铸钢35Cr2Ni2Mo 因具有高硬度、良好的耐磨性能和抗疲劳性能，在矿山、采掘等大型装备的零部件制造中得到了广泛应用。然而，随着大型机械的工作条件日趋苛刻，对于结构件的摩擦磨损及抗疲劳等性能也提出了更高的要求。因此，研发低成本长寿命高性能的耐磨铸钢件一直是机械制造领域不断追求的目标[1-4]。近年来，许多研究者致力于通过合金化、以铸代锻以及探索新型热处理工艺等方法，来提高耐磨铸钢的综合力学性能[5-8]。
由于铸钢的原始铸态组织对后续的成型及热处理组织具有遗传作用，因此，细化铸态组织是这类结构件生产的关键之一[9]。Korade 等[10]研究发现，密度大的超细化第二相粒子能大幅度提高铸钢的硬度、耐磨性能以及抗疲劳性能。在熔炼和凝固过程中，采取一些控制手段，使得钢中大量的超细化第二相作为异质形核的核心，以此达到细化凝固铸态组织的目的[11-12]。但受限于我国目前的铸钢件生产工艺水平，始终不能取得较为满意的成果，对后续产品的综合性能产生了严重的制约。除此之外，夹杂物的存在也会影响铸钢的使用寿命。非金属夹杂物的尺寸、分布、体积分数、形态及化学成分已被认为是钢的裂纹扩展和耐磨性能的重要参数[13-15]。马幼平[16]通过在复相耐磨铸钢加入稀土硅钙镁进行复合变质处理，使钢中的夹杂物由非均匀分布的线条状变为均匀分布的细小复合型类球状，铸钢性能得到了有效提升。Silva[17]在非金属夹杂物对钢的组织和机械性能的影响中表明，非金属夹杂物通常以低或极低的体积分数出现，影响钢相变过程中的形核，在涉及韧性断裂、疲劳和腐蚀的过程中发挥着决定性作用。
在前期的工业生产中发现，不改变夹杂物的种类和数量，仅改变合金的加入时机，可达到一种类似于将传统工艺钢中粗大的夹杂物“破碎”细化的效果。此种工艺不仅可以得到大量微细化析出物，还可适当降低钢中贵重金属元素(如Cr、Ni、Mo 等)的添加量。因此，本文在已有研究的基础上，不改变铸钢35Cr2Ni2Mo 中其他元素的种类和含量，尽量减少添加贵金属元素Cr、Ni 以及Mo 的使用，在钢中加入Mg 元素，分析了Mg 对耐磨铸钢组织和性能的影响。
1 实验材料与方法
研究使用的铸钢35Cr2Ni2Mo 及对照组35Cr-2Ni2Mo-Mg 的实际化学成分如表1 所示，对两种铸钢进行相同的热处理工艺。后续为方便讨论，将35Cr2Ni2Mo 称为1 号钢，35Cr2Ni2Mo-Mg 称为2号钢。
表1 试样钢的化学成分
Tab.1 Chemical compositions of samples(mass fraction/%)
采用光学金相显微镜(OM,Nikon MA200)、透射电镜(TEM,JEM-2100)以及扫描电镜(SEM,TESCAN MIRA3)对样品的微观结构及夹杂物进行观察，并借助Image J 软件对SEM 图中的夹杂物进行尺寸和数量检测，选择最小识别尺寸为1 μm，扫描面积为36 mm2。
硬度表征测试采用显微硬度计(HV-1000)，负载质量为0.1 kg，加载时间为15 s，对每个试样的不同部位取10 个点，计算平均值。
拉伸性能测试采用WDW-100G 微机控制高温电子万能试验机，在室温下进行准静态拉伸试验，拉伸速度为2.00 mm/min。
耐磨性能测试在MLG-130 干砂橡胶轮摩擦磨损试验机上进行，磨料选用0.5～1.0 mm 石英砂，试验机频率设为80 Hz，磨损时间设为40 min，施加在试样上的载荷为100 N，磨损完成后的试样放入超声波震荡仪中震荡10 min，使磨损表面的磨屑完全掉落，然后用酒精喷洒吹干，防止氧化。
2 实验结果及讨论
2.1 微观组织与非金属夹杂
