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材料耐磨原理及耐磨材料姓名：学号：班级：1.设计一个实验方案，研究亚共晶高铬铸铁中碳化物的种类（M3C型和M7C3型）、形态（网状、断网状）对其三体磨料磨损性能的影响，特别注明方案中各步骤和研究方法的目的和预期结果。实验方案：（1）因为碳铬比例变化时，高铬铸铁中的碳化物类型也会变化，当碳高铬低时出现M3C型碳化物，碳铬含量适当时出现M7C3型碳化物，参考《耐磨材料应用手册》配置适当的化学成分制作式样A（高碳低铬，主要出现M3C型碳化物）B（碳铬比例适当，主要出现M7C3型碳化物），两式样其他化学成分相同，处理方法相同。（2）在洛氏硬度试验机上进行硬度试验。（3）在磨料磨损试验机上进行三体磨损试验。（4）采用光电分析天平对式样磨损试验前后进行称重。实验方案：（1）在成分设计时碳含量可以适当调整以保持碳化物数量保持不变，因此所引起的性能变化基本上是碳化物类型的变化引起。（碳化物体积分数约在26.6％—32％，只有在w（Cr）为21％—31％的式样中碳化物体积分数达35％）（2）参考《耐磨材料使用手册》设计高铬铸铁的化学成分，铸造一系列式样。（3）将式样在磨料磨损试验机上进行三体磨损试验。（4）采用光电分析天平对式样磨损试验前后进行称重。试验预期：（1）式样A的硬度以及耐磨性小于式样B（2）随着碳含量的增加，碳化物由网状向短网状发展，耐磨性增加。2.对比分析高锰钢和高铬铸铁的组织、力学性能、耐磨性特点及各自的应用领域。答：高锰钢是指含锰量在10%以上的合金钢。高锰钢的铸态组织为奥氏体+碳化物，经过水韧处理后得到单相奥氏体组织。奥氏体高锰钢具有很高的塑性、韧性和低的抗裂纹扩展性能，但是其硬度不高。奥氏体组织的高锰钢受到冲击载荷时，金属表面发生塑性变形。形变强化的结果，在变形层内有明显的加工硬化现象，表层硬度大幅度提高。低冲击载荷时，可以达到HB300～400，高冲击载荷时，可以达到HB500～800。随冲击载荷的不同，表面硬化层深度可达10～20mm。高硬度的硬化层可以抵抗冲击磨料磨损。高锰钢在强冲击磨料磨损条件下，有优异的抗磨性能，故常用于矿山、建材、火电等机械设备中，制作耐磨件，如：破碎机锤头、鄂板、轧臼壁、挖掘机斗齿、铁道道岔、拖拉机和坦克履带等。在低冲击工况条件下，因加工硬化效果不明显，高锰钢不能发挥材料的特性。高铬铸铁是指含铬量（质量分数）大于12%的白口铸铁。当铸铁中的含铬量大于12%后，由于铬对铁碳相图的影响使得铸铁组织产生变化。从相图可知，高铬铸铁中的碳化物有（Fe、Cr）23C6、（Fe、Cr）7C3和（Fe、Cr）3C三种类型。当碳高铬低时，容易出现M3C型碳化物，当低碳高铬时容易出现M23C6型碳化物。高铬铸铁的铸态组织通常由于铸件壁厚不同，使得冷却速度不同而具有不同的组织，它们可能是珠光体、马氏体、奥氏体等，但通常由于微观偏析、元素扩散等方面的原因，高铬铸铁的基体组织往往是这些组织等的混合物。一般会根据工况条件，采用不同的热处理会得到不同的组织，从而导致其力学性能不同。一般来说，随着碳含量的提高，强度性能下降，这是由于碳化物数量增多造成的。对于韧性来说，当碳化物数量较少时，不同基体的数据相差较大，而随着碳化物数量增加，差距逐渐减少。硬度取决于高铬铸铁中碳化物的硬度、数量及基体组织。一般来说，共晶碳化物M7C3+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体组织为硬化态，其HRC56；共晶碳化物M7C3+二次碳化物+珠光体为软化态组织，其HRC45。高铬铸铁一般适用于两体和三体磨料磨损情况，两体磨损以显微切削为主，而三体磨损为显微切削与显微塑变疲劳的共同作用为主，并且碳化物的类型、形态、体积分数和基体组织的力学性能对高铬铸铁的耐磨性能有重要的影响。高铬铸铁具有较高的含铬量、良好的硬度、耐蚀性和抗氧化性，因此广泛应用于各种磨料磨损场合及各种高温磨损和腐蚀磨损的工况，如：球磨机的磨球、磨盘、磨辗、破碎机的小锤头、小型轧钢的导位板及衬板等。