| 作者： | 邓想涛 |
| 专业： | 材料加工工程 |
| 导师： | 王国栋;王昭东 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 东北大学 |
| 关键词： | 低合金耐磨钢;热处理工艺;力学性能;耐磨性能 |
| 摘要： | 磨损是材料失效的主要形式之一。据统计，80％以上的机械材料消耗于磨损，50％以上的装备恶性事故起因于过渡的磨损和润滑失效。因此，开发高性能的耐磨钢铁材料，对减少材料磨损过程中的损失、提高机械装备的使用寿命有着至关重要的意义。低合金耐磨钢作为一种重要的耐磨钢铁材料，因合金含量低、综合性能良好、生产灵活方便及价格便宜等特点，被广泛的应用于工程机械、矿山机械及冶金机械等设备的生产制造。本文以高级别的低合金耐磨钢NM500为研究对象，对其成分、组织进行设计，研究所设计成分体系下的马氏体、马氏体-铁素体和马氏体-纳米碳化物的控制情况，并分析了其控制工艺过程与组织、力学性能和三体冲击磨料磨损性能的关系，最终开发出马氏体型低成本、马氏体-铁素体型高韧性和马氏体-纳米碳化物型高耐磨性的低合金耐磨钢板。本文的主要内容和创新如下： (1)针对传统低合金耐磨钢中添加较多Ni、Mo等贵重合金甚至是稀土元素成本较高的缺点，首次采用在普通C-Mn钢的基础上加入少量Cr和B元素的低成本成分体系，开发出高级别的低合金耐磨钢板NM500。其中:抗拉强度＞1600MPa，布氏硬度＞500HB，延伸率＞10％，-40℃低温冲击＞30J，耐磨性能高于国外同等级别耐磨钢水平。 研究了该类钢的连续冷却相变行为、热处理前的热变形及热变形后的冷却工艺、热处理过程中的淬火和回火工艺对实验钢的强韧性控制单元如原始奥氏体晶粒尺寸、block尺寸、Lath尺寸和析出物的影响规律，并分析了其与实验钢的力学性能和三体冲击磨料磨损性能的关系。结果表明，较低温度的控制轧制后控制冷却至贝氏体区间，然后在880℃淬火和170℃回火，可得到最佳的硬度和韧性配合，并得到最高的耐磨性能。 分析了低温回火过程碳化物的析出情况与三体冲击磨料磨损的关系。结果表明，在低温回火初期，实验钢中出现50-100nm的长条状ε-FexC，该类碳化物能够增加材料的硬度，且对韧性损伤不大，有利于增强材料的三体冲击磨料磨损性能;随着回火温度的上升，出现了大量的Fe3C，该类碳化物聚集在原始奥氏体晶界周围，有利于裂纹的扩展，促进了断裂的发生，不利于材料的三体冲击磨料磨损性能。 (2)针对严寒地带等特殊工况条件-40℃低温冲击韧性的需求，提出采用两相区热处理的方法得到马氏体-铁素体双相钢来改善低温冲击韧性，进而达到改善耐磨性能和在严寒地带等特殊工况条件下应用的目的。 研究了铁素体的形态和数量的控制方法，并分析了其对实验钢组织、力学性能和三体冲击磨料磨损性能的影响。结果表明，通过合金元素Mo或热处理前的轧制和轧后冷却工艺控制，得到组织细小的针状铁素体或粒状贝氏体，然后在Ac3以下10℃左右的温度下进行两相区热处理，可得到铁素体的体积分数在3％-6％之间、-40℃冲击韧性大于50J、耐磨性高于单一马氏体型的马氏体-铁素体双相耐磨钢，满足了严寒地带的需求和提高耐磨性能的目的。 (3)提出了在高强韧板条马氏体基体上分布大量纳米碳化钛（钼）的方法来进一步增强钢铁材料耐磨性的思想，实现了“板条马氏体强韧性基体+纳米级TiC(或(Ti，Mo)xC)硬质颗粒状碳化物”的组织控制目标，达到了改善耐磨性能的目的。 通过轧制及轧后冷却过程的工艺控制，得到大量、细小、弥散分布纳米析出物，然后在离线热处理阶段对其保留并控制其长大和溶解，在随后淬火和低温回火时可得到马氏体上分布纳米碳化物的组织。研究了连续冷却相变过程、轧后冷却过程、离线淬火过程和回火过程中钛微合金化实验钢的碳化物、组织和力学性能的变化规律，分析了析出物控制给三体冲击磨料磨损性能带来的影响。结果表明，轧后采用超快速冷却至630℃的贝氏体相变区间，并随炉缓冷至室温，然后离线加热至880℃保温10min淬火，并在180℃下回火，可得到马氏体基体上分布大量纳米的TiC和(Ti，Mo)xC的实验钢，此时，耐磨性能最佳。 (4)研究了单一马氏体低成本型、马氏体-铁素体高韧性型和马氏体-纳米析出物高耐磨性型实验钢的三体冲击磨料磨损行为，并阐明了各自的磨损机理。 三体冲击磨料磨损性能分析表明，单一马氏体低成本型耐磨钢的相对耐磨性能是日本JFE生产的JFE-EH500的1.04倍，德国迪林根生产的DILLIDUR500V的1.33倍;马氏体-铁素体高韧性型耐磨钢的相对耐磨性能是单一马氏体钢的1.17倍;马氏体-纳米析出物高耐磨性型的相对耐磨性能是低马氏体成本型耐磨钢NGNM500的1.23倍、JFE-EH500的1.28倍、DILLIDUR500V的1.72倍。 在单一马氏体低成本型耐磨钢和马氏体-铁素体双相高韧性耐磨钢中，其耐磨性是硬度和低温冲击韧性共同作用的结果，只有在硬度和韧性良好配合的情况下才能得到更高的耐磨性能;而在马氏体-纳米析出物高耐磨性型耐磨钢中，其耐磨性除了受硬度和低温冲击韧性影响外，还受纳米析出物的影响。纳米析出物的细晶强化、析出强化作用及自身的高硬度是其耐磨性提高的原因。 本文的研究结果被推广应用至国内首钢、南钢、涟钢、湘钢以及武钢等大型钢铁企业。生产的钢板被应用于工程机械、矿山机械及冶金机械等设备部件的制造，并出口到英国、澳大利亚等十余个国家和地区，同时还获得了2012年度江苏省科学技术奖一等奖和2013年度国家重点新产品称号。此外，本文的研究结论作为研究成果的一部分，还获得了2013年度中国机械工业科学技术一等奖，取得了良好的社会效益和经济效益。 |