两种试验钢的典型微观组织如图1 所示。由图1 可知，经过热处理后，两种钢的组织为回火索氏体，其中铁素体呈板条状，碳化物弥散分布在铁素体板条间或晶粒内。回火期间，碳原子扩散到板条马氏体边界形成了碳化物，进一步阻止了铁素体的长大，这导致了一部分区域的回火索氏体仍呈现出马氏体位向。分布在板条铁素体边界处的碳化物主要有球形和短棒状两种。查阅文献可知两种碳化物分别为M23C6 和M7C3[18-19]。使用Image J 对两种钢中的碳化物尺寸进行测量，得到1 号钢球形碳化物尺寸为20～50 nm，短棒状碳化物尺寸在50～200 nm；2号钢球形碳化物尺寸相对于1 号钢略有下降，为20～45 nm，但短棒状碳化物尺寸依旧在50～200 nm范围内。
图1 两种试验钢的典型微观组织：(a)1 号OM，(b)1 号SEM，(c)1 号TEM，(d)2 号OM，(e)2 号SEM，(f)2 号TEM
Fig.1 Typical microstructures of the samples:(a)OM of No.1 steel,(b)SEM of No.1 steel,(c)TEM of No.1 steel,(d)OM of No.2 steel,(e)SEM of No.2 steel,(f)TEM of No.2 steel
钢坯在铸造过程中，由于钢液易于与外部物质发生反应而形成夹杂物，如被大气氧化生成的氧化物以及与炉衬、烧包生成非金属夹杂。且在后续工艺中，这些夹杂很难被去除而遗留在钢液中，导致铸钢件的机械性能降低，局部硬度提高，机加工变得更加困难。因此，对夹杂物的种类、形貌、数量、大小的探究变得非常重要[20]。
热处理后的两种钢材中心部位的夹杂物如图2所示。由图可知，夹杂物主要有以下几种典型的形貌：球形夹杂物(图2a,e)、规则的四边形夹杂物(图2b)、条状夹杂物(图2c,g)、三角形夹杂物(图2d,h)及短杆状夹杂物(图2f)。对两种钢不同形貌的夹杂物数量分别进行统计后发现，1 号钢黑色的圆形夹杂数量最多，四边形次之，长条状最少；2号钢圆形夹杂最多，短棒状次之，长条状和三角状最少。
图2 两种试验钢SEM 下的夹杂物微观形貌：(a)1 号球形，(b)1 号四边形，(c)1 号条形，(d)1 号三角形，(e)2 号球形，(f)2 号短杆形，(g)2 号条形，(h)2 号三角形
Fig.2 Micromorphologies of inclusions in the samples under SEM:(a)spherical inclusion of No.1 steel,(b)quadrilateral inclusion of No.1 steel,(c)strip inclusion of No.1 steel,(d)triangular inclusion of No.1 steel,(e)spherical inclusion of No.2 steel,(f)short bar inclusion of No.2 steel,(g)strip inclusion of No.2 steel,(h)triangular inclusion of No.2 steel
表2 统计了两种试验钢中不同尺寸范围的非金属夹杂物的数量。由表可知，在1 号钢中，尺寸在1～3 μm 范围内的夹杂物数量最多，占比为夹杂物总量的35.45%；尺寸＞10 μm 的夹杂物数量最少，占比1.73%；钢中所有夹杂物的平均尺寸为4.35 μm；其中尺寸≤5 μm 的夹杂物占比82.52%。在2 号钢中，尺寸＜1 μm 的夹杂物数量最多，占总量的69.33%；其次是1～3 μm 的夹杂物占比27.03%，5～10 μm 以及＞10 μm 的夹杂物相对较少；2 号钢中夹杂物的平均尺寸为1.78 μm，其中尺寸≤5 μm 的夹杂物占比为98.55%。
表2 试验钢的夹杂物尺寸
Tab.2 Inclusion sizes of the samples
