孙忠刚 王志辉 李杰 简忠武

摘  要：本文利用美国CETR公司生产的YMT-3H摩擦磨损试验机分别对低成本的SG耐磨钢、Cr15高铬钢、75Mn高锰钢进行了常温“销-盘旋转”模式的摩擦试验，对比分析了三种材料磨损性能与材料组织、硬度以及摩擦速度之间的关系。结果表明：三种钢材的硬度相差不大，但SG耐磨钢的耐磨损性能接近Cr15钢的耐磨性能，并高于75Mn钢的耐磨性能;三种材料中硬度越高材料耐磨性越差;当三种材料摩擦速度在42～125mm/s的范围内时，随着摩擦速度的增加，磨损速度加快。

关键词：低成本;耐磨钢;磨损性能

中图分类号： TG70          文献标识码：A     文章编号：2096-6903（2019）05-0000

0 引言

冷作模具所用钢是由常温下金属变形或成形所构成。由于常温下材料的抵抗塑性变形能力大因此这类模具在性能上具有较高的硬度、耐磨性、强度及适当的韧性。随着现代制造业的发展，各种产品越来越注重产品外观设计和个性化定制，具体表现在产品造型愈加复杂、产品更新换代速度越来越快，因此产品冷作模具的更换频率也随之提高。此外，小截面低质量的冷作模具钢进入低价竞争的恶性循环。因此在保证产品质量的前提下降低材料成本，成为国内企业提高产品竞争力的重要手段之一。本文以某企業通过降低材料合金成分配比且采用特殊生产工艺研发的一款低成本耐磨钢为研究对象，将其与传统的高铬钢Cr15、高锰钢75Mn进行对比研究。研究三种材料的组织、硬度、耐磨特性及磨损机理，为该耐磨钢的在电机冲槽模具上的应用提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 材料化学成分及组织状态

试验材料分为SG耐磨钢、Cr15钢、75Mn钢三种类型，三种钢材的化学成分见表1-表3。

1.2 试验方法

首先利用日本Olympus公司生产的GX51金相显微镜（见图1）获取三种钢材的金相显微组织;然后采用数显布洛维硬度计SHBRV-187.5硬度仪测试三种钢材的硬度值，在测试过程中为了减小测试误差、提高测试数据的准确性，分别在与摩擦磨损式样晶粒取向相同的面上选取5点测量，取其平均值作为测量结果;最后进行摩擦磨损试验，摩擦磨损试验所选试验机为美国CETR公司YMT-3H摩擦磨损试验机（见图2），试验条件为“销-盘旋转”模式，试样尺寸为φ6.2mm×15mm，每摩擦磨损1min将试样与夹具称重一次。试验依据Q/SY 072 141-2016金属材料销-砂纸盘式磨粒磨损试验方法实施。

2 试验结果分析

2.1 材料显微组织

利用日本Olympus公司生产的GX51金相显微镜测出三种材料的显微组织状态如下：

（1）试验用SG耐磨钢的热处理工艺为淬火+回火，金相显微组织见图3，基体为回火马氏体和残余奥氏体，其上分布有共晶莱氏体、碳化物及少量颗粒状二次碳化物。

（2）试验用Cr15钢的热处理工艺为淬火+回火，金相显微组织见图4，基体为黑色回火索氏体及部分保留下来的马氏体，白色初生碳化物呈杆状及多边形，共晶碳化物呈菊花形，花心聚集的碳化物较小且向周围辐射较多弯曲的条状碳化物，整体形状颇似菊花。

（3）试验用75Mn钢（弹簧钢板）的热处理工艺为淬火，金相显微组织见图5，全部为奥氏体组织，晶粒大小不均匀且晶界处未见明显碳化物析出，水韧效果良好。

2.2 三种材质硬度试验

采用数显布洛维硬度计分别测试了SG耐磨钢、Cr15钢和75Mn钢三种钢材的布氏硬度，三种材料的硬度指标见表4。由表中测试数据可以看出，75Mn钢材料的平均硬度值最大为28.3HB;Cr15平均硬度值最小为25.5HB。由表4可知：SG耐磨钢和Cr15钢的硬度值小于75Mn钢，主要原因是前两种材料的组织均为回火组织，75Mn钢的组织全部是淬火奥氏体组织。此外SG耐磨钢的硬度要高于Cr15钢，主要原因在于SG耐磨钢的主要组织为回火马氏体组织，而Cr15钢的主要组织为回火索氏体组织，回火马氏体组织的硬度要高于回火索氏体的硬度。

2.3 三种材料磨粒磨损试验结果与磨损机理分析

SG耐磨钢、Cr15钢和75Mn钢三种钢材的“销-盘旋转”磨损试验数据如表5所示。由表5可知：SG耐磨钢、Cr15钢和75Mn钢三种钢材的平均总质量损失分别为44.95mg、39.15mg、86.40mg，其中Cr15钢的耐磨性能最好，SG耐磨钢次之，75Mn钢的耐磨性能最差。Cr15钢与SG耐磨钢的磨损量相差较小而75Mn与SG耐磨钢的磨损量相差较大。