3.耐磨低、中、高合金钢各自用到的哪些合金元素、各自的作用有哪些？答：耐磨低合金钢具有良好的耐磨性和强韧性综合力学性能，成本较低。合金元素总质量分数不超过5%，常用的合金元素有Cr、Mo、Mn、Ni、RE等。耐磨中合金钢中合金元素总质量分数为5%～10%，常用的合金元素有Cr、Mo、Mn、Si、W、V、Cu、RE、P、S等。耐磨高合金钢合金元素总质量分数超过10%，常用合金元素有Cr、Mo、Ni、Si、Mn、Ti、RE、W、V、Al、Co、Nb、P、S等。Cr作用为强化基体、细化组织，缩小奥氏体区，降低MS点，使奥氏体等温转变图右移、提高淬透性，产生二次硬化。Mo作用为强化铁素体，提高高温性能，降低或消除回火脆性，形成特殊碳化物，改善高温高压抗氧腐蚀倾向，缩小奥氏体区，提高淬透性、降低MS点，降低过热敏感性，产生二次硬化。Mn作用为强化基体，提高强度、硬度、耐磨性，在低含量范围内增加回火脆性，在高含量范围内，作为主要奥氏体化元素，扩大奥氏体区，增加热敏感性，提高淬透性，产生二次硬化。Ni作用为扩大奥氏体区、低含量时细化组织，强化基体、提高强度而不显著降低塑性，不形成碳化物、扩大奥氏体区、降低MS点，提高淬透性，不改变回火脆性，产生二次硬化。RE作用为脱硫、脱氧、净化钢液，细化组织，改善铸铁组织，提高钢的综合力学性能和耐磨性。Si作用为强化铁素体、提高屈强比、提高耐热性和耐腐蚀性、降低韧性和塑性，作为氧化剂时细化组织，中含量时粗化组织。有增加回火脆性倾向，不形成碳化物、溶于α-Fe或γ-Fe中、缩小奥氏体区，对MS点影响不大，降低热敏感性，使奥氏体等温曲线右移、提高淬透性，恶化焊接性，延迟回火温度、使回火温度提高。Cu作用为强化铁素体、形成碳化物、扩大奥氏体区，提高耐磨性，使奥氏体等温转变图右移、提高淬透性，降低MS点，不改变回火脆性。P作用为强化铁素体能力最大，钢中含磷较高时、导致冷脆性，改善切削性能，恶化焊接性，扩大气腐蚀作用显著，增加回火脆性，粗化组织、缩小奥氏体，提高淬透性。S作用为缩小奥氏体区，降低淬透性，恶化焊接性，为有害元素。Al作用为良好的脱氧作用、细化晶粒，提高抗氧化性及抗酸类的腐蚀能力，缩小奥氏体区、提高MS点，高含量将降低钢液的流动性，增加回火脆性倾向。V作用为含量少时，细化晶粒、提高韧性，含量高时，形成碳化物、提高高温强度和抗蠕变性能、但在高温下使韧性降低，形成碳化物、缩小奥氏体区、使奥氏体等温转变图右移，降低MS点，降低过热敏感性，溶于固溶体时提高淬透性，形成碳化物时降低淬透性，成碳化物时延迟回火温度，可在较高温度回火，改善焊接性，有增加回火脆性的趋势。Ti作用为脱氧、细化晶粒，强化铁素体，形成碳化物、缩小奥氏体区，使得奥氏体等温转变图右移，降低过热敏感性，溶于固溶体时提高淬透性、形成碳化物时降低淬透性，形成碳化物时，延迟回火温度、可在较高温度下回火，改善焊接性。Nb作用为细化晶粒，是形成贝氏体的有利因素，在不锈钢中改善抗晶间腐蚀性能，形成碳化物、缩小奥氏体区，防止过热、减少晶粒长大倾向，提高钢的硬度、强度、韧性及淬硬性，改善焊接性。W作用为形成碳化物，缩小奥氏体区、使得奥氏体等温图右移，降低MS点，降低过热敏感性，溶于固溶体时提高淬透性，形成碳化物，降低淬透性，延迟回火温度，可在较高温度下回火，减少回火脆性。Co作用为不形成碳化物、扩大奥氏体区，使得奥氏体等温转变图左移，提高MS点，降低淬透性，延迟回火温度，可在较高温度下回火，降低过热敏感性。4.分析耐磨铸铁的种类、其发展历程和各自的耐磨性特点和成本等。根据铸铁中高碳相的存在形态，工程上将耐磨铸铁分为耐磨白口铸铁和耐磨球墨铸铁两大类。根据耐磨白口铸铁中主要合金元素的种类与添加量的多少，又可将其分为普通白口铸铁、镍硬铸铁和铬系白口铸铁等。耐磨球墨铸铁则主要指马氏体球墨铸铁、贝氏体球墨铸铁和中锰球墨铸铁。对于普通白口铸铁来说，其历史比较悠久。直到目前仍广泛地应用白口铸铁作为一般的耐磨件，如面粉机磨辊、球磨机磨段和清理设备中的铁丸及星铁等。