（材料科学与工程专业论文）自润滑高硫合金钢组织及性能研究.pdf

摘要 高硫合会钢作为一种新型的自润滑材料，经过特殊方法，在钢中加入比常规钢高出 数十倍甚至上百倍的元素硫，硫变为有益元素。 本课题以高硫合金钢作为研究对象，对其进行显微组织和显微硬度分析；将高硫合 金钢在3 5 的n a c l 溶液中进行动电位极化和交流阻抗测试，然后用扫描电镜对腐蚀后 的表面形貌进行观察分析及e d s 面元素分布分析；将高硫合金钢与n 8 0 钢制成摩擦对 偶件，在m g - - 2 0 0 型高速高温摩擦试验机上完成水介质中高硫钢与n 8 0 钢的环一环摩擦 试验，对其磨损后的表面形貌和显微硬度进行研究，摩擦性能以及磨损机理进行分析； 通过对其力学性能进行测试，研究其抗拉伸性能及抗冲击性能。 h s 钢中硫化物致密均匀地呈球状、棒状或网络状向基体延伸，与基体结合牢固。 h s 钢的耐腐蚀性能优于3 5 c r m o 钢，腐蚀速度低于3 c r m o 钢，在h s 3 钢表面形 成的腐蚀产物膜致密，缺陷少。h s 钢表面发生明显的选择性腐蚀。硫化物颗粒与相界 之间以及不同方向的珠光体的晶界与晶界内部，珠光体中的铁素体和基体中硫化物颗粒 周围的铁素体和f e 3 c 就形成微电池，电位较低的硫化物的相界和晶界及铁素体就成为 微电池的阳极，首先受到腐蚀。 拉伸初期，随着负荷的增加，变形量增大，基本上呈线性关系。试样在拉伸的过程 中，存在着典型的线性阶段、强化阶段和局部变形阶段，但是屈服阶段不明显，具有一 定抗拉强度和抗冲击性能。 硫化物在h s 钢表面形成润滑膜，且润滑膜向n 8 0 钢摩擦表面转移，阻断了金属之 间的直接接触，起到良好的自润滑与减摩效果。h s 钢磨损后显微硬度降低，呈现轻微 的表面加工硬化，n 8 0 钢的磨损后的显微硬度低于磨损前的。 关键字：高硫，自润滑，组织与成分，电化学腐蚀，摩擦磨损性能，力学性能 a s t u d y o nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fh i g hs u l f i d es t e e l c u il a n f a n g ( m a t e r i a lp r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u ny o n g x i n g a b s t r a c t t h es u l f u rb e c a m eab e n e f i c i a le l e m e n tw h e nt h eh i g hs u l f i d es t e e l ，an e wt y p eo f s e l f - l u b r i c a t i n gm a t e r i a l w a sa d d e dw i t ht h es u l f u rt h a tw a st e n so re v e nh u n d r e d so ft i m e s m o r et h a nt h eo r d i n a r yc o n t e n t sb ya p p l y i n gs o m ep a r t i c u l a rm e t h o d t h i sp r o j e c ta n a l y z e dt h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s so ft h eh i g hs u l f i d e s t e e l t h eh ig h s u l f i d es t e e lw a sp u ti n t ot h e3 5 n a c1l i q u o rf o rt h ee l e c t r o k i n e t i cp o t e n t i a l p o l a r i z a t i o ne x p e r i m e n ta n d t h e a l t e r n a t i n g c u r r e n ti m p e d a n c ee x p e r i m e n t t h e n ，t h e o b s e r v a t i o na n dt h ee d ss u r f a c ee l e m e n td i s t r i b u t i o no ft h ec o r r o d e ds u r f a c et o p o g r a p h y w e r ec a r r i e do u tb yu s i n gt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e t h eh i 曲s u l f i d es t e e lw a sm a d e i n t ot h er i n g o n r i n gf r i c t i o nm a t i n gp l a t e ，w h i c hw a st h e np u to n t ot h em g 2 0 0 0h i i g hs p e e d a n dt e m p e r a t u r ef r i c t i o nt e s t i n gm a c h i n ef o rt h ef r i c t i o nt e s tb e t w e e nt h ea q u e o u sm e d i u m h i g hs u l f i d es t e e la n dn 8 0s t e e l a f t e rt h a t ，t h es u r f a c et o p o g r a p h y , t h em i c r oh a r d n e s s ，t h e f r i c t i o n a lb e h a v i o r ,a n dt h ea b r a s i o nm e c h a n i s mw e r et h e na n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t ye x p e r i m e n tw a st a k e nt oe x a m i n et h et e n s i l ep r o p e r t ya n dt h es