Page 69 - 《摩擦学学报》2021年第3期
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358 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
hardness were hindered by TiC hard phase. Therefore, JFE400 steel with a relatively large matrix hardness showed
better wear performance compared with Ti60 steel with a relatively small matrix hardness in the pure coal powder
environment. However, Ti60 steel had better wear resistance than JFE400 steel under the condition of coal powder
doped with 40% quartz sand.
Key words: TiC hard phase; martensitic steel; interaction between TiC and abrasive; abrasive wear properties
低合金马氏体钢因其成型性良好，生产成本低， 1 试验材料与方法
易于规模化生产，耐磨性高等诸多优点成为目前煤炭
所用试验材料为自主研发的含有TiC硬质相低合
采运用装备制造的主流钢板 [1-4] . 但随着开采工况苛刻
金马氏体钢Ti60和商用低合金马氏体钢JFE400，其化
化，特别是在高矸石含量工况下，过煤量急剧减小，钢
学成分列于表1中.
板的磨损失效加速，因此开发新型煤炭采运用钢板具
[5]
有重要的现实意义 . 早期主要通过增加碳含量，提升
表 1 试验钢主要化学成分(质量分数)
马氏体基体的硬度来增强其耐磨性，然而碳含量的增 Table 1 Chemical composition of the experimental steel
加会对钢的韧塑性、焊接性和机械加工性能等带来不 (weight fraction)
利影响 [6-8] . 鉴于耐磨铸铁领域的研究，分布在合金基 Sample w(C)/% w(Ti)/% w(Si)/% w(Cr)/% w(Ni)/% w(Cu)/% w(Al)/%
体上的硬质相颗粒能在不增加基体硬度的基础上较 Ti60 0.272 >0.500 0.271 0.857 0.587 0.215 0.034
JFE400 0.180 − 0.212 0.799 0.056 0.100 0.024
大幅度提高材料的耐磨性能. 因此，在马氏体钢基体
上引入一定量的碳化物硬质相将有望实现不增加或
图1为试验钢的X射线衍射谱. 分析图谱可知，两
少增加碳含量的同时提高材料耐磨性，从而为开发新
种试样均主要包含α相，未见其他物相的明显特征峰.
型低合金马氏体耐磨钢提供重要的发展方向 [9-11] .
在各类硬质相中，TiC颗粒因其高硬度(约3 200HV)、
优良的化学稳定性及耐磨耐腐蚀性能，且能和高温铁 α(110)
液完全湿润，与基体界面结合致密度高，基本无裂纹、
气孔等，成为低合金马氏体耐磨钢增强相的首选 [12-14] . CPS →
[15]
潘小燕等 通过干砂橡胶轮磨粒磨损试验，研究了
TiC增强耐磨钢的磨损性能. 研究发现在基体硬度相 α(200) α(211)
同的条件下，新型耐磨钢板的耐磨性是传统马氏体耐 Ti60
[16]
磨钢的1.5~1.8倍；Huang等 通过干砂橡胶轮磨损试 JFE400
50
验研究了(Ti，Mo)C颗粒增强的低合金耐磨钢的磨损 10 20 30 40 2θ/(°) 60 70 80 90
性能，研究发现(Ti，Mo) C增强相颗粒能显著减缓石 Fig. 1 XRD patterns of the steels
英砂的显微切削作用，使得(Ti，Mo) C颗粒增强耐磨 图 1 试验钢的X射线衍射谱
钢的耐磨性是传统耐磨钢NM500的1.8倍. 然而，已有
关于碳化物增强马氏体钢磨损性能的相关研究中，试 图2所示为试验钢的显微组织形貌. 如图2所示，
验所用的磨料均为干砂，这与煤炭采运实际工况(磨 Ti60试样显微组织则为板条状马氏体+第二相TiC颗
料为煤和煤矸石的混合物)相差较大，而TiC硬质相与 粒，JFE400显微组织为板条状马氏体. 其中，TiC颗粒
磨料颗粒间的交互作用也尚不清晰. 因此，本试验中 形态主要呈不规则多边形块状或短棒状，TiC颗粒平
以含TiC马氏体耐磨钢Ti60和商用不含碳化物马氏体 均长度约为1.103 μm，平均宽度约为0.502 μm，面积占
耐磨钢JFE400为研究对象，通过MMH-5A环块三体磨 比率约为3.257%. EDS数据显示Ti60中的TiC颗粒主
料磨损试验机研究在纯煤粉和纯煤粉掺杂40%(质量 要由Ti和C元素组成，此外还含有少量的Mo和Fe元
分数)石英砂环境下两种材料的磨损性能；随后基于不 素，Mo元素在凝固时溶解到TiC颗粒中，起到促进
同磨损时长下磨痕形貌的分析探索TiC硬质相与煤 TiC颗粒的早期形核并提高TiC颗粒的抗粗化能力的
[12]
粉、石英砂间的交互作用机理及其对低合金马氏体钢 作用，有利于保持粒子尺寸稳定 . 其具体化学成分
磨料磨损性能的影响. 为高耐磨性原位自生TiC增强 列于表2中.
铁基耐磨钢的后续开发及工业应用提供理论依据. 对试验钢的洛氏硬度进行测量，图3是两种试验
