黄夏旭等：NM4O0/NM500级矿山机械用钢的高温磨损性能及机理 ·799· 够使其连续过冷转变曲线(CCT)右移，推迟奥氏体 研究工作，对这类材料的使用安全性和使用寿命预 向珠光体的相转变，因而提高合金的淬透性。其中 测产生了积极的指导作用.文献1-13]研究了室 少量的B元素还能在晶界处聚集，抑制先共析铁素 温下低合金高强耐磨钢与合金钢、干湿矿床环境、低 体的形核长大，进一步提高淬透性.同时还有一些 碳钢等多种摩擦副的摩擦行为，文献14]对比了搅 研究认为，固溶原子与N原子形成的气团钉扎作 拌摩擦、滑动摩擦、冲击摩擦等不同加载方式下的磨 用，还能够提高其强韧性.因此，经过淬火+低温回损规律.在矿山机械提升容器衬板的应用环境下， 火处理后的NM400钢，其显微组织通常是细小均匀 由于矿石颗粒或者其他矿物碎屑在高速摩擦的过程 的板条状马氏体，有时含有极少量的残余奥氏体组 中会在封闭空间内释放出大量的热，其发生摩擦磨 织，板条之中存在很多碳化物或者析出颗粒，还能够 损的过程实际上是在一定温度下进行的，与上述研 起到更好的强化作用圆.NM400钢与钢铁材料对磨 究存在一定的差异. 时，主要发生的是磨粒磨损，而与硬度更高的摩擦副 因此，本文针对矿物与低合金高强度耐磨钢之 对磨时，则会发生微切削产生的犁沟，因此这种耐磨 间高温下磨损行为规律开展研究工作.文中以 钢的表面硬度对其耐磨损性能影响很大.相比之 NM400和NM500两种级别的耐磨钢为研究对象， 下，NM500及以上级别的耐磨钢强度、硬度更高，而 通过不同温度下的摩擦磨损实验，分析温度对两种 且冲击韧性降低很少，因而具备更好的耐磨损性 材料磨损行为的影响规律，研究合金成分、显微组织 能.与NM4O0相比，NM5O0及以上级别的耐磨 和氧化行为对磨损过程的作用，进而探索其磨损形 钢，是通过继续增加碳、Cr、Ni、Mo等合金元素的含 式和磨损机理，期望对提高提升容器衬板使用寿命 量，一方面提高淬火+回火处理之后马氏体组织的 和对提升容器的轻量化设计提供一定的理论基础. 强度，另一方面增强合金元素的强韧化作用0.为 了保证材料的良好韧性，同时控制冶金和生成成本， 1实验部分 碳质量分数一般在0.25%~0.4%之间，其他合金 1.1实验材料 元素质量分数在1%左右甚至更低. 按照表1中所示的成分配比使用10kg真空感 低合金高强耐磨钢的磨损过程一直受到比较广 应熔炼炉熔炼NM4O0和NM500低合金耐磨钢的 泛的关注，针对其可能出现的使用工况开展了大量 铸锭。 表1NM400、NM500耐磨钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of NM400 and NM500 wear-esist steels % 合金 Mn Si Cr Ti B Als Nb Ni NM400 0.23 1.20 0.25 0.007 0.10 0.25 0.015 0.0015 0.020 0.020 NM500 0.35 1.50 0.70 0.001 0.01 1.00 0.050 0.0015 0.035 0.020 0.9 将铸锭进行表面打磨和冒口切削后，在1100℃ 本实验选取了直径中5mm矿石硬度6.5~7.0的氧 下退火3，使其成分均匀化.两种合金的铸锭在 化铝混合烧结球， 1050℃下锻造成20mm厚的板坯，再热轧成10mm 1.2摩擦实验 厚的板材.两种合金板材分别进行淬火和低温回火 将NM400和NM500耐磨钢机加工成40mm× 处理，其力学性能如表2所示 10mm的摩擦试样，然后用水砂纸逐级打磨至 表2耐磨钢的热处理工艺及力学性能 1500,再依次用3.5μm和2.5μm的金刚石抛光膏 Table 2 Heat treatment and mechanical properties of wear-resist steels 抛光约l5min.实验前用丙酮超声清洗试样表面 10min,吹干后使用. 抗拉 屈服 延伸 硬度， 合金 强度/MPa 强度/MPa 率1% HB 采用国产MG2000型高温滑动摩擦试验机并 NM400 1245 1084 45.00 使用球盘式摩擦副，以研究耐磨钢与陶瓷球之间不 NM500 1500 1300 53.35 同温度、载荷等条件下的滑动摩擦行为，实验示意图 如图1所示.氧化铝混合烧结陶瓷球直径为5mm, 针对提升容器的使用场景，本实验设计使用陶 安装在夹持工具上.实验转速范围为100~ 瓷烧结球来模拟矿石材料，NM400、NM500钢为衬 400rmin-1,载荷范围为200~300N.通过加热套 板来组成摩擦副.为了与矿石矿物的硬度相近似， 筒，在室温至300℃下进行不同温度下的摩擦磨损黄夏旭等: NM400 /NM500 级矿山机械用钢的高温磨损性能及机理 够使其连续过冷转变曲线( CCT) 右移，推迟奥氏体 向珠光体的相转变，因而提高合金的淬透性． 