有研究指出，不论夹杂物成分和形貌如何，当夹杂物尺寸在1 μm 以下时，不影响金属材料的宏观机械性能，但尺寸超过5 μm 的非金属夹杂物容易成为微裂纹源，降低钢材的强韧性及耐磨性。
结合表3 统计的两种钢坯试样中非金属夹杂物类型及其数量结果可以看出，两种铸钢中存在的非金属夹杂物，主要包括氧化物夹杂、氧化复合型夹杂、硫化物夹杂、硫化复合型夹杂以及氮化复合型夹杂。
表3 非金属夹杂物种类及数量
Tab.3 Types and quantities of non-metallic inclusions
硫化物主要包含MnS、TiS 及复杂的氧化硫化物。当铸坯从高温状态开始降温时，钢液中的夹杂物以低熔点的FeS 为主，这会导致钢材出现热脆现象，一般通过Mn 的加入来置换Fe 原子，形成MnS。在铸钢中，如果MnS 以球状形态存在，那么在热加工过程中不易发生变形，这有助于减少材料的各向异性，对铸钢机械性能产生的危害相对较小。但如果是形成长条状或链状MnS，形成共晶或是沿晶界分布，在热加工过程中，会产生热脆和裂纹，导致钢的基体受损，从而降低其耐磨性能。
钢材中主要的氧化物夹杂包括SiO2、Al2O3 以及Ti 的氧化物，这些氧化物通常会对钢材产生不利影响。特别是Al2O3 夹杂，由于其硬而脆的特性，当受到外力作用时，会破碎成不规则的小颗粒[21]。其中一些尖锐的颗粒会划伤金属基体，导致材料中出现应力集中和裂纹，对钢的力学性能产生不利影响。此外，氧化物夹杂的存在还会使钢材表面出现结疤、不平整甚至裂纹等缺陷。
在钢中，常见的氮化物主要包括TiN 和AlN。这些夹杂物的存在会增加钢的脆性，从而导致钢的脆性穿晶断裂。此外，钢中过饱和的N 元素会与Fe发生反应，析出Fe2N、Fe4N，进而降低钢的韧性。为了解决这个问题，通常会在熔炼过程中加入Ti、V和Al 元素，以固定N 元素，消除时效倾向。
2.2 铸钢的力学性能
热处理后两种钢的力学性能对比如表4 所示。2号钢的硬度均值要略高于1 号钢。硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标，在忽略其他因素影响的情况下，硬度越高的材料，相应的耐磨损性能也就越优异。
表4 试验钢的力学性能
Tab.4 Mechanical properties of the samples
为了更好表征两种钢在室温下(25 ℃)的综合力学性能，对试验钢进行了室温拉伸试验。铸钢中加入Mg 元素之后，抗拉强度、屈服强度都有不同程度上升，但是塑性下降。
两种试验钢的拉伸断口形貌如图3 所示。由图3 可知，两种铸钢的拉伸试样断口具有解理断裂特征。图3a～b 中可见较高解理台阶，大韧窝周围分布着小尺寸韧窝和少量白色不规则撕裂棱。穿晶解理面、延性撕裂棱和韧窝这些典型的微观特征，表明1号钢属于韧脆混合断裂机制，其中微孔隙结合所形成的韧窝是断口表面的主要构成部分，解理断裂面较少。断裂以穿晶方式发生。对比之下，2 号钢存在一些较大的解理面，相对平缓的解理台阶、河流状花样、较多白色不规则条纹状的撕裂棱以及一些尺寸较大、深浅不一的韧窝。
图3 拉伸试样SEM 下的断口微观形貌：(a～b)1 号，(c～d)2 号
Fig.3 Fracture morphology of tensile samples under SEM:(a～b)No.1 steel,(c～d)No.2 steel
2.3 铸钢的耐磨性能
在相同载荷下，对不同的铸钢试样进行磨粒磨损试验，通过磨损减重及相对耐磨性对试验钢的耐磨损性能进行综合评估。重量磨损量的测量方法如下式所示：
式中，X 指试样损失的质量，g；M0 是试样没磨损时的质量；M 指经过磨损试验后试样的质量；磨损率G指磨损量与磨损时间t(min)的比值，通过下式计算获得：