h o c k r e s i s t a n c e t h es u l f i d eo ft h eh ss t e e ld e n s e l ya n de v e n l ye x t e n d e dt ot h em a t r i x ，i nt h es h a p eo f s p h e r a l i t y , c l a v a t e ，o rn e t w o r k ，a n df o r m e daf i r mc o m b i n a t i o n 诵t h i t t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fh ss t e e li sb e t t e rt h a nt h e3 5 c r m os t e e l ，a n dt h ec o r r o s i o n s p e e dw a ss l o w e rt h a nt h a to ft h el a t t e r t h ec o r r o s i o np r o d u c t so nt h es u r f a c eo fh s 3s t e e l w e r ed e n s ea n dl e s sd e f e c t e d t h eo b v i o u so p t i o n a lc o r r o s i o nh a p p e n e do nt h es u r f a c eo fh s s t e e l t h em i c r o b a t t e r yw a sf o r m e db e t w e e nt h es u l f i d ep a r t i c l e sa n dp h a s eb o u n d a r y , b e t w e e nt h ec r y s t a lb o u n d a r yo fp e a d i t ew i t hd i f f e r e n td i r e c t i o n sa n di t si n s i d e ，a n da m o n g t h ef e r r i t eo fp e a r l i t ea n dt h a ta r o u n dt h es u l f i d ep a r t i c l e so ft h em a t r i xa n df e 3 c t h es u l f i d e p h a s eb o u n d a r ya n dt h ec r y s t a lb o u n d a r yw i t hl o we l e c t r i cp o t e n t i a la n dt h ef e r r i t ew a st h e a n o d e ，w h i c hw a sc o r r o d e df i r s t l y a tt h ei n i t i a ls t a g eo ft h et e n s i o nt e s t ，t h em o d e lg e n e r a l l ya p p e a r e dt h el i n e a rr e l a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n gl o a da n dd e f l e c t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fs t r e t c h i n g ，t h em o d e l ，w h i c h h a ds a t i s f a c t o r ya n t i f o r c ec a p a b i l i t y , w e n tt h r o u g ht y p i c a ll i n e a r , i n t e n s i v e ，a n dl o c a l d i s t o r t i o np h a s e s ，a n dt h eu n n o t i c e a b l ey i e l d i n gp h a s e t h es u l f i d eo nt h es u r f a c eo fh ss t e e lf o r m e dt h el u b r i c a n tf i l m ，w h i c ht r a n s f e r r e dt ot h e f r i c t i o ns u r f a c eo fn 8 0s t e e la n db l o c k e dt h ed i r e c tc o n t a c ta m o n gt h em e t a l s ，t h u st h e s a t i s f a c t o r ys e l f - l u b r i c a t i n ga n da n t i a t t r i t i o ne f f e c t sw e r er e a c h e d a f t e rt h ef r i c t i o n ，t h e m i c r oh a r d n e s so ft h eh ss t e e lb e c a m el o w e ra n ds l i g h ts u r f a c ew o r kh a r d e n i n go c c u r r e d a n dt h em i c r oh a r d n e s so ft h en 8 0s t e e lw a sl o w e ra f t e rt h ef r i c t i o nt h a nb e f o r e k e yw o r d s ：s e l f - l u b r i c a t i o n ，h i g h - s u l p h u rs t e e l ；t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s ；f r i c t i o n m e c h a n i s m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 1 7 1 辫i ：列峰r 过b 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部i - l ( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 r 期：矽哞月才闩 日期：渺年上月才日 中国石油人学( 华东) 硕十：学位论文 第一章前言 1 1 课题研究背景和意义 随着科学技术的不断发展，对各种设备及零部件性能的要求越来越高，而设备及零 部件的摩擦磨损是普遍存在的自然现象，世晃摩擦学会的统计表明，摩擦损失了世晃一 次性能源的1 3 以上，磨损每年造成的损失约占国民生产总值的l 。