其中 少量的 B 元素还能在晶界处聚集，抑制先共析铁素 体的形核长大，进一步提高淬透性． 同时还有一些 研究认为，固溶原子与 N 原子形成的气团钉扎作 用，还能够提高其强韧性． 因此，经过淬火 + 低温回 火处理后的 NM400 钢，其显微组织通常是细小均匀 的板条状马氏体，有时含有极少量的残余奥氏体组 织，板条之中存在很多碳化物或者析出颗粒，还能够 起到更好的强化作用［8］． NM400 钢与钢铁材料对磨 时，主要发生的是磨粒磨损，而与硬度更高的摩擦副 对磨时，则会发生微切削产生的犁沟，因此这种耐磨 钢的表面硬度对其耐磨损性能影响很大． 相比之 下，NM500 及以上级别的耐磨钢强度、硬度更高，而 且冲击韧性降低很少，因而具备更好的耐磨损性 能［9］． 与 NM400 相比，NM500 及以上级别的耐磨 钢，是通过继续增加碳、Cr、Ni、Mo 等合金元素的含 量，一方面提高淬火 + 回火处理之后马氏体组织的 强度，另一方面增强合金元素的强韧化作用［10］． 为 了保证材料的良好韧性，同时控制冶金和生成成本， 碳质量分数一般在 0. 25% ～ 0. 4% 之间，其他合金 元素质量分数在 1% 左右甚至更低． 低合金高强耐磨钢的磨损过程一直受到比较广 泛的关注，针对其可能出现的使用工况开展了大量 研究工作，对这类材料的使用安全性和使用寿命预 测产生了积极的指导作用． 文献［11--13］研究了室 温下低合金高强耐磨钢与合金钢、干湿矿床环境、低 碳钢等多种摩擦副的摩擦行为，文献［14］对比了搅 拌摩擦、滑动摩擦、冲击摩擦等不同加载方式下的磨 损规律． 在矿山机械提升容器衬板的应用环境下， 由于矿石颗粒或者其他矿物碎屑在高速摩擦的过程 中会在封闭空间内释放出大量的热，其发生摩擦磨 损的过程实际上是在一定温度下进行的，与上述研 究存在一定的差异． 因此，本文针对矿物与低合金高强度耐磨钢之 间高温下磨损行为规律开展研究工作． 文 中 以 NM400 和 NM500 两种级别的耐磨钢为研究对象， 通过不同温度下的摩擦磨损实验，分析温度对两种 材料磨损行为的影响规律，研究合金成分、显微组织 和氧化行为对磨损过程的作用，进而探索其磨损形 式和磨损机理，期望对提高提升容器衬板使用寿命 和对提升容器的轻量化设计提供一定的理论基础． 1 实验部分 1. 1 实验材料 按照表 1 中所示的成分配比使用 10 kg 真空感 应熔炼炉熔炼 NM400 和 NM500 低合金耐磨钢的 铸锭． 表 1 NM400、NM500 耐磨钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of NM400 and NM500 wear-resist steels % 合金 C Mn Si S P Cr Ti B Als Nb Ni NM400 0. 23 1. 20 0. 25 0. 007 0. 10 0. 25 0. 015 0. 0015 0. 020 0. 020 ― NM500 0. 35 1. 50 0. 70 0. 001 0. 01 1. 00 0. 050 0. 0015 0. 035 0. 020 0. 9 将铸锭进行表面打磨和冒口切削后，在 1100 ℃ 下退火 3 h，使其成分均匀化． 两种合金的铸锭在 1050 ℃下锻造成 20 mm 厚的板坯，再热轧成 10 mm 厚的板材． 两种合金板材分别进行淬火和低温回火 处理，其力学性能如表 2 所示． 表 2 耐磨钢的热处理工艺及力学性能 Table 2 Heat treatment and mechanical properties of wear-resist steels 合金 抗拉 强度/ MPa 屈服 强度/ MPa 延伸 率/% 硬度， HB NM400 1245 1084 15 45. 00 NM500 1500 1300 8 53. 35 针对提升容器的使用场景，本实验设计使用陶 瓷烧结球来模拟矿石材料，NM400、NM500 钢为衬 板来组成摩擦副． 为了与矿石矿物的硬度相近似， 本实验选取了直径 5 mm 矿石硬度 6. 5 ～ 7. 0 的氧 化铝混合烧结球． 1. 2 摩擦实验 将 NM400 和 NM500 耐磨钢机加工成40 mm × 10 mm 的 摩 擦 试 样，然后用水砂纸逐级打磨至 1500# ，再依次用 3. 5 μm 和 2. 5 μm 的金刚石抛光膏 抛光约 15 min． 实验前用丙酮超声清洗试样表面 10 min，吹干后使用． 采用国产 MG-2000 型高温滑动摩擦试验机并 使用球盘式摩擦副，以研究耐磨钢与陶瓷球之间不 同温度、载荷等条件下的滑动摩擦行为，实验示意图 如图 1 所示． 氧化铝混合烧结陶瓷球直径为 5 mm， 安装 在 夹 持 工 具 上． 实验转速范围为 100 ～ 400 r·min － 1，载荷范围为 200 ～ 300 N． 通过加热套 筒，在室温至 300 ℃ 下进行不同温度下的摩擦磨损 · 997 ·