普通白口铸铁的化学成分具有高碳低硅的特点。其共晶组织是来氏体（渗碳体+珠光体），由于渗碳体为连续相同相又是脆性相，决定了普通白口铸铁具有韧性差而脆性大的特点，故其耐磨性不是很好。由于其生产工艺简单，成本低廉，目前还应用在某些工况，如面粉机的轧辊。为了提高普通白口铸铁的耐磨性，防止铸铁中出现石墨组织，向铸铁中添加一定数量的碳化物形成元素铬，形成低铬铸铁。低铬铸铁根据其凝固冷却速度不同，通常组织为共晶碳化物+珠光体+少量的马氏体+少量的奥氏体。与普通白口铸铁相比，其维氏硬度增加到1000～1230HV，并且碳化物的形态也有所改善。随着铬含量的增加，其耐磨性有所改善。由于低铬铸铁价格低廉，根据其性能特点，通常用于冲击载荷较小的磨料磨损工况，如球磨机球磨。由于低铬铸铁的残余奥氏体含量较多，所以加入镍元素提高淬透性，形成了镍硬铸铁。镍硬铸铁由于加入了镍元素，提高了马氏体的含量，所以其耐磨性进一步提高。镍硬铸铁可以用于许多工况，如磨辊和磨环、杂质泵过流件、输送管道等，但是由于其含有镍元素，所以成本较低铬铸铁高。为了降低成本，所以提高含铬量5%～10%，减少镍含量，形成了中铬铸铁（为了取代镍硬Ⅳ铸铁）。中铬铸铁通常通过高温空淬+低温回火处理，获得马氏体+（Fe、Cr）7C3+（Fe、Cr）3C+残余奥氏体组织。中铬铸铁中由于含铬量较低铬铸铁高，因此具有一定的耐蚀性，可用于中等冲击载荷的磨料磨损和冲蚀磨损的工况。将铬含量继续进行提高，当铬含量大于12%时，就出现了高铬铸铁。高铬铸铁一般适用于两体和三体磨料磨损情况，两体磨损以显微切削为主，而三体磨损为显微切削与显微塑变疲劳的共同作用为主，并且碳化物的类型、形态、体积分数和基体组织的力学性能对高铬铸铁的耐磨性能有重要的影响。高铬铸铁具有较高的含铬量、良好的硬度、耐蚀性和抗氧化性，因此广泛应用于各种磨料磨损场合及各种高温磨损和腐蚀磨损的工况，如：球磨机的磨球、磨盘、磨辗、破碎机的小锤头、小型轧钢的导位板及衬板等。通过改变碳的形态，获得球墨铸铁。马氏体耐磨球墨铸铁通常用于冲击磨料磨损工况，如做球磨机球磨和中小型水泥球磨机板衬，物美价廉，并取得了很好地应用。通过合金元素的改变，改变基体组织，获得贝氏体耐磨球墨铸铁。贝氏体耐磨球墨铸铁因为硬度比较高、韧性和抗冲击疲劳性能较好，常被用作球磨机球磨和中小型球磨机的衬板。其抗疲劳冲击性能远远高于中锰钢球墨铸铁，也高于高铬铸铁，并且寿命也有所提高。由于其中含有合金元素较多，所以其成本较高。5.如何设计磨料磨损耐磨材料的组织？通过一种具体耐磨料磨损的零件进行阐述。答：以破碎机的锤头为例设计步骤：（1）确定高铬铸铁的化学成分。铬和碳是高铬铸铁中的两种重要合金元素。提高铬和碳有助于增加碳化物数量，这将提高耐磨性降低韧性。铬碳比越高，铸铁的淬透性越好。此外，铬含量对相图的共晶点碳含量有很大的影响，随铬含量的增加，共晶点碳含量下降，其质量分数随铬的变化参考下式计算：ω（CE）=4.40-0.054ω（Cr）高铬铸铁中通常还要加入一定数量的钼、锰和铜，以提高淬透性。钼元素固有明显的提高淬透性作用，特别是钼的质量分数较高时，作用更为明显。溶入基体的钼量可从下式进行估算：溶入基体的钼量（质量分数）=0.23*总的钼量（质量分数）-0.029成分设计如下表：CSiMnCrMoNiCuSP2—3≤1.2≤2.023.0-30.0≤3.0≤2.5≤2.0≤0.06≤0.10(2)高铬铸铁的热处理规范：（a）软化退火处理。960-1000℃保温1-8h，缓冷至700-750℃保温4-10h，缓冷至600℃以下出炉空冷或炉冷。（b）硬化处理。960-1060℃保温2-6h，出炉空冷。（c）去应力处理。200-300℃保温2-8h，出炉空冷或炉冷。（3）获得的金相组织。铸态或铸态去应力处理得到的金相组织为共晶碳化物M7C3+奥氏体。硬化态或硬化态去应力处理得到的金相组织为共晶碳化物M7C3+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体。使用特点：有