张俊花
江苏省徐州技师学院
在当今工业化发展迅速的科技时代，各种材料都被大量地应用到工业生产中，在这里面，耐磨金属材料已经被广泛应用到机械加工与工件制造领域。然而在实际生产过程中，金属材料的磨损情况却变得越来越严重，这造成了自然资源的大量消耗，严重影响了企业经济效益的增长。因此，研究与开发高新型耐磨金属材料具有重大的科研与社会意义。
在各种耐磨金属材料里面，耐磨合金钢具有优良的机械性能，而且原材料资源丰富，生产加工成本较低，周期较短，热处理后强度与硬度较为理想，可适应多种不同工业生产的需求，因此被大量用于制作多种不同类型的耐磨工件。
20CrMnTi钢是一种性能优良的低碳合金钢，自身具有良好的焊接性能，经正火处理后切削性能良好，冷加工性能也较为优异。但是由于该钢中碳化物的影响,成分偏析现象较为严重,因此不同的热处理工艺对钢的性能有很大的影响。20CrMnTi钢在经过淬火和低温回火处理后，钢材的强度和硬度均较高，低温冲击韧性比较突出，且仍可保持一定的焊接性能，表现出良好的综合力学性能，而且钢中合金元素的加入，使得工件具有良好的耐磨性能，被广泛用于制造中小尺寸的高强度耐磨件。此外，在对20CrMnTi钢进行热处理时，调整不同的回火温度，可以使钢材在工业生产中满足不同的工作性能要求。
本论文通过实验对20CrMnTi钢在不同热处理状态下的力学性能与内部组织结构进行研究，得出低碳马氏体钢的不同热处理工艺与工件力学性能、耐磨性能及组织结构之间的变化关系，以期获得使20CrMnTi钢具有最佳强韧化与耐磨性结合的热处理工艺步骤，用来制作工业上的钻杆键条。
20CrMnTi钢是低碳低合金钢，该钢通常在热处理状态下使用。经淬火回火处理后，具有良好的耐磨性能和抗拉强度，经过渗碳与淬火热处理后，具有工件表面硬度高，内部组织韧性好，耐磨性能与低温冲击性能较高的优良综合性能，20CrMnTi工件经正火处理后切削性能良好，冷加工性能也较为良好。但是由于该钢中碳化物的影响,偏析较为严重,因此不同的热处理工艺对钢的性能有很大的影响。
经淬火和低温回火处理后，20CrMnTi钢材的强度和硬度均较高，低温冲击韧性比较突出，且仍可保持一定的焊接性能，表现出优良的综合力学性能，由于合金元素的加入，工件耐磨性能可较为良好，被广泛用于制造中小尺寸的高强度耐磨件。热处理工艺不同，特别回火温度不同，可以使钢材在工业生产中满足不同的结构组织和工作性能要求，本实验对20CrMnTi钢在不同热处理状态下的力学性能与低碳马氏体形态进行研究，得出低碳马氏体钢的不同热处理工艺与力学性能、耐磨性能和组织结构之间的变化关系。以期获得使20CrMnTi钢具有最佳强韧化与耐磨性结合的的热处理工艺。
将用于实验的20CrMnTi试样分为5组，分别进行不同状态的热处理，淬火和回火处理在SX 2-4 40型箱式电阻炉中进行。
试样在进行摩擦磨损试验后，对其磨损面进行扫面电镜观测并拍照。
正火试样磨损后表面呈现出明显的颗粒剥落现象，出现大量凹坑与犁沟，划痕较为明显，表明其磨损状况比较严重。淬火试样磨损后表面整体较为光洁，有少量颗粒剥落，划痕较浅，说明其磨损情况较轻。淬火后低回试样磨损后表面平整光洁，基本没有出现较深划痕，说明其耐磨性优良，表面磨损状况最轻。淬火后中回试样磨损后表面出现犁沟，划痕较深，有少量剥落区域产生，说明其耐磨性一般，磨损状况属于中等程度。
