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

发布时间：2017-06-02 21:28

  本文关键词：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，由笔耕文化传播整理发布。

【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。本文讨论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CrSFeSMoS2,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。
【关键词】：硫系自润滑钢 金属硫化物 形成机制 固溶处理 时效处理 力学性能 摩擦磨损
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142;TH117
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 绪论13-25
• 1.1 引言13-14
• 1.2 固体润滑材料简介14-18
• 1.2.1 固体自润滑材料性能优点14-15
• 1.2.2 固体自润滑材料的种类15
• 1.2.3 常见固体润滑剂15-17
• 1.2.4 硫系自润滑钢17-18
• 1.3 合金元素在自润滑钢中的作用18-19
• 1.4 硫系自润滑钢中的金属硫化物19-21
• 1.4.1 金属硫化物在硫系自润滑钢中的形态19-20
• 1.4.2 金属硫化物的润滑性能20-21
• 1.5 固溶处理与时效处理21
• 1.6 硫系自润滑钢的发展趋势21-23
• 1.7 研究内容23
• 1.8 研究意义23-25
• 1.8.1 工程意义23-24
• 1.8.2 理论意义24-25
• 2 试验与分析测试25-36
• 2.1 材料的制备25
• 2.2 金属硫化物的测试分析方法25-27
• 2.2.1 试验方法25-26
• 2.2.2 XRD分析26
• 2.2.3 能谱分析26-27
• 2.3 固溶处理试验方法27-29
• 2.3.1 方案步骤27
• 2.3.2 淬火介质的确定27-28
• 2.3.3 相关参数的确定28-29
• 2.4 时效处理试验方法29-31
• 2.4.1 方案步骤29
• 2.4.2 相关参数的确定29-31
• 2.5 固溶处理和时效处理分析方法31-32
• 2.5.1 光学显微分析31
• 2.5.2 图像分析软件31-32
• 2.6 自润滑钢性能测试32-36
• 2.6.1 力学性能测试32-33
• 2.6.2 硬度测试33
• 2.6.3 摩擦磨损性能测试33-36
• 3 硫系自润滑钢中金属硫化物的分析36-44
• 3.1 1150℃退火试验36-37
• 3.2 硫系自润滑钢的物相鉴定37-38
• 3.3 相图分析38-39
• 3.4 热力学分析39-40
• 3.5 能谱分析40-42
• 3.5.1 硫系自润滑钢的整体能谱分析40-41
• 3.5.2 硫系自润滑钢中自润滑相的能谱分析41-42
• 3.5.3 硫系自润滑钢中元素的面分布42
• 3.6 本章小结42-44
• 4 硫系自润滑钢中自润滑相的控制方法44-65
• 4.1 铸态试样结果分析44-47
• 4.1.1 铸态光学显微分析44-45
• 4.1.2 铸态扫描电子显微分析45-47
• 4.2 退火处理47-48
• 4.2.1 退火态光学显微分析47
• 4.2.2 退火态数理统计分析47-48
• 4.3 固溶处理48-57
• 4.3.1 最佳固溶温度确定48-51
• 4.3.2 最佳固溶时间确定51-54
• 4.3.3 固溶处理扫描电子显微分析54-55
• 4.3.4 固溶处理机理研究55-57
• 4.4 时效处理57-64
• 4.4.1 最佳时效温度确定57-59
• 4.4.2 最佳时效时间确定59-62
• 4.4.3 时效处理扫描电子显微分析62-64
• 4.4.4 时效处理机理研究64
• 4.5 本章小结64-65
• 5 硫系自润滑钢的性能测试及分析65-72
• 5.1 力学性能测试65-67
• 5.1.1 拉伸性能测试65-66
• 5.1.2 冲击性能测试66-67
• 5.1.3 硬度测试67
• 5.2 摩擦磨损性能测试67-71
• 5.2.1 常温摩擦磨损性能测试67-70
• 5.2.2 高温摩擦磨损性能测试70-71
• 5.3 本章小结71-72
• 6 结论72-74
• 参考文献74-78
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果78-80
• 学位论文数据集80

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