维普资讯 http://www.cqvip.com 铸造技术 ＦＯＵＮＤＲＹ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ ＶｏＩ．２５ Ｎｏ．７ Ｊｕ１．２００４ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏 体铸钢组织和性能的研究 刘志学，程巨强，王元辉 （西安工业学院材料与化工学院，陕西西安７１００３２） 摘要：研究空冷耐磨ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢的组织和性能，结果表明：正火、低温回火后组织由贝氏体铁素体（ＢＦ）和 奥氏体（ＡＲ）组成，具有良好的强韧性配合。分析ｚＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢的磨料磨损性能，并与耐磨钢ＺＧＭｎ１３ＣｒＭｏ 进行比较，说明该贝氏体耐磨钢具有良好的耐磨性。ｚＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢作为一种新的贝氏体类抗磨材料，可以替 代高锰钢作耐磨件。 关键词：ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢；组织与性能；磨料磨损 中围分类号：ＴＧ１４２、１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８３６５（２００４）０７—０５２６—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ Ｂａｉｎｉｔｅ Ｃａｓｔ Ｓｔｅｅｌ ＬＩＵ Ｚｈｉ—ｘｕｅ，ＣＨＥＮＧ Ｊｕ—ｑｉａｎｇ．ＷＡＮＧ Ｙｕａｎ—ｈｕｉ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｉｒ—ｃｏｏｌｉｎｇ ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ ｂａｉｎｉｔｅ ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｂａｉｎｉｔｅｄ ｆｅｒｒｉｔｅ ａｎｄ ｒｅｍａｉｎｅｄ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＺＧＭｎｌ ３ＣｒＭｏ，ｔｈｅ ａｂｒａｓｉｖｅ’Ｓ ｗｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ ｂａｉｎｉｔｅ ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｇｏｏｄ，ａｎｄ ｉｔ ｍａｙ ｂｅ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ａｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｂａｉｎｉｔｅ ｗｅａｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ ｂａｉｎｉｔｅ ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；Ｔｈｅ ａｂｒａｓｉｖｅ’Ｓ ｗｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 磨料磨损是矿山、冶金、电力、工程机械等行业磨 损件消耗金属材料的主要形式之一。如何提高耐磨件 材料的使用寿命，降低成本，是国内生产和研究部门急 需解决的问题之一。本文作者研制了Ｃｒ—Ｍｎ—Ｓｉ—Ｍｏ 系新型贝氏体耐磨材料，铸态或正火态组织由贝氏体 铁素体（ＢＦ）和残余奥氏体（ＡＲ）组成，具有良好的强 韧性配合及良好的耐磨性，是一种非典型或无碳化物 贝氏体组织，属于新型贝氏体组织。本文研究了中碳 新型贝氏体耐磨钢的组织特征、力学性能及磨料磨损 收稿日期：２００４ ０４—２６； 修订日期：２００４—０５ ２９ 特性，为新型贝氏体耐磨钢在工程应用奠定试验依据。 １ 试验材料及条件 试验材料选用新研制的贝氏体铸钢，材料牌号为 ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ，耐磨性试验对比材料为 ＺＧＭｎｌ３ＣｒＭｏ。冶炼采用５００ ｋｇ感应电炉，经熔清 废钢、炉前分析、预脱氧、加入硅铁等中间合金、终脱 氧，然后浇注成相关铸件及楔形试块。 用楔形试块测试材料的力学性能，抗拉强度试样 加工为ｏ１０ ｍｍ的标准短试样，冲击韧度试验加工为 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ×５５ ｍｍ无缺口试样。二体磨料磨损 采用销盘式磨料磨损试验，试验机型号为ＭＬ一１０型， 试样尺寸ｏ４ ｍｍ×２４ ｍｍ，三体磨料磨损采用冲击式 动载磨料磨损，试验机型号为ＭＬＤ一１０型，试样尺寸 ［２３程和法，黄笑梅，许玲．泡沫铝镁合金的压缩与吸能性的 作者简介：刘志学（１９６８ ），陕西大荔人，硕士生．研究方向：新型贝氏 体钢的应用与研究． Ｅｍａｉｌ：１ｚｘ６８３５＠１ ６３．ＣＯＩＴＩ （接５２２页） 能量既取决于流动应力的大小，又取决于应变的大小， 研究［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２００２（６）：１２—１４． ［３］ Ｊｏｈｎ Ｂａｎｈａｒｔ．