相对耐磨性常被用作不同材料之间耐磨性的比较或者是不同工艺生产出来的材料耐磨损能力的对比，保证各种试验参数相同，把选定材料的磨损失重当做参照物，将其他材料在实验后的磨损失重和标准材料的失重相除，相对耐磨性ε 通常指计算后获得的比值。ε＞1 表明试验材料具有良好的耐磨性。
表5 为两种试验钢磨损前后各项数值的变化情况。在外加载荷为100 N 时，经过40 min 的磨损后，1 号钢的磨损失重为3.249 8 g，2 号钢的磨损失重为2.579 3 g；在不同时段，2 号钢的磨损量均小于1 号钢，且在短时间内两种钢的磨损量差值呈扩大趋势。结果表明在相同实验条件下，添加Mg 元素的铸钢耐磨性更佳。若用1 号钢减去2 号钢磨损量的差与1 号钢的磨损量的比值来表示钢耐磨性的提升，则发现添加Mg 元素后钢耐磨性提高了20.6%。
表5 外加载荷100 N时试样的损失失重
Tab.5 Loss of weight of the samples under 100 N applied load
图4 显示了在100 N 外加载荷下，经过40 min磨损后，1 号钢的4 种表面形貌特征。通过观察可以发现，试样的磨损机制主要包括微切削、内嵌磨粒、犁沟和磨粒挤压造成的堆积。这些磨损机制的共同作用，导致铸钢表面的材料逐渐损失[22]。在图4a 中，可以观察到短且不连续的犁沟，这是由于较硬的磨粒在铸钢表面划过时，产生的压力和摩擦力超过了材料的屈服强度，表面材料发生塑性变形，产生了划痕。图4b 可以在犁沟末端观察到浪花状形貌，这是由于金属基体被推动及犁出造成了挤压堆积。图4c显示的河流状形貌是由相互接触的异摩擦体引发的疲劳裂纹和疲劳磨损所致。在长时间接触应力的作用下，磨损表面层产生剧烈的塑性变形，导致裂纹产生。这些迅速扩大的裂纹会使局部地区的材料呈片层状剥落。图4d 中能够观察到大量较深的切削痕迹和微裂纹。磨损机理以微切削为主，同时伴有程度较深的疲劳损坏。2 号钢在100 N 外加载荷下，经过40 min 磨损后的表面形貌与1 号钢相似(图5)，但砂粒脱落形成的凹坑数量相对较少，犁沟深度也相对较浅，疲劳损伤程度较轻。
图4 1 号钢SEM 下磨损表面形貌特征：(a)犁沟，(b)犁沟浪花，(c)剥落，(d)砂粒和微切削
Fig.4 Morphologies of several typical wear surfaces of sample 1 under SEM:(a)furrow,(b)furrow spray,(c)spalling,(d)sand and micromachining
图5 2 号钢SEM 下磨损表面形貌特征：(a)剥落，(b)犁沟，(c)犁沟浪花，(d)划痕
Fig.5 Morphologies of several typical wear surfaces of sample 2 under SEM:(a)spalling,(b)furrow,(c)furrow spray,(d)scratch
3 结论
(1)钢中组织为板条状回火索氏体。相比于1 号铸钢，2 号铸钢的碳化物尺寸更为细小。1 号钢的平均夹杂物尺寸为4.35 μm，其中≤5 μm 的夹杂物占比82.52%；2 号钢中夹杂物的平均尺寸为1.78 μm，≤5 μm 的夹杂物占比为98.55%。
(2)添加Mg 元素后，铸钢的硬度值从48.45 HRC上升到48.67 HRC，抗拉强度从1 157 MPa 上升到1 254 MPa，屈服强度从845 MPa 上升到940 MPa，但伸长率从7.02%下降到5.76%。
(3)2 号钢的耐磨性要优于1 号钢，外加载荷为100 N 时，1、2 号钢的磨损机理主要是微切削，但1号钢伴有严重的疲劳破坏，2 号钢的疲劳破坏程度较轻。
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