高锰钢在低冲击能和腐蚀条件下的磨损行为

摘要

研究了高锰钢在三种冲击能量作用下在酸性铁矿浆中的磨损行为。采用MLDF-10试验机进行磨损试验，冲击能量分别为0.7 J、1.2 J和1.7 J。根据磨损质量损失曲线，比较了高锰钢在腐蚀条件下的冲击磨损性能。通过对磨损表面的扫描电镜分析和磨损表面垂直截面的光学金相分析，分析了磨损机理。结果表明，冲击能对其冲击腐蚀磨损性能有很大影响。腐蚀条件下的磨损机理主要是微犁和在0.7 J冲击能量下塑性变形脊和楔的断裂。主要是1.2 J以下塑性变形脊、楔的拼焊和长时间试验后1.7 J以下加工硬化层的剥落。

1.介绍

高锰钢(HMS)在1882年由罗伯特·哈德菲尔德(Robert Hadfield)发明后，由于其在冲击下具有巨大的加工硬化能力，至今仍被用于铁路部件，如十字路口和搬运岩石设备。1］．

衬板广泛应用于湿磨机、冶金矿山、电力等行业。HMS经常规热处理工艺水淬后由奥氏体组成，硬度较低[2］．但在高负荷下使用产生加工硬化，是一种典型的耐磨材料。因此被广泛应用于衬里板。HMS作为湿磨机的衬板，不仅要承受冲击和磨损，而且还要承受泥浆的腐蚀。目前，部分研究人员致力于研究HMS对高负载下磨损机制的影响[3.，4］．许多研究人员试图用第二相粒子来改善HMS的性能[5- - - - - -7］．关于HMS在腐蚀条件下的冲击磨损性能的研究较少。在高负荷条件下，通过加工硬化可以提高耐磨性，磨损质量损失主要来自淬火层的弹簧。但在湿磨机中使用的衬板，其负荷不会太高，从而造成较大的加工硬化。目前，衬板在较低的冲击、磨损和腐蚀条件下运行。因此，研究低冲击能条件下HMS的冲击腐蚀磨损机理具有重要意义。

2.实验

2．1．实验材料

本实验使用的HMS组成如表所示1．水淬后，获得单相奥氏体，其硬度为226 HB，冲击韧性为147 J cm^－2，如表所示1．冲击韧性(，定义为试样吸收冲击能量除以试样横截面面积)，根据Mesnager准则进行测量;样本大小为10 mm10毫米55毫米。

2．2.冲击腐蚀和磨损试验

本次研究使用的冲击腐蚀磨损试验机为MLDF-10试验机。如图所示1．冲击腐蚀磨损试样尺寸为10mm10毫米30毫米。试验前将样品用丙酮在超声波清洗机中清洗干净，烘干称量后固定在测试仪上。以体积为3:5的铁-水混合物为介质，模拟其运行条件。晶粒尺寸为3 ~ 5mm，显微硬度为766 ~ 1097 HV。浆料的pH值为2.0-2.5。上试样随冲击锤往复运动，下试样连续旋转，下试样由GCr15钢制成。铁石磨料在搅拌作用下进入摩擦表面之间的空间。根据上部试样下落高度测量的冲击能量分别为0.7 J、1.2 J和1.7 J。试样连续经受冲击腐蚀和磨损，在超声波清洗机中用丙酮每2小时清洗一次，然后烘干称量。测量样品的质量损失，然后计算三种样品的平均值。 The worn surface was observed by a Sirion-200 FEG SEM, the subsurface microstructure of the samples was analyzed by Olympus optical metallographic microscope, and then the impact and corrosion abrasion mechanism of the HMS was discussed.

3.结果和讨论

3．1.不同冲击能量下HMS的冲击腐蚀与磨损性能

三种冲击能量水平下酸铁矿浆中HMS的磨损质量损失与磨损时间的关系如图所示2．在相同的试验时间内，钢的磨损质量损失随着冲击能量的增加而增加，说明冲击能量是冲击腐蚀磨损条件下的一个重要因素。在冲击能量为0.7 J、1.2 J和1.7 J时，HMS的磨损质量损失曲线与试验时间呈线性关系，表明在此条件下，HMS的磨损机理可能是恒定的。在0.7 J以下曲线的斜率小于其他曲线。对于1.7 J，在这三条曲线中斜率最大。本节将对其磨损机理进行分析3.2．

３．２．不同冲击能量下HMS的磨损机理

3.2.1之上。0.7 J以下的磨损机理

HMS的磨损表面形貌(图3(一个)，3 (b))，分别在酸性铁浆中磨损8小时和16小时后，磨损表面出现多沟和少量小坑。当试验时间延长至16小时时，出现小块或带状的塑性变形垄，比8小时时犁耕严重。

当固体颗粒以高冲击角度撞击金属时，材料的去除主要是由于重复的塑性变形。由于HMS在发生明显的加工硬化前硬度较低，在法向应力作用下，磨料颗粒可以压入钢的表面。同时，磨粒沿磨损面滑动，形成沟槽。由于HMS的韧性高，冲击能量低，切屑不易形成，只发生微犁现象。推到沟槽两侧的材料形成塑性变形脊，推到沟槽正面的材料形成塑性变形楔。经过反复的塑性变形，脊和楔越来越大。在随后的磨损过程中，这些突出的区域反复受到冲击或变形，最终破碎形成磨削。

此外，磨损8小时后，磨损表面的蚀坑减少，没有发现腐蚀产生和其他腐蚀痕迹，说明在此条件下，腐蚀对HMS的冲击磨损可能没有明显的作用。磨损16小时后，腐蚀坑数量明显增加。这可能是应力和腐蚀的共同作用。

