硫系自潤滑鋼中原位自生金屬硫化物自潤滑相的形成機制與控制方法.pdf

1、硫系自潤滑鋼是一種含有原位自生金屬硫化物自潤滑相的功能型合金鋼，它具有耐高溫、自潤滑、耐磨性好、成本低等優(yōu)點。自潤滑耐磨鋼中自潤滑相的形態(tài)、大小和分布對其潤滑和耐磨性能有重要影響。由于硫在鐵中常與Fe形成FeS，這種FeS多為大塊狀夾雜，主要分布在晶界附近，造成晶界弱化、基體割裂和應力集中，從而嚴重影響鋼材的韌性、強度以及可鍛性。因此，如何有效控制自潤滑相的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布成為能否制備出具有良好自潤滑耐磨性能及良好力學性能的硫系自

2、潤滑鋼的關鍵因素。
　　本文研究了硫系自潤滑鋼自潤滑相中金屬硫化物的形成機制;分析了硫系自潤滑鋼的微觀組織;探討了固溶處理和時效處理對自潤滑相形狀、尺寸和分布變化的影響規(guī)律和機制;測試了其力學性能、常溫和高溫摩擦磨損性能。為降低FeS的含量、減少其有害作用做出了初步探索，從而為該鋼種的應用奠定了理論及實驗基礎。利用X射線衍射、EDS，結合熱力學分析，研究了硫系自潤滑鋼自潤滑相中金屬硫化物的形成機制。結果表明:硫系自潤滑鋼自潤滑相中

3、的S元素在鋼基體中的含量極少（鑄態(tài)0.1％），其主要集中在金屬硫化物自潤滑相中。這些金屬硫化物主要是FeS、CrS、MoS2以及一些多元硫化物。鋼中硫化物的生成順序CrS＞FeS＞MoS2，因此可以通過增加Cr含量來置換FeS。硫系自潤滑鋼中的主要合金元素Cr在基體和自潤滑相中都有分布。本文通過分析硫化物的生成熱力學和各元素在基體和自潤滑相中的分布，發(fā)現(xiàn)可以通過增加Cr元素的含量，提高反應溫度、壓強的方法降低自潤滑相中FeS的含量。這為

4、改善這種硫系自潤滑鋼的可鍛性提供了可行性論證。通過光學顯微分析、掃描電子顯微分析以及數(shù)理統(tǒng)計分析，研究了硫系自潤滑鋼的微觀組織，確定了固溶處理和時效處理的最佳保溫時間和保溫溫度，并分析了固溶處理和時效處理機制。結果表明:固溶處理和時效處理對自潤滑相的尺寸、形狀以及分布具有重要影響。930℃、40min為固溶處理的最佳保溫溫度和最佳保溫時間;550℃、60min為時效處理的最佳保溫溫度和最佳保溫時間。在固溶處理未飽和階段，比表面積大的溶解

5、速率快，自潤滑相整體尺寸減?。ㄩL軸＜250um的小尺寸新生相的數(shù)量增加），形狀更圓整（長短軸之比從1.7降低到1.3）;固溶飽和后，由于平衡溶度與曲率半徑成反比，大的自潤滑相尺寸增加，小的自潤滑相尺寸減小。時效處理后細小的自潤滑相數(shù)量明顯增多，自潤滑分布更均勻（方差最小，為0.0001）。這種自潤滑相的形狀以及尺寸改變的微觀機制屬于擴散控制的溶解-析出機制。力學性能測試表明:退火態(tài)硫系自潤滑鋼的平均抗拉強度為455MPa，延伸率為3.6

6、％，平均沖擊韌性為2.23J/cm2，硬度為HRC33;而淬火+低溫回火態(tài)的硫系自潤滑鋼平均抗拉強度為385MPa，延伸率為3.4％，平均沖擊韌性為2.70J/cm2，硬度為HRC60。常溫摩擦磨損測試結果表明:硫系自潤滑鋼的摩擦系數(shù)比滑動軸承常用的663錫青銅稍高，但其磨損率是錫青銅的1/43～1/39。高溫摩擦磨損測試結果表明:硫系自潤滑鋼的摩擦系數(shù)比663錫青銅稍高，但硫系自潤滑鋼的抗磨損性能比663錫青銅提高了20倍以上。在常溫