冷轧高锰钢耐磨性及磨损机制研究

　　形变强化是一种使材料组织超细化、大幅提高强度硬度的处理工艺。研究发现[1],金属塑性变形后,内部将引入极高的变形能,使其直接从内部细化,材料中空位及位错等缺陷增加、晶格发生畸变[2]。材料的耐磨料磨损性能与材料的硬度密切相关,而形变强化可以大幅提高金属材料的硬度。因此,许多学者研究了形变强化对材料耐磨性的影响, M M Khr-uschov[3]对22种金属、合金和钢进行加工硬化,尽管所有材料在形变以后硬度都得到了大幅提高,但是在以刚玉砂为磨料的两体销盘磨损试验中发现,耐磨性几乎没有变化,有些情况下甚至下降了。他同时指出,当加工硬化材料的硬度大于或接近于磨料硬度时,形变强化可以有效提高金属材料的耐磨性。蒙肇斌等[4]利用乳化炸药对高锰钢ZGMn13进行爆炸预硬化,得出爆炸预硬化处理后试样表层平均硬度为常规水韧处理后(HB 170)的2~3倍,在以玻璃砂为磨料的冲蚀磨损试验中失重量显著降低,而耐磨性得到改善。

　　高锰钢冷轧以后可以得到高的变形量和硬度[5],然而关于冷轧对高锰钢耐磨性的影响及其影响机制还鲜见报道。本文作者以冷轧高锰钢为研究对象,以玻璃砂和石英砂为磨料,研究了冷轧高锰钢在不同磨料条件下的磨损性能,并应用MM Khruschov的磨损区域理论、E Rabinnowicz的磨损模型以及K H ZumGahr的磨损模型进行了分析,为拓展高锰钢的应用范围提供指导。

　　1　试验部分

　　1·1　试样制备

　　试验用高锰钢化学成分(质量分数)为:C1·13%; Mn12·5%; Si0·50%; S0·013%; P0·027%。采用中频感应电炉熔炼成钢

　　锭,固溶处理后热轧成4 mm厚的高锰钢板,在盐浴炉中经1 050℃加热20min,进行水韧处理,然后经过四道次冷轧至1·8 mm (4 mm→3·08mm→2·72 mm→2·24 mm→1·8 mm)。将4 mm的固溶高锰钢板及1·8 mm的冷轧高锰钢板叠制并用环氧树脂胶粘结,机加工至图1所示的尺寸,作为三体磨料磨损试样。

　　1.2试验方法

　　用HD-187·5型硬度计测试了各轧制道次高锰钢的硬度。磨料磨损试验装置采用自制三体磨料磨损试验机,其原理如图2所示,试验机轨道为热轧20#钢,硬度为HB 150,主轴转速为30 r/min,轨道半径170mm。试验用磨料采用280目玻璃砂及240目石英砂。试验载荷分别为: 18·6, 28·4, 36·1, 43·7, 51·4N。

　　试验时将试样预先跑合1·0 h,这时磨损接触表面的机加工痕迹已被消除,并接触良好,然后再进行正式试验。磨损时间为每隔30min用TG328A万分之一光电分析天平(感量0·01 mg)测一次失重量(W),共测4次取平均值。

　　2　结果与讨论

　　2·1　机械性能

　　表1给出高锰钢硬度随冷轧变形量的变化关系。容易看出,随着冷轧形变量的增加,高锰钢的硬度得到显著提高,变形量达到55%时,硬度达到HV 515,表现出了强烈的加工硬化行为。这表明冷轧可以大幅提高高锰钢的机械性能。