35SiMnMo和42CrMo截齿组织、性能和耐磨性的研究

35SiMnMo和42CrMo截齿组织、性能和耐磨性的研究

程巨强，刘志学，徐美玲，刘男杰

（西安工业大学 材料与化工学院，陕西 西安，710032）

摘要 研究35SiMnMo和42CrMo钢截齿钎焊后油冷低温回火截齿实体的组织、性能及耐磨性能。结果表明：35SiMnMo钢截齿钎焊后油冷低温回火后，截齿组织为马氏体、贝氏体和奥氏体的组织，呈板条状分布。42CrMo钢截齿钎焊后油冷低温回火的组织主要为条状马氏体组织和少量贝氏体和铁素体组织。42CrMo钢截齿实体冲击韧度43.9J/cm2，贝氏体油冷低温回火截齿冲击韧度为74.3J/cm2，具有较高冲击韧度值。磨损试验载荷为4.9N时，42CrMo截齿的耐磨性能好于35SiMnMo截齿的耐磨性，载荷为9.8N时，35SiMnMo截齿的耐磨性能好于42CrMo截齿的耐磨性。二体磨粒磨损的机制主要是微切削机制。 关键词：35SiMnMo；42CrMo；截齿；组织；性能；磨料磨损

截齿是采煤机、掘进机等矿用机械工作时的刀具。目前常用的镐型截齿材料主要有42CrMo、35CrMnSi

[1，2][3.4]等，截齿在实际生产中主要的失效形式有：齿体的断裂、磨损及头部硬质合金刀头脱落等，齿体断裂和磨损失效的原因为截齿材料冲击韧度值偏低或表面硬度值过低等造成。截齿是在采煤设备中更换量较大的易损件之一，截齿使用寿命的长短直接影响采煤机效率和采煤企业生产成本。因此研究新材料截齿，提高截齿的使用寿命，具有重要意义。本文研究了35SiMnMo截齿与常用截齿材料42 CrMo截齿的实体组织、性能和磨料磨损性能，为35SiMnMo在截齿材料方面的应用奠定实验基础。

1.试验材料及试验过程

本实验用材料35SiMnMo，其化学成分为C0.32～0.38%，Si1.2～1.6%， Mn1.4～1.6%，Mo0.3～0.5%。对比材料为42CrMo。35SiMnMo材料制备采用500Kg中频电炉进行熔炼，浇注成Ф200mm的铸锭，然后锻造成Ф60mm的棒料，进行退火处理。截齿生产取自于Ф60mm的圆棒料，截齿的生产过程为：棒料下料→机械加工→感应加热钎焊硬质合金→油冷→200℃回火→成品截齿。

截齿表面硬度测试采用HR－150A洛氏硬度仪。截齿实体的组织观察采用Neophot-30型光学金相显微镜织。磨料磨损试验采用销盘式磨料磨损试验机，试验机型号为ML- 10 型，磨损试验条件为：试样取此截齿实体，试样尺寸为Φ4mm，磨损载荷分别为4.9N和9.8N，试样运动状态为水平径向进给 4 mm / cycle，

＃对磨副为盘状180碳化硅砂纸，磨程10.409 m。用分析天平测试试样磨损前后重量的变化，计算磨损量。

冲击试验试样按图1取样位置进行取样，加工成尺寸为10mm×10mm×55mmU型标准缺口试样。试验机为JB-30型摆锤式冲击试验机。在H ITACH I S2570 型扫描电镜下观察冲击断口形貌。

（a）硬度检测位置 （b）冲击试样取样位置

图1 实验材料硬度及其冲击韧度试样取样图

陕西省教育厅专项科研项目（09JK489）

作者简介：程巨强，男，(1963.3－)，陕西岐山人，工学博士，教授，主要从事高强度钢铁材料及有色合金的研究、开发与

2.试验结果及分析

2.1截齿的实体性能与组织

图2是35SiMnMo与42CrMo截齿按照图1截齿工作面硬度测试区取样线切割后截齿实体剖面硬度分布图。可以看出，42CrMo截齿材料钎焊硬质合金后油冷低温回火后，表面硬度最高，硬度为51HRC，35SiMnMo表面硬度为HRC49，比较煤炭行业标准（MT/t246-2006）要求的截齿表面硬度，35SiMnMo与42CrMo截齿表面硬度满足标准（HRC≥40）要求。

