到收缩孔处的解理断裂与具有板状形态的M7C3碳化物沉淀物相关。这些最后凝固的区域中合金含量较高,可能会助长粗大的片状碳化物形成。然而,在夏比V型缺口试样和拉伸试样中也观察到这种断裂特征。在本研究中,仅在拉伸测试时观察到解理断裂。此外,基于最后的15%液相中进行的碳化物稳定性研究不能预测M7C3的形成。

观察到“鱼眼”断裂特征,如果断裂是晶粒间的,这表明是含有氢元素引起的。据已发表的论文,因为氢残留引起的晶间或穿晶的解理断裂很大程度上取决于有害元素(P、Sb、Sn、As)偏析到晶界和随后的晶界凝聚强度的下降。通常情况下,在发电设备中使用的Ni-Cr-Mo型铸钢中研究氢脆化。这种钢材通常在高于572°F(300℃)的温度回火,将铁素体中的可溶性碳降低到与渗碳体(第3阶段回火)或二次硬化期间形成的合金碳化物处于平衡状态。升高的回火温度也促使杂质元素偏析到晶界。对于普通碳钢中的回火马氏体脆化和在磷存在下合金钢中的回火脆化,沿晶断裂也是常见的断裂模式。

本文研究了氢导致准解理断裂对H级钢的影响,并在此基础上减轻了有害元素偏析的影响。对于在302°F(150℃)回火的SAE 10B22钢,在第一阶段的回火钢中也有准解理断裂的报道。硼和碳都增强了晶界的内聚强度。这些是在无间隙原子钢的研发过程中总结出来的,其中沿晶断裂是冷加工脆化的特征。由于溶液中碳含量较高,现在可以认为第一阶段的回火有助于增强晶界凝聚强度。

缩孔的作用与气泡的形成类似,其中氢气在型腔内积聚并形成压力。收缩孔也可以视为不可逆的陷阱,其活化能量大于50kJ/mol。如果通过热处理没有完全除去氢气,则在奥氏体化时,热能足以将氢释放回缩孔附近的溶液中,奥氏体具有较高的氢溶解度。如马氏体高级高强度钢所表现出来的,缩松孔也可以起到压力冒口的作用并增强钢对氢的敏感性。

钢的氢损伤表现出应变率依赖性,在较慢的应变速率下发生更多的损伤。夏比冲击试验不能免受氢损伤,通过管线钢材已得到证实。氢损伤表现为韧性转变为脆性过程中的温度升到较高。温度的这种变化取决于浓度,并且偏移的幅度随着氢含量的增加而增加。从而,可以观察到由于氢诱导产生的断裂。可以合理地得出结论,具有超过1,860MPa(270ksi)的极限拉伸强度的空气熔炼钢可能会发生氢脆化,并且缩松可能需要更长的烘干时间来除去氢。因此,与这些超高强钢中的孔隙相关的解理断裂可能是发生氢损坏的迹象。

基础成份和含Ni合金的主要差异可以通过凝固模式来表述。在两个计算的相图中,首先使用基础化学反应,其中锰是独立变量,然后使用1.77wt.%的Mn和基础化学反应来绘制相图,其中Ni作为独立变量,只有基础成份可以通过包晶反应。

在夏比冲击试验中,通过吸收的能量测试的缺口韧性也显示出对于冷却间隔的依赖性。仅从最接近冷却的钢中获得大于20J(15ft-lb)的冲击能量。随着Ni含量的增加,缺口韧性增加,总体而言,基础成份+ Ni合金表现最佳。之前的奥氏体晶粒尺寸似乎不是影响因素,因为三种合金的测量值都在测量误差范围内(±10%)。MnS共晶凝固的作用尚未得到解释,但80ppm的硫含量相对较低,最接近冷却的基础成份的拉伸试样的断裂伸长率为8%,这对于具有极限抗拉强度为1986 MPa(288 ksi)的铸钢来说是合理的。

图4所示为气刨磨损数据与硬度的关系。图4a表明了微观结构的作用,并且可以看出最佳性能是基线+ Ni和奥氏体钢。图4b中是相同的数据,但结果按YS/UTS比率进行排序。第二行(远离冷却)的拉伸性能适用于本研究中的钢,因为磨损试样来自距离冷却最远的地方。气刨耐磨合金倾向于具有低YS/UTS比率。因此,从这项研究中得出的主要结论是,松散土质或砂子中的高硬度耐磨性可以与低YS/UTS结合以产生良好的气刨耐磨性。这种改进作用原理是快速的加工硬化速度可能会减少磨痕的切削深度,从而在每次磨削过程中,需要去除的材料量较小。

Ni在改善所测试材料的磨损性能中的作用似乎是降低屈服强度,使YS/UTS比较小,即当Ni的含量增加时,加工硬度更大。实验体的硬度低于本研究测试的三种合金。如前所述,较软的实验体可能会产生更显著的磨损,这是由于砂石在实验体上粘附并滚动,增加了测试钢材对砂石的接触和摩擦。Mn-C固溶体的缺陷对第一阶段回火马氏体钢的加工硬化的影响仍然是推测性的,但所得结果优于具有相似Ni含量的淬火和回火钢。基础成份钢的较高磨损率可能与孔隙率和II型硫化物的存在有关。

通过提高加工硬化速率改善淬火和回火钢的刨削耐磨性,其特点是屈服强度与极限拉伸强度呈现低比率(<0.8)。本研究中生产的合金是普遍适用的土方作业设备的极好的选择,使松散或沙质土壤中的双体耐磨硬度和对破碎和与破碎相关的抗刨磨冲击力的硬度较强。本研究中的合金材料尚未经过优化,但对于生产具有改进性能的新型钢材是一个好的开始。 ■
本文根据美国铸造协会在亚特兰大举办的2019美国铸造大会上发表的10-045论文改编。