熱處理對高硫鋼硫化物形態及性能的影響

盧獻忠,吳 潤,李書黎,吳海濤,翟萬里,黃 雷,吳德炳,宋述鵬

(1.武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081;2.武漢鋼鐵重工集團有限公司,湖北武漢,430083;3.安陽市青山高硫合金鋼有限責任公司,河南安陽,455000)

硫幾乎不固溶于δ-Fe或γ-Fe,在鋼液凝固時硫于液相中富集,最終沿初生晶粒的晶界形成硫化物,造成鋼的熱脆[1-2]。但另一方面,硫與金屬所形成的化合物具有較低的摩擦因數和良好的潤滑作用,例如,FeS具有密排六方結構,易沿密排面滑移,其塑性流變能力強,是一種優良的固體潤滑劑[3],含有大量FeS的合金鋼具有耐高溫、自潤滑、耐磨損、抗黏結(咬合)的優良性能[4]。熱處理工藝對高硫鋼中硫化物的形態有很大影響[5],因此,本文主要研究淬回火熱處理工藝下高硫鋼的基體組織以及硫化物的尺寸、分布和形狀,并分析其力學性能和磨損性能。

1 試驗

試驗用高硫鋼的化學成分如表1所示。將試驗鋼在中頻感應爐中熔煉后,采用砂型鑄造成棒狀試樣,將其加熱到850～950℃,保溫1 h后油淬,然后進行200℃回火。

表1 試驗鋼的化學成分(w B/%)Table 1 Chem ical compositions of test steel

采用光學顯微鏡和掃描電鏡對試驗鋼金相試樣中硫化物的體積分數、尺寸和分布進行定量分析。根據GB/T 228—2002進行試驗鋼的拉伸試驗。材料的磨損性能測試在M-2000摩擦磨損試驗機上進行,磨損條件為干摩擦,徑向加載200 N。所有材料均加工成外徑為50 mm、內徑為15 mm、厚度為10 mm的標準圓環磨損試樣。上試樣為待測材料,轉速為180 r/min;下試樣為經860℃淬火和200℃回火的GCr15鋼,轉速為200 r/min。

2 結果與分析

2.1 熱處理對試驗鋼基體組織的影響

試驗鋼在鑄態和淬回火后的金相顯微組織及SEM照片如圖1所示。從圖1(a)中可以看出,試驗鋼結晶時先產生枝晶狀奧氏體,硫化物成類球狀或紡錘狀鑲嵌其間,冷卻到室溫后,奧氏體轉變為鐵素體和珠光體,形成試驗鋼的基體組織。從圖1(c)中可以看出,基體組織中靠近硫化物的區域為鐵素體,遠離硫化物的區域為珠光體。試驗鋼在結晶過程中,首先從液相中結晶出奧氏體,并且奧氏體以枝晶方式生長。由于硫的分配系數小于0.1,其于液相中富集,當剩余液相中硫含量接近共晶成分時,發生共晶反應L→(M n,Fe)S+γ-Fe,所以與硫化物相鄰的奧氏體中碳含量較低。

從圖1(b)中可以看出,試驗鋼淬回火后的基體組織轉變為回火馬氏體。試驗鋼鑄態組織中硫化物周圍的奧氏體碳含量很低,低碳部分奧氏體淬火后應該轉變為板條馬氏體,但從圖1(d)中可以看出,硫化物周圍主要是片狀馬氏體,板條狀馬氏體很少,這是因為淬火加熱使奧氏體碳進行了重新分配,導致硫化物周圍的奧氏體碳含量增加。

圖1 鑄態和淬回火后試驗鋼的金相顯微組織及SEM照片Fig.1 M icrostructuresand SEM images of test steel under cast and heat treatment condition

2.2 熱處理對試驗鋼中硫化物的影響

經過熱處理后,試驗鋼中硫化物的尺寸、形狀與分布有所改變,如圖2所示。在試驗鋼的鑄態組織中,尺寸在20μm以下的硫化物占大多數,極少數硫化物尺寸大于50μm。熱處理后硫化物長軸與短軸之間的尺寸差別減小,硫化物有一定球化趨勢,其體積分數也在減小(見表2)。這是因為硫化物的長軸頂端處自由能較高而發生溶解,其平面處自由能較低,可以接受溶解硫原子,所以硫化物在淬火加熱時發生了一定程度的球化。

圖2 鑄態和淬回火后試驗鋼中硫化物的尺寸與分布Fig.2 Size distribution of sulfides in test steel under cast and heat treatment condition

試驗鋼鑄態基體組織的能譜分析結果如圖3所示。從圖3中可以看出,試驗鋼基體組織中幾乎不含S和M n。試驗鋼中硫化物的化學成分如表3所示。從表3中可以看出:試驗鋼鑄態組織中硫化物的M n含量很高;熱處理后,試驗鋼中硫化物的Fe含量顯著增加,M n含量顯著減少,Cr含量有所增加。復合硫化物中,FeS和CrS比M nS具有更好的穩定性,加熱時試驗鋼中Fe和Cr原子擴散進入硫化物中,逐漸替代M n原子,然后M n再擴散到試驗鋼基體組織中,所以此時硫化物的主要組成為FeS。硫化物體積分數的減少,可能與形成FeS2有關。