一般情况下，材料的硬度越高其耐磨性越好。试验所取三种材料硬度与磨损量之间的关系如图6所示。由图可知：在三种材料中，硬度越高其钢材平均磨损量越大，即硬度高的材料其耐磨性高。由图6可知三种材料硬度相差不大，但SG耐磨钢和Cr15钢的耐磨性要比75Mn钢的耐磨性高很多。研究发现：影响材料耐磨性的微观组织又要有基体组织、弥散相与夹杂物、晶界特性和内部缺陷等。因此出现上述试验结果主要是由于三种材料的组织结构差异引起的。由于SG耐磨钢和Cr15钢有着类似的组织结构，因而其耐磨损性能比较接近;而75Mn钢与前两者的组织结构差异大，因此其耐磨性也与前两者有较大差距。研究发现：SG耐磨钢和Cr15钢材组织中均含有高硬度的碳化物及二次碳化物，碳化物及二次碳化物能够有效增强材料表面对砂纸盘磨粒压入的抗力作用，从而有利于提高材料的耐磨性能。此外，碳化物能够降低摩擦生热和加热脱碳，减轻粘着磨损，。

三种材料的摩擦试验过程中试样重量损失情况如图7所示。从图中可知：在相同的摩擦速度下，75Mn钢试样的磨损重量损失大于SG耐磨钢的磨损重量损失而SG耐磨钢的磨损重量损失大于Cr15钢的磨损重量损失;随着摩擦磨损时间的增加，各试样重量损失逐渐增大且呈上升趋势。

2.4 磨损性能与磨损速度的关系

在本试验中，钢材的磨损量与磨损时间呈抛物线增长关系，这是因为随着摩擦试验的进行，试样与摩擦盘之间的相对摩擦速度增加造成的。

其瞬时摩擦速度计算公式为v=π×D×n

其中：π为常数（取值3.14）;

D为摩擦试样与摩擦盘中心的距离;

n为摩擦盘的转速。

本文结合实际摩擦试验所得数据，计算出了0min、1min、2min、3min、4min各时刻摩擦试样与摩擦盘相对摩擦速度，见表6。为了更加清晰的呈现与研究磨损量与摩擦速度之间的关系，根据表5、表6的数据计算得出乐各时间区间内平均摩擦速度与净磨损量的关系，见图8。由图8可知：Cr15钢随着摩擦速度的增加，磨损量成线性增长;SG耐磨钢随着摩擦速度的增加，磨损量增长速度缓慢;而75Mn钢随着摩擦速度的增加磨损量先缓慢增长，当摩擦速度超过95mm/s后急剧增长。

3 结论

（1） 低成本的SG耐磨钢与Cr15钢、75Mn钢相比其硬度基本相同但其耐磨损性能却比75Mn钢高出92.2%，与Cr15钢的耐磨性相近。

（2）SG耐磨钢、Cr15钢及75Mn钢三种材料中硬度越高其平均磨损量越大即硬度高的材料其耐磨性差。原因在于SG耐磨钢和Cr15钢材组织中含有高硬度的碳化物及二次碳化物，碳化物及二次碳化物能够抵抗材料表面对砂纸盘磨粒的压入，从而有利于提高材料的耐磨损性能。

（3）SG耐磨钢与Cr15钢、75Mn钢三种材料摩擦速度在42～125mm/s的范围内时，随着摩擦速度的增加，磨损速度加快。

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收稿日期：2019-06-27

课题项目：湖南工业职业技术学院规划课题（GYKYZ2013010）：电机冲槽模具磨损机理的研究。

作者简介：孙忠刚（1983— ），男，山东威海人，硕士，讲师，研究方向：机械工程;

王志辉（1985— ），男，湖南常德人，硕士，工程师，研究方向：材料组织性能研究;李杰（1979— ），男，湖南常德人，博士，高级工程师，研究方向：高强钢微观组织与性能研究;简忠武（1984—），男，湖南株洲人，本科，讲师，研究方向：模具设计与制造。

Study on Wear Performance and Mechanism of New Low Cost Wear Resistant Steel

SUN Zhong-gang， WANG Zhi-hui， LI Jie， JIAN Zhong-wu

（1. Hunan Institute of Industry and Technology， Changsha Hunan 410208;

2. Sany Heavy Industry Co.， LTD.， Changsha  Hunan 410100）

Abstract： In this paper， the friction test of low-cost SG wear-resistant steel， Cr15 high-chromium steel and 75Mn high-manganese steel was carried out by using the ymt-3h friction and wear testing machine produced by CETR company in the United States. The results show that the hardness of the three steels is not much different， but the wear resistance of SG wear-resistant steel is close to that of Cr15 steel， and higher than that of 75Mn steel. The higher the hardness of the three materials， the worse the wear resistance. When the friction velocity of the three materials is within the range of 42～125mm/s， the wear velocity accelerates with the increase of the friction velocity.

Key words： low cost; Wear resistant steel; The wear performance