热处理对高硫钢硫化物形态及性能的影响

卢献忠,吴 润,李书黎,吴海涛,翟万里,黄 雷,吴德炳,宋述鹏

(1.武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉,430081;2.武汉钢铁重工集团有限公司,湖北武汉,430083;3.安阳市青山高硫合金钢有限责任公司,河南安阳,455000)

硫几乎不固溶于δ-Fe或γ-Fe,在钢液凝固时硫于液相中富集,最终沿初生晶粒的晶界形成硫化物,造成钢的热脆[1-2]。但另一方面,硫与金属所形成的化合物具有较低的摩擦因数和良好的润滑作用,例如,FeS具有密排六方结构,易沿密排面滑移,其塑性流变能力强,是一种优良的固体润滑剂[3],含有大量FeS的合金钢具有耐高温、自润滑、耐磨损、抗黏结(咬合)的优良性能[4]。热处理工艺对高硫钢中硫化物的形态有很大影响[5],因此,本文主要研究淬回火热处理工艺下高硫钢的基体组织以及硫化物的尺寸、分布和形状,并分析其力学性能和磨损性能。

1 试验

试验用高硫钢的化学成分如表1所示。将试验钢在中频感应炉中熔炼后,采用砂型铸造成棒状试样,将其加热到850～950℃,保温1 h后油淬,然后进行200℃回火。

表1 试验钢的化学成分(w B/%)Table 1 Chem ical compositions of test steel

采用光学显微镜和扫描电镜对试验钢金相试样中硫化物的体积分数、尺寸和分布进行定量分析。根据GB/T 228—2002进行试验钢的拉伸试验。材料的磨损性能测试在M-2000摩擦磨损试验机上进行,磨损条件为干摩擦,径向加载200 N。所有材料均加工成外径为50 mm、内径为15 mm、厚度为10 mm的标准圆环磨损试样。上试样为待测材料,转速为180 r/min;下试样为经860℃淬火和200℃回火的GCr15钢,转速为200 r/min。

2 结果与分析

2.1 热处理对试验钢基体组织的影响

试验钢在铸态和淬回火后的金相显微组织及SEM照片如图1所示。从图1(a)中可以看出,试验钢结晶时先产生枝晶状奥氏体,硫化物成类球状或纺锤状镶嵌其间,冷却到室温后,奥氏体转变为铁素体和珠光体,形成试验钢的基体组织。从图1(c)中可以看出,基体组织中靠近硫化物的区域为铁素体,远离硫化物的区域为珠光体。试验钢在结晶过程中,首先从液相中结晶出奥氏体,并且奥氏体以枝晶方式生长。由于硫的分配系数小于0.1,其于液相中富集,当剩余液相中硫含量接近共晶成分时,发生共晶反应L→(M n,Fe)S+γ-Fe,所以与硫化物相邻的奥氏体中碳含量较低。

从图1(b)中可以看出,试验钢淬回火后的基体组织转变为回火马氏体。试验钢铸态组织中硫化物周围的奥氏体碳含量很低,低碳部分奥氏体淬火后应该转变为板条马氏体,但从图1(d)中可以看出,硫化物周围主要是片状马氏体,板条状马氏体很少,这是因为淬火加热使奥氏体碳进行了重新分配,导致硫化物周围的奥氏体碳含量增加。

图1 铸态和淬回火后试验钢的金相显微组织及SEM照片Fig.1 M icrostructuresand SEM images of test steel under cast and heat treatment condition

2.2 热处理对试验钢中硫化物的影响

经过热处理后,试验钢中硫化物的尺寸、形状与分布有所改变,如图2所示。在试验钢的铸态组织中,尺寸在20μm以下的硫化物占大多数,极少数硫化物尺寸大于50μm。热处理后硫化物长轴与短轴之间的尺寸差别减小,硫化物有一定球化趋势,其体积分数也在减小(见表2)。这是因为硫化物的长轴顶端处自由能较高而发生溶解,其平面处自由能较低,可以接受溶解硫原子,所以硫化物在淬火加热时发生了一定程度的球化。

图2 铸态和淬回火后试验钢中硫化物的尺寸与分布Fig.2 Size distribution of sulfides in test steel under cast and heat treatment condition

