硫系自润滑钢中原位自生金属硫化物自润滑相的形成机制与控制方法

摘要

硫系自润滑钢是一种含有原位自生金属硫化物自润滑相的功能型合金钢，它具有耐高温、自润滑、耐磨性好、成本低等优点。自润滑耐磨钢中自润滑相的形态、大小和分布对其润滑和耐磨性能有重要影响。由于硫在铁中常与Fe形成FeS，这种FeS多为大块状夹杂，主要分布在晶界附近，造成晶界弱化、基体割裂和应力集中，从而严重影响钢材的韧性、强度以及可锻性。因此，如何有效控制自润滑相的数量、形态、尺寸和分布成为能否制备出具有良好自润滑耐磨性能及良好力学性能的硫系自润滑钢的关键因素。
　　本文研究了硫系自润滑钢自润滑相中金属硫化物的形成机制;分析了硫系自润滑钢的微观组织;探讨了固溶处理和时效处理对自润滑相形状、尺寸和分布变化的影响规律和机制;测试了其力学性能、常温和高温摩擦磨损性能。为降低FeS的含量、减少其有害作用做出了初步探索，从而为该钢种的应用奠定了理论及实验基础。利用X射线衍射、EDS，结合热力学分析，研究了硫系自润滑钢自润滑相中金属硫化物的形成机制。结果表明:硫系自润滑钢自润滑相中的S元素在钢基体中的含量极少（铸态0.1％），其主要集中在金属硫化物自润滑相中。这些金属硫化物主要是FeS、CrS、MoS2以及一些多元硫化物。钢中硫化物的生成顺序CrS＞FeS＞MoS2，因此可以通过增加Cr含量来置换FeS。硫系自润滑钢中的主要合金元素Cr在基体和自润滑相中都有分布。本文通过分析硫化物的生成热力学和各元素在基体和自润滑相中的分布，发现可以通过增加Cr元素的含量，提高反应温度、压强的方法降低自润滑相中FeS的含量。这为改善这种硫系自润滑钢的可锻性提供了可行性论证。通过光学显微分析、扫描电子显微分析以及数理统计分析，研究了硫系自润滑钢的微观组织，确定了固溶处理和时效处理的最佳保温时间和保温温度，并分析了固溶处理和时效处理机制。结果表明:固溶处理和时效处理对自润滑相的尺寸、形状以及分布具有重要影响。930℃、40min为固溶处理的最佳保温温度和最佳保温时间;550℃、60min为时效处理的最佳保温温度和最佳保温时间。在固溶处理未饱和阶段，比表面积大的溶解速率快，自润滑相整体尺寸减小（长轴＜250um的小尺寸新生相的数量增加），形状更圆整（长短轴之比从1.7降低到1.3）;固溶饱和后，由于平衡溶度与曲率半径成反比，大的自润滑相尺寸增加，小的自润滑相尺寸减小。时效处理后细小的自润滑相数量明显增多，自润滑分布更均匀（方差最小，为0.0001）。这种自润滑相的形状以及尺寸改变的微观机制属于扩散控制的溶解-析出机制。力学性能测试表明:退火态硫系自润滑钢的平均抗拉强度为455MPa，延伸率为3.6％，平均冲击韧性为2.23J/cm2，硬度为HRC33;而淬火+低温回火态的硫系自润滑钢平均抗拉强度为385MPa，延伸率为3.4％，平均冲击韧性为2.70J/cm2，硬度为HRC60。常温摩擦磨损测试结果表明:硫系自润滑钢的摩擦系数比滑动轴承常用的663锡青铜稍高，但其磨损率是锡青铜的1/43～1/39。高温摩擦磨损测试结果表明:硫系自润滑钢的摩擦系数比663锡青铜稍高，但硫系自润滑钢的抗磨损性能比663锡青铜提高了20倍以上。在常温摩擦磨损试验与高温摩擦磨损试验中，硫系自润滑钢的平均摩擦系数均会随着温度、载荷以及转速的升高而降低。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 固体润滑材料简介

1．2．1 固体自润滑材料性能优点

1．2．2 固体自润滑材料的种类

1．2．3 常见固体润滑剂

1．2．4 硫系自润滑钢

1．3 合金元素在自润滑钢中的作用

1．4 硫系自润滑钢中的金属硫化物

1．4．1 金属硫化物在硫系自润滑钢中的形态

1．4．2 金属硫化物的润滑性能

1．5 固溶处理与时效处理

1．6 硫系自润滑钢的发展趋势

1．7 研究内容

1．8 研究意义

1．8．1 工程意义

1．8．2 理论意义

2 试验与分析测试

2．1 材料的制备

2．2 金属硫化物的测试分析方法

2．2．1 试验方法

2．2．2 XRD分析

2．2．3 能谱分析

2．3 固溶处理试验方法

2．3．1 方案步骤

2．3．2 淬火介质的确定

2．3．3 相关参数的确定

2．4 时效处理试验方法

2．4．1 方案步骤

2．4．2 相关参数的确定

2．5 固溶处理和时效处理分析方法

2．5．1 光学显微分析

2．5．2 图像分析软件

2．6 自润滑钢性能测试

2．6．1 力学性能测试

2．6．2 硬度测试

2．6．3 摩擦磨损性能测试

3 硫系自润滑钢中金属硫化物的分析

3．1 1150℃退火试验

3．2 硫系自润滑钢的物相鉴定

3．3 相图分析

3．4 热力学分析

3．5 能谱分析

3．5．1 硫系自润滑钢的整体能谱分析

3．5．2 硫系自润滑钢中自润滑相的能谱分析

3．5．3 硫系自润滑钢中元素的面分布

3．6 本章小结

4 硫系自润滑钢中自润滑相的控制方法

4．1 铸态试样结果分析

4．1．1 铸态光学显微分析

4．1．2 铸态扫描电子显微分析

4．2 退火处理

4．2．1 退火态光学显微分析

4．2．2 退火态数理统计分析

4．3 固溶处理

4．3．1 最佳固溶温度确定

4．3．2 最佳固溶时间确定

4．3．3 固溶处理扫描电子显微分析

4．3．4 固溶处理机理研究

4．4 时效处理

4．4．1 最佳时效温度确定

4．4．2 最佳时效时间确定

4．4．3 时效处理扫描电子显微分析

4．4．4 时效处理机理研究

4．5 本章小结

5 硫系自润滑钢的性能测试及分析

5．1 力学性能测试

5．1．1 拉伸性能测试

5．1．2 冲击性能测试

5．1．3 硬度测试

5．2 摩擦磨损性能测试

5．2．1 常温摩擦磨损性能测试

5．2．2 高温摩擦磨损性能测试

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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