表2 試驗鋼中硫化物的體積分數Table 2 Volume fraction of sulfides in test steel

圖3 試驗鋼鑄態基體組織的EDS圖譜Fig.3 EDS spectrum of castmatrix in test steel

表3 試驗鋼中硫化物的化學成分(w B/%)Table 3 Chem ical com positions of sulfides in test steel

2.3 熱處理對試驗鋼性能的影響

由拉伸試驗結果可知:880℃淬火試樣和900℃淬火試樣的抗拉強度分別為460、590 M Pa,其伸長率分別為1.7%和3.0%。900℃淬火試樣的力學性能比880℃淬火試樣的力學性能要好,這主要是因為隨著淬火溫度的升高,試驗鋼中球形硫化物的數量增多,球形硫化物比其他任何形狀的硫化物對基體裂紋擴展的影響都要小。試驗鋼拉伸斷口形貌如圖4所示。從圖4中可以看出,試樣的斷裂仍屬于脆性斷裂,但其斷面有明顯的纖維和放射花樣,表現出韌性斷裂的特征;斷口上有大量韌窩,而硫化物或保持比較完整的形態,或發生解理斷裂,一些硫化物已脫落而留下凹坑。

圖5為經過淬回火后試驗鋼和GCr15鋼的磨損量隨時間變化曲線。從圖5中可以看出,在摩擦磨損試驗開始的前8 h內,試驗鋼的磨損量為GCr15鋼磨損量的1/2～1/3;隨著試驗的持續進行,GCr15鋼的磨損量增加得越來越快,而試驗鋼的磨損量增加速率則明顯降低。這表明由于硫化物的自潤滑作用,高硫鋼的耐磨性隨連續磨損時間的延長而提高,而GCr15鋼耐磨性的變化趨勢則相反。

圖4 試驗鋼拉伸斷口形貌Fig.4 Fracturemorphology of specimen under tensile

圖5 試驗鋼與GCr15鋼的磨損量變化曲線Fig.5 Friction curves of test steel and GCr15 steel

熱處理后試驗鋼中硫化物主要是FeS,其具有層片狀結構。當試驗鋼與GCr15鋼對磨時,隨著磨損表面溫度的升高,摩擦所產生的熱量被硫化物吸收,硫化物變軟,并在摩擦面上形成FeS潤滑膜,阻止了基體材料與對偶底材的直接接觸。同時,在摩擦過程中,硫化物在高應力作用下溶解,溶解的硫活性較大,立刻與Fe原子生成FeS,形成新的減摩潤滑膜。因此,試驗鋼的摩擦因數隨磨損表面溫度的上升而不斷下降,經過長時間連續磨損,試驗鋼的耐磨性更佳。而兩個GCr15試樣對磨時,在滾動與滑動藕合作用下,兩試樣間的摩擦引起摩擦表面的能量變化,部分能量以熱能的形式釋放出來,使摩擦表面溫度升高,導致試樣表面發生氧化和退火,硬度降低,最終導致點蝕,而且試樣中的氧化物易脫落形成犁溝磨損,這都造成了GCr15鋼的磨損加劇。

3 結論

(1)高硫鋼鑄態基體組織為鐵素體和珠光體,硫化物呈紡錘狀或近似球狀分布其間,靠近硫化物的區域為鐵素體,遠離硫化物的區域則為珠光體。

(2)淬回火后,高硫鋼的基體組織多為片狀馬氏體,高硫鋼中硫化物長軸與短軸之間的尺寸差別減小,即發生了一定程度的球化,并且硫化物中Fe含量顯著增加,M n含量顯著降低。

(3)隨著淬火溫度的升高,高硫鋼中球形硫化物的數量增多,因此900℃淬火試樣的力學性能比880℃淬火試樣的力學性能要好。由于硫化物的自潤滑作用,高硫鋼的耐磨性隨連續磨損時間的延長而改善。

[1] 李代鐘.鋼中的非金屬夾雜物[M].北京:科學出版社,1983:5-15.

[2] 許中波,Gammal E L.鋼中夾雜物含量及其形態對鋼力學性能的影響[J].鋼鐵研究學報,1994,6(4):18-23.

[3] Wang Haidou,Zhuang Daming,Wang Kunlin.The comparison on tribological p roperties of ion sulfuration steels under oil lubrication[J].Materials Letters,2003,57(15):2 225-2 232.

[4]吳德柄.高硫合金鋼及生產方法:中國,ZL 91.1.08671.4[P].1991-09-09.

[5] 翟萬里,吳海濤,宋暢,等.高硫鋼中硫化物對組織轉變的影響[J].武漢科技大學學報,2009,32(2):134-136.