表1 截齿饼部表面硬度测试结果

截齿 硬度值（HRC）

35SiMnMo 39

42CrMo 51

表2 截齿实体冲击韧性试验的结果

截齿 αKU（J/cm2）

35SiMnMo 74.3

42CrMo

43.9

图2 截齿工作面硬度检查区剖面硬度分布

表1是35SiMnMo与42CrMo实体截齿齿饼部表面硬度测试结果。从表看出：齿柄表面硬度，42CrMo截齿试样的齿饼部硬度最高，35SiMnMo油冷截齿试样的硬度较低，但满足于煤炭行业标准（MT/t246-2006）要求的截齿齿柄的表面硬度为38～42HRC规定，从截齿装配和工作情况来看，齿体饼部硬度不宜太高，否则会造成冲击韧性降低，截齿容易断裂而失效。

表2 是35SiMnMo截齿和42CrMo截齿实体按照图1冲击韧度试样取样，加工冲击韧度进行冲击试验的结果。从实验结果可以看出，35SiMnMo截齿实体冲击韧度值最高，而42CrMo截齿实体的冲击韧度值较低，对照国家煤炭行业标准（MT/t246-2006），截齿齿体的冲击韧性αKU≥49 J/cm2。可以看出42CrMo商用截齿冲击韧性低于标准值，达不到标准要求，35SiMnMo截齿冲击值高于标准值，能够满足截齿实体冲击韧度值的要求，实体冲击韧度值较低时，截齿在工作时，遇到过大载荷的冲击容易产生断齿，造成截齿的早期失效。

图2是35SiMnMo截齿实体金相组织照片。可以看出，感应加热钎焊硬质合金35SiMnMo油冷截齿断面边缘组织为马氏体、贝氏体组织和少量的残余奥氏体，组织均呈板条状分布。心部组织主要为马氏体和贝氏体组织，组织也呈板条状分布。

（a）边缘 （b） 心部

图2.35SiMnMo截齿实体取样金相组织

图3是42CrMo截齿实体金相组织照片。截齿剖面表面组织主要为马氏体组织，存在少量铁素体和贝氏体组织，心部组织主要为马氏体组织，存在少量的贝氏体和铁素体组织。

图4是35SiMnMo截齿和42CrMo截齿的冲击试样断口扫描照片。从图中可以看出，35SiMnMo断口

形貌主要特征为微孔集聚型断裂特征，即韧窝形式，属于韧性断裂，表明试验材料具有较高冲击韧度。42CrMo断口形貌为解理和少量沿晶断裂，属于脆性断裂特征，冲击韧度值较低，与冲击韧度试验结果相符。

（a）边缘 （b） 心部

图3. 42CrMo截齿实体取样金相组织

（a）35SiMnMo （c）42CrMo

图4 试验材料冲击断口形貌

2.2截齿的磨料磨损性能及磨损面形貌

表3是35SiMnMo和42CrMo截齿实体取样磨料磨损试验结果。可以看出，两种试验材料磨料磨损时，随着载荷增加，试验材料的磨损量增加。载荷为4.9N时，35SiMnMo截齿试样的磨损失重要大于42CrMo 磨损失重，42CrMo截齿耐磨性能最好。载荷9.8N时，35SiMnMo截齿试样的磨损失重小于42CrMo截齿磨损失重，35SiMnMo截齿的耐磨性能较好。随着载荷加大，35SiMnMo截齿磨损失重减少，耐磨性提高，与35SiMnMo截齿钎焊后油冷时组织中存在一定量的残余奥氏体有关，磨损时随载荷增加，残余奥氏体在应力作用下产生加工硬化，会增加材料的表面硬度，而提高耐磨性[5]。

图5是二体磨损磨面的金相照片, 可见，磨面存在大量平行的切削沟槽及隆起的堆积金属物, 堆积物可在一次磨粒切削形成或多次反复切削形成, 并通过反复塑性变形形变硬化或疲劳而脱落，存在较多的剥落坑。因此二种材料的二体磨粒磨损主要是微切削机制, 并伴有塑性变形和加工硬化的疲劳断裂机制。 表3 磨损实验结果

截齿 载荷（N） 磨损失重（mg）

35SiMnMo 4.9 9.5

9.8 12.6

42CrMo 4.9 8.3

9.8 15.1

（a）42CrMo （b）35SiMnMo

图5 载荷为9.8N二体磨损磨面形貌

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