3.2.2。1.2 J下的磨损机理

在1.2 J的冲击能量下，HMS经过8小时和16小时的冲击磨损后的磨损表面形貌如图所示4．如图所示4(一)时，沟数减少，而塑性变形脊和楔数明显增加。由于塑料变形的脊和楔的剥落，新表面暴露出来，这使沟更短。随着试验时间的延长，表层的挤压和剥落加剧，沟槽变得模糊，如图所示4 (b)．

上述现象与HMS的性能和冲击能有密切的关系。磨损前HMS的成分完全为奥氏体。在冲击力的作用下，变形会使其硬化。显然，随着冲击能量的增加，变形和挤压量增加，塑性变形脊和楔变大。同时，提高了磨粒沿磨面滑动的阻力。结果，犁沟的数量和长度都减少了。

在形成塑性变形脊和楔时发生塑性变形和加工硬化。塑性变形脊和楔中存在大量的位错，使其韧性降低，断裂可能性增大。在硬化区与未硬化区界面处易形成微裂纹，沿塑性变形脊、楔根部断裂(如图所示)5)．

磨损表面的小腐蚀坑是腐蚀的结果。在冲击磨损过程中，HMS形成塑性变形脊和楔，突出区内能高于杯状区;在腐蚀介质中形成变形槽，其中突出区域为阳极，杯状区域为阴极[8］．由于HMS本身具有良好的耐蚀性，且被测钢的变形量不是很大，只在钢的表面形成一些小的腐蚀坑。

3.2.3。1.7 J下的磨损机理

在1.7 J的冲击能量下，冲击磨损8小时和16小时后的磨损表面形貌如图所示6．可以看出，材料的新表面占据了磨损表面的大部分区域，表明在这种情况下，拼焊磨损是主要的磨损机理。磨损表面也有塑性变形的脊、楔和小腐蚀坑。从图中可以看出6 (b)一大块材料在磨损16小时后会从磨损表面脱落。

根据N. P. Suh和Y. Y. Yang的分层理论[9]，磨损质量损失过程是在亚表面形成微裂纹和空腔，平行于表面延伸并在薄弱区域返回表面，最终导致表面局部剥落的过程。在冲击载荷作用下，在磨损表面附近形成变形层，其中位错的纠缠和交叉导致其字硬化(图)7)．最后在硬化层和未硬化层的边界处出现微裂纹(图)8)．经过长时间的冲击腐蚀磨损后，微裂纹延伸到磨损表面，腐蚀介质渗透到微裂纹中(从图中可以看出裂纹分支和二次微裂纹的现象)8)，会加剧微裂纹的扩展和材料的腐蚀，最终导致硬化层剥落(图)8)．由于冲击腐蚀与磨损的相互作用，该工况下的磨损量最大。

4.结论

(1)在冲击腐蚀磨损过程中，高锰钢的磨损质量损失随着冲击能量的增加而增加。冲击能对高锰钢的冲击腐蚀磨损性能有很大的影响。

(2)在酸性铁矿浆中，高锰钢的冲击腐蚀磨损机理主要是在0.7 J冲击能量作用下的微犁和塑性变形脊、楔的断裂。当冲击能量为1.2 J时，短时间内进行微犁和二次微切割。随着试验时间的延长，磨损机理转变为塑性变形脊、楔的拼焊。当冲击能量为1.7 J时，经过长时间的试验，磨损机制主要是加工硬化层的剥落。

致谢

安徽省教育厅自然科学研究基金(KJ2009A094)、合肥工业大学博士科研专项基金(KJ2009A094)、科技型中小企业创新基金(09C26213404170)对本文的资助。

参考文献

1. R. W. Smith, A. de Monte，和W. B. F. Mackay，“重型铸造成形用高锰钢的发展”，材料加工工艺学报，第153-154卷，第2期。1-3，页589-595,2004。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. Z.-M。他,Q.-C。江,X.-B。傅,j。“提高奥氏体锰钢在非严重冲击载荷条件下的加工硬化能力和耐磨性”，穿号，第120卷。3，第305-319页，1987。视图:谷歌学者
3. F.-Q。祖茂堂X.-Y。李,L.-J。刘，吴伟，“高锰钢的微观组织和加工硬化机理的模拟研究，”材料与热处理学报第27卷第2期2，第71-74页，2006。视图:谷歌学者
4. l .方中州。徐,Q.-H。岑,黄永发。“哈德菲尔德锰钢的冲击磨损行为”，中南工业大学学报，第12卷，第2期2，页150-154,2005。视图:谷歌学者
5. 周宏儒。歌,G.-S。“碳化钨增强高锰钢基复合材料的冲击磨损性能”，铸造技术第26卷第2期6，页468 - 469,2005。视图:谷歌学者
6. Lu D. H.，“原位TiC颗粒增强高锰钢复合材料的制备及力学性能”，铸造技术，第25卷，第2期2，页120-122,2004。视图:谷歌学者
7. 张刚，刘刚，邢建军，高勇，陈建军，“复合材料的制备及其耐冲击磨损性能${\text{WC}}_{\text{p}}$/ Mn13表面复合材料。”西安交通大学学报第39卷第3期7，页757-761,2005。视图:谷歌学者
8. J. Heidemeyer，“混合摩擦中金属塑性变形对其化学反应速率的影响”，穿第66期3，第379-387页，1981。视图:谷歌学者
9. y y。杨,H.-S。方,Y.-K。郑,Z.-G。杨,Z.-L。蒋，“白层在冲击磨损中的失效模式”，穿第185卷第1期1-2，第17-22页，1995。视图:谷歌学者

版权

版权所有©2009杜晓东等。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。