Ｍ ａｎｕｆａｃｔｕ ｒｅ，Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ 正是由于泡沫铝独特的应力一应变响应方式，使其在相 对较低的流动应力下产生较大的塑性变形，从而能够 在较低的应力水平下吸收大量的外界能量，因此是一 种优异的吸能材料。 参考文献 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌ Ｆｏａｍｓ［Ｊ］． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００１（４６）：５５９—６３２． ［４］程和法．渗流法制备泡沫铝合金工艺的研究［Ｊ］．轻合金 加工技术，２００１（１）：３８—４２． ［５３胡时胜．霍普金森压杆技术ＥＪ］．兵器材料科学与工程， １９９１（１１）：４０—４７． Ｉｔ］王斌，何德坪，舒沟翼．泡沫铝合金的压缩性能及其能 ［６２胡时胜，王恒，潘艺，等．泡沫材料的应变率效应［Ｊ］． 量吸收［Ｊ］．金属学报，２０００，３６（１０）：１０３７—１０４０． 爆炸与冲击，２００３（１）：１３—１７． 维普资讯 http://www.cqvip.com 《铸造技术￣７／２００４ 刘志学等：ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢组织和性能的研究 表２ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢力学性能 Ｔａｂ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ ｂａｉｎｉｔｅ ｅａｓｔ ｓｔｅｅｌ １０ ｍｍ×１０ ｍｍ×３０ ｍｍ，磨料磨损试验参数见表１。 表１磨损试验参数 Ｔａｂ．１ Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｗｅａｒ ２．２磨料磨损试验结果 表３是二体磨料磨损和三体磨料磨损试验结果。 从表３可看出，二体磨料磨损状态下，线磨损量随载荷 增加而增加，ｚＧ３５ｃｒＭｎ２ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢的线磨损 量小于ＺＧＭｎ１３ＣｒＭｏ，在三体磨料磨损状态下，载荷 与线磨损量不呈直线型增加，但ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝 ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢热处理工艺采用 １ ０４０℃正火３２０℃回火，ＺＧＭｎ１３ＣｒＭｏ采用１ ０５０℃ 氏体铸钢的线磨损量小于ＺＧＭｎｌ３ＣｒＭｏ，试样磨损表 明，在冲击功较大时（如３．４３ Ｊ），ＺＧＭｎ１３ＣｒＭｏ发生 较大变形，磨损面４周会产生可视裂纹。 表３磨料磨损试验结果 Ｔａｂ．３ Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｒａｓｉｖｅ’Ｓ ｗｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 水韧处理。组织观察采用Ｎｅｗｐｈｏｔ一Ⅲ型光学显微镜 和Ｈ一８０００型透射电子显微境，用Ｄ／ｍａｘ－３Ｃ全自动 Ｘ＿射线衍射仪进行物相分析及磨损面磨损前后残余 奥氏体量测量。用表面洛氏（ＨＲＮ４５）硬度计测量磨 损面磨损前后硬度变化，用ＴＧ３２８Ｂ型分析天平测量 材料及线磨损 二体磨 ０．５三体磨损冲￣Ｊ／Ｊ ０．４９１．９６３．４３磨损前后试样质量，用游标卡尺（分度值０．０２ ｍｍ）测 量试样磨损前后长度变化。 ２试验结果及分析 新型贝氏 体铸钢ｚｃ…ｃ 线磨损／ （ｒｎｇ／ｃｍ） 一 ２．１ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢力学性能及组织 特征 ２．３磨损面磨损前后硬度和残余奥氏体量变化 图２是测得ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ及ＺＧＭｎｌ３ＣｒＭｏ 表２是ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢１ ０４０℃ 正火＋３００℃回火后的力学性能，由表２看出，正火处 钢冲击磨损磨损面磨损前后表面硬度的变化。从图可 见，ＺＧＭｎ１３ＣｒＭｏ具有极强的加工硬化能力，不受冲 击载荷时，单相奥氏体洛氏硬度仅为１８．５ ＨＲＣ （２１８ＨＢ），而在较大的冲击载荷（３．４３ Ｊ）作用下，硬度 升高幅度很大，如冲击能量为３．４３ Ｊ时，表面硬度可 达５１ＨＲＣ，ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体钢也发生加工 硬化现象，达到较好的硬化效果，如ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ 由原始的硬度５０ＨＲＣ提高到６０ＨＲＣ。图３时新型 理后该材料具有较高的淬硬性，硬度达到４９～ ５２ ＨＲＣ，无缺口冲击韧度可达到５８～８５ Ｊ／ｃｍ。，具有 良好的强韧性。图１是其光学及ＴＥＭ照片。可以看 出形成的贝氏体组织呈板条状，结合ｘ一射线衍射图 谱，分析组织为贝氏体铁素体（ＢＦ）和残余奥氏体 （ＡＲ），即新型贝氏体组织，在透射电子显微镜下可以 明显的观察到ＢＦ板条（图１（ａ））和分布在ＢＦ板条之 间的ＡＲ（图１（ｂ））的形貌。 贝氏体铸钢和高锰钢在冲击功为３．４３ Ｊ条件测得磨 损面亚表层硬度分布曲线，可以看出其加工硬化情况。 （ａ）光学显微组织×４００ （ｂ）ＴＥＭ显微组织×２００００ 图１ ｚＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢显微组织 （ｃ）ｂ图的暗场形貌×２００００ Ｆ ．１ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ ｂａｉｎｉｔｅ ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ 维普资讯 http://www.cqvip.com ＶＯ１．２５ Ｎｏ．７ Ｆ０ＵＮＤＲＹ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｊｕ１．２００４ ０ 雹 ０．４９ １．９６ ３．４３ 冲击功／Ｊ 图２不同冲击能量磨损面硬度变化 Ｆｉｇ．２ Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｗｅａｒｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ７ｏｏ ＞６００ 蠢 ｏｏ 萎４ＯＯ ＿司３００ ２００ ２ ４ ６ ８ ｌ０ ｌ２ 距磨面的距离／ｌＩｌｍ 图３磨损面亚表层硬度分布（冲击功３．４３ Ｊ） Ｆｉｇ．３ Ｓｕｂ－ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｒｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ （Ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｉｓ ３．４３ Ｊ） 图４是从ＺＧ３５ＣｒＭｎＳｉ２Ｍｏ及ＺＧＭｎｌ３ＣｒＭｏ试样 磨损前后Ｘ＿射线衍射图谱，从图看出，ＺＧＭｎｌ３ＣｒＭｏ磨 损前后其衍射峰均为奥氏体峰，无铁素体峰存在，磨损 后奥氏体峰变低而宽化（图４（ａ）），ＺＧ３５ｃｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ 磨损后奥氏体峰变的很低，几乎消失，磨损前后奥氏体 量变化较大，经测定磨损前ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ其奥氏 体含量为１１．６ ，而磨损后奥氏体含量仅为０．６８ ， 因此，ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ中残余奥氏体大部分在磨损 过程中发生转变，形成马氏体，ＺＧＭｎｌ３ＣｒＭｏ在本测试 的条件下不发生马氏体相变，其硬度增加是通过形变 加工硬化所致。 ２．４ ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体组织中残余奥氏体对 耐磨性的影响 ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ钢合金化时加入一些阻碍碳 化物形成元素（如Ａｌ、Ｓｉ等），在铸态或正火热处理后 形成的贝氏体是一种新型无碳化物贝氏体或非典型贝 氏体，研究认为Ｌ１ 该贝氏体组织是贝氏体转变的初级 阶段产物，组织为贝氏体铁素体（ＢＦ）和残余奥氏体 （ＡＲ），经一定温度回火ＡＲ具有较高的稳定性，形成 该新型贝氏体组织。 关于组织中的奥氏体对耐磨性的影响存在不同的 观点 ］，有些观点认为残余奥氏体可以改善耐磨性， 有些认为残余奥氏体对耐磨性有害，钢的组织中应尽 量减少。通过本试验结果分析认为，新型贝氏体钢中， 残余奥氏体对改善耐磨性有利，主要是由于新型贝氏 体组织中的贝氏体不耐磨。通过本试验结果分析认 为，新型贝氏体钢中，残余奥氏体对改善耐磨性有利， 主要是由于新型贝氏体组织中的贝氏体铁素体（ＢＦ） 具有较高的破断抗力和韧性，残余奥氏体是高的过饱 和碳的固溶体，承受载荷时，产生马氏体相变形成高碳 马氏体，硬度很高，形成硬质点，分布在韧性基体上，硬 质点抗磨损，韧的基体破断强度高，使磨损难以脱落， 提高耐磨性。 ２ ０／ｏ （ａ）ＺＧＭｎｌ ３ＣｒＭｏ铸钢 ２ ０／。 （ｂ）ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ铸钢 图４磨损前后磨损面Ｘ一射线衍射图谱 Ｆｉｇ．４ ＸＲＤ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｆｏｒ ｗｅａｒｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｗｅａｒｉｎｇ ３ 结论 （１）ＺＧ３５ｃｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢正火低温回 火处理后组织为贝氏体铁素体和奥氏体，具有较高的 强韧性和良好的耐磨性。 （２）本试验磨损条件下，ＺＧ３５ＣＲＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏 体铸钢磨损过程发生残余奥氏体向马氏体转变，硬度 提高是由于奥氏体发生马氏体转变所致。高锰钢磨损 过程不发生马氏体转变，硬度提高是通过塑性变形产 生加工硬化所致。 （３）ＺＧ３５ＣｒＭｎ２Ｓｉ２Ｍｏ贝氏体铸钢中残余奥氏 体不仅改善韧性，而且对提高其耐磨性有利。 参考文献 Ｅ１３程巨强，康沫狂．贝氏体转变过程的阶段性及类调幅分 解［Ｊ］．材料热处理学报，２００３（１）：４９—５１． ［２］赫罗绍夫Ｍ Ｍ，迟比契夫Ｍ Ａ．金属的磨损［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，１９６６． ［３］高彩桥．摩擦金属学［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版 社，１９８８．