试验钢铸态基体组织的能谱分析结果如图3所示。从图3中可以看出,试验钢基体组织中几乎不含S和M n。试验钢中硫化物的化学成分如表3所示。从表3中可以看出:试验钢铸态组织中硫化物的M n含量很高;热处理后,试验钢中硫化物的Fe含量显著增加,M n含量显著减少,Cr含量有所增加。复合硫化物中,FeS和CrS比M nS具有更好的稳定性,加热时试验钢中Fe和Cr原子扩散进入硫化物中,逐渐替代M n原子,然后M n再扩散到试验钢基体组织中,所以此时硫化物的主要组成为FeS。硫化物体积分数的减少,可能与形成FeS2有关。

表2 试验钢中硫化物的体积分数Table 2 Volume fraction of sulfides in test steel

图3 试验钢铸态基体组织的EDS图谱Fig.3 EDS spectrum of castmatrix in test steel

表3 试验钢中硫化物的化学成分(w B/%)Table 3 Chem ical com positions of sulfides in test steel

2.3 热处理对试验钢性能的影响

由拉伸试验结果可知:880℃淬火试样和900℃淬火试样的抗拉强度分别为460、590 M Pa,其伸长率分别为1.7%和3.0%。900℃淬火试样的力学性能比880℃淬火试样的力学性能要好,这主要是因为随着淬火温度的升高,试验钢中球形硫化物的数量增多,球形硫化物比其他任何形状的硫化物对基体裂纹扩展的影响都要小。试验钢拉伸断口形貌如图4所示。从图4中可以看出,试样的断裂仍属于脆性断裂,但其断面有明显的纤维和放射花样,表现出韧性断裂的特征;断口上有大量韧窝,而硫化物或保持比较完整的形态,或发生解理断裂,一些硫化物已脱落而留下凹坑。

图5为经过淬回火后试验钢和GCr15钢的磨损量随时间变化曲线。从图5中可以看出,在摩擦磨损试验开始的前8 h内,试验钢的磨损量为GCr15钢磨损量的1/2～1/3;随着试验的持续进行,GCr15钢的磨损量增加得越来越快,而试验钢的磨损量增加速率则明显降低。这表明由于硫化物的自润滑作用,高硫钢的耐磨性随连续磨损时间的延长而提高,而GCr15钢耐磨性的变化趋势则相反。

图4 试验钢拉伸断口形貌Fig.4 Fracturemorphology of specimen under tensile

图5 试验钢与GCr15钢的磨损量变化曲线Fig.5 Friction curves of test steel and GCr15 steel

热处理后试验钢中硫化物主要是FeS,其具有层片状结构。当试验钢与GCr15钢对磨时,随着磨损表面温度的升高,摩擦所产生的热量被硫化物吸收,硫化物变软,并在摩擦面上形成FeS润滑膜,阻止了基体材料与对偶底材的直接接触。同时,在摩擦过程中,硫化物在高应力作用下溶解,溶解的硫活性较大,立刻与Fe原子生成FeS,形成新的减摩润滑膜。因此,试验钢的摩擦因数随磨损表面温度的上升而不断下降,经过长时间连续磨损,试验钢的耐磨性更佳。而两个GCr15试样对磨时,在滚动与滑动藕合作用下,两试样间的摩擦引起摩擦表面的能量变化,部分能量以热能的形式释放出来,使摩擦表面温度升高,导致试样表面发生氧化和退火,硬度降低,最终导致点蚀,而且试样中的氧化物易脱落形成犁沟磨损,这都造成了GCr15钢的磨损加剧。

3 结论

(1)高硫钢铸态基体组织为铁素体和珠光体,硫化物呈纺锤状或近似球状分布其间,靠近硫化物的区域为铁素体,远离硫化物的区域则为珠光体。

(2)淬回火后,高硫钢的基体组织多为片状马氏体,高硫钢中硫化物长轴与短轴之间的尺寸差别减小,即发生了一定程度的球化,并且硫化物中Fe含量显著增加,M n含量显著降低。

(3)随着淬火温度的升高,高硫钢中球形硫化物的数量增多,因此900℃淬火试样的力学性能比880℃淬火试样的力学性能要好。由于硫化物的自润滑作用,高硫钢的耐磨性随连续磨损时间的延长而改善。

[1] 李代钟.钢中的非金属夹杂物[M].北京:科学出版社,1983:5-15.

[2] 许中波,Gammal E L.钢中夹杂物含量及其形态对钢力学性能的影响[J].钢铁研究学报,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]吴德柄.高硫合金钢及生产方法:中国,ZL 91.1.08671.4[P].1991-09-09.

[5] 翟万里,吴海涛,宋畅,等.高硫钢中硫化物对组织转变的影响[J].武汉科技大学学报,2009,32(2):134-136.