经过试验20CrMnTi钢经过正火工艺处理后得到的组织主要是细珠光体组织和少量铁素体组织，由于钢材正火后可以减少网状碳化物的存在，因而20CrMnTi钢正火后具有良好的切削加工型，塑性与韧性也较为优良，但是其硬度并没有得到显著提高，而且抗拉强度与冲击性能不能满足需要承受较高载荷作用的工件。
20CrMnTi钢在进行淬火热处理后，组织主要为马氏体和一定量的残余奥氏体，此外还会夹杂一定量的粒状渗碳体，钢材的这种内部组织可以提高淬火钢的强度与硬度，少量粒状渗碳体的存在还可以提高钢材的耐磨性能，这通过淬火试样的磨损后形貌可以验证，表面平整光洁，只有少量划痕产生，磨损性能优异，同时工件具有良好的机械性能。但是低碳合金钢在淬火后会存在热应力和组织应力等残余应力，会使工件的几何尺寸具有不确定，造成淬火变形与淬火开裂现象，所以在生产过程中通常需要对工件进行后续的回火处理。
20CrMnTi钢经不同温度回火后可使工件获得不同的力学性能。该钢在180℃进行低温回火时获得的工件抗拉强度与淬火处理后相近或略有提高；随着回火温度的升高强度以及回火时间的延长，富集区的碳原子将发生有序化，继而转变成ε碳化物析出，即马氏体发生分解，得到回火马氏体；同时工件内部的碳原子会逐渐向位错线附近偏聚，使钢材的屈服强度增加，塑性和硬度也随之增加，至350℃回火时，工件强度与硬度达到最大值，虽然其耐磨性能会稍微降低，磨损后会产生擦伤和少量晶粒脱落，但是其综合力学性能却比较优良。
当回火温度升高到350℃以上时，淬火马氏体完全分解，此时的碳化物已经全部转变为细粒状的θ碳化物，形成屈氏体组织。在此过程中钢材中的马氏体分解析出片状或条状渗碳体，使钢的硬度及强度显著下降。
如升高回火温度至550℃，组织中的片状渗碳体将逐渐球化并聚集长大，铁素体基体也将发生恢复与再结晶，得到回火索氏体组织。如果温度继续升高，则会使α相晶粒和碳化物进一步长大，组织越来越粗化，铁素体和碳化物发生球化并且不断长大，这会使钢材的强度与硬度进一步降低，塑性和冲击韧性显著提高，但是耐磨性能却大幅降低，在扫描电镜下观察磨损后试样可以看到大量晶粒脱落现象，且划痕均较深，整体形貌凹凸不平。
通过试验我们可以得出如下结论：
1.20CrMnTi钢正火后试样具有较高的塑性，但屈服强度、抗拉强度与冲击性能较差；淬火后试样最高的屈服强度与抗拉强度，但是其塑性与冲击性能最差，容易发生脆断；淬火后低温回火试样与中温回火试样的抗拉强度较高，塑性较低，冲击性能中等；调质后试样的屈服强度与抗拉强度最低，但是其塑性与冲击性能最好。
2.20CrMnTi钢正火后试样硬度较低，磨损量较大；淬火后试样硬度较高，磨损量最低；淬火后低回试样硬度最高，磨损量较低；淬火后中回试样硬度中等，磨损量中等；调制试样硬度最低，磨损量最大。
3.20CrMnTi钢正火试样磨损后表面磨损情况较为严重，出现较多颗粒剥落；淬火试样磨损后表面磨损情况最好，只有少量划痕产生；淬火后低回试样磨损后表面磨损状况较好，出现较深划痕，但整体仍较为平整；淬火后中回试样磨损后表面磨损状况中等，出现较深的犁沟与大量划痕；调质后试样磨损情况最为严重，表面出现大量颗粒剥落区域，表面凹凸不平，耐磨性最差。
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