为延长使用寿命、 节约材料与能源，在很多领域迫切需要解决摩擦、磨损与润滑防护问题。目前润滑材 料主要有4 种：气体润滑剂、流体( 以油为主) 、润滑脂( 半固态) 及固体润滑材料。液态、 半固态润滑是传统的润滑方式，也是应用最为广泛的一种润滑方式，但采用液态、半固 态润滑存在适用的温度范围较窄，在高温作用下承载能力下降、润滑性能衰减，还会造 成环境污染、增加成本等问题。因此，工况恶劣的环境中，传统的润滑方法已难以满足 要求。对于那些长期处于高温、高速、重载、干摩擦或边界润滑状态下的零部件，减小 与控制摩擦与磨损显得尤为必要。自润滑材料在性能上极大地突破了传统材料的使用极 限，被广泛地应用于电子、生物、航天航空等高科技领域，成为润滑领域的一种新材料， 是目前摩擦学领域的重要研究热点，越来越受到社会关注1 2 _ 5 j 。 自润滑高硫合金钢( h i g hs u l f i d es t e e l s ，简称h s 钢) 突破了传统材料中硫元素的 限制，通过特殊方法，使硫在材料中形成硫化物，变为有益元素。目前国内生产的高硫 钢中的硫化物仍然比较粗大，形态不均匀，硫化物的形态与基体组织的关系不明确，因 此找出具体影响硫化物形态的因素，确定优化生产工艺的研究具有重要的意义，对h s 钢在摩擦磨损过程中的摩擦行为、抗磨减摩及自润滑机理尚没有系统的理论研究。本课 题以h s 钢为研究对象，通过金相组织和微观成分分析，腐蚀行为研究，力学性能及其 在摩擦磨损过程中摩擦行为的研究，深入研究h s 钢的抗磨减摩及自润滑机理，从而为 扩大h s 钢的应用范围、领域及优化h s 钢的性能提供理论基础。 1 2 自润滑高硫钢的研究进展 1 2 1 自润滑耐磨损高硫钢 白相滑耐磨高硫钢是在铁基合金中加入适量的硫，采用一定的工艺方法制备而成。 利用硫与合金中的某些元素反应生成固体润滑剂，从而达到有效地改善材料的摩擦学特 性的效果，比如高速工具钢6 1 ，滚珠钢，轴承钢等钢中存在适量的硫和控制合适的硫化 物形态，硫非但无害，反而起到有利作用。其制备方法主要有铸造法和粉末冶金法，另 第一章前言 外离子渗硫技术也被应用于制备高硫钢。 吴德炳等人【7 1 以含硫3 0 - - 3 2 的硫铁为主要原料，用电弧炉，加入废钢和所需合金 元素，1 6 0 0 1 6 5 0 时加入硫铁，最后加入脱氧剂，镇静后出钢。钢中含硫量为0 5 1 1 ，耐磨性提高。可取代钢、铁、铜及铜合金( 各种机器的轴承、轴瓦、涡轮、滑块、 衬板等) 的耐磨制品，其原理是降低机件的摩擦系数，延长使用寿命。 s d h a n a s e k a r a n 等人【8 1 采用粉末冶金烧结法制得不同m o s 2 含量的f e c c u m o s 2 和f e c c u - n i m o s 2 合金，研究表明，与基体材料f e c c u 和f e c c u - n i 合金相比， 其强度和硬度都有所提高，从而改善了其耐磨料磨损性能。通过磨损面的s e m 照片观 察，添加m o s 2 的试样表面的缩孔减少，摩擦痕迹平滑，磨损轻微。 离子渗硫技术可以在钢铁材料上制备以f e s 为主的渗硫层，由于f e s 为密排六方的晶 体结构，在剪切应力的作用下，变形抗力小，易沿密排面滑移，从而产生减摩效果。目 前该技术已广泛应用于刀具、活塞环、齿轮、轴承等机械零件上，有效地延长了零件的 使用寿命。比如，张宁等人采用低温离子渗硫技术在1 0 4 5 钢( 4 5 拌钢) 和5 2 1 0 0 钢( g c r l 5 钢) 表面形成不同厚度的渗硫层，渗硫层中形成f e s 和f e s 2 ，且渗硫层在磨损过程中硫会向 对磨面转移，促进摩擦表面边界膜中氧化物的生成，由氧化物与硫化物共同组成的边界 润滑膜，可使承载能力显著提高，减少其磨损 9 1 。 1 2 2 自润滑易切削高硫钢 高硫易切削钢是易切削钢中产量最大的一种，占易切削钢总量的9 0 以上，被广泛 应用于汽车、农机、通用机械的机械工业等领域。自润滑易切削高硫钢的作用机理为： ( 1 ) 应力集中源及自润滑作用 高硫易切削钢是在钢液中加入f e s ，使其在凝固时以硫化物( m n s ) 形式析出的钢 种。m n s 以球状或纺锤形分布在基体中，在切削过程中由于切削力的作用，尤其是材 料在弹性变形范围内，将引起应力集中效应，诱发微细裂纹，同时，m n s 阻碍位错运 动，使塑性变形困难，将在m n s 端部产生附加应力。由于位错运动受阻，剪切变形被 限制在较小的局部范围，使剪切角增大，同时m n s 具有自润滑作用，从而降低切削力 【t o ，l l 】 o ( 2 ) 抑制积屑瘤作用 m n s 还可以减少积屑瘤的凝聚量，改善精加工面的光洁度1 1o 1 。 ( 3 ) 减摩作用 2 中图石油人学( 华东) 硕l 学位论文 为了提高钢的纯净度和调整晶粒度，要在钢液中加入铝，而其中一部分铝以a 1 2 0 3 的形式残存于钢中，由于a 1 2 0 3 硬度较高，在切削时会因摩擦而增加磨耗，钢中产生的 m n s ，其中一部分会在a 1 2 0 3 的周围析出，从而防止a 1 2 0 3 与切削工具直接接触，达到降 低磨耗的目的f 1 0 , 1 h 。 ( 4 ) 硫化物在刀具表面形成一层保护膜，提高刀具寿命【1 0 , i l l 。 高硫易切削钢的生产难度大，主要体现在控硫技术，以及硫化物的形态控制。 文酬1 2 】利用精炼包喂线法控制增硫制得高硫易切削钢，该方法是将纯硫磺加工成芯 线，用喂线机把硫磺芯线快速穿破渣层，送到钢包底部，硫磺芯线在钢包下部熔化而被 钢液充分吸收，操作简单，增硫工艺时间短。首钢【l3 】利用转炉一炉外精炼一连铸生产的 非调质钢具有纯净度高、成本低和适合大批量生产等特点。目前生产的高硫易切削钢的 强度级别在1 0 0 0m p a 以下，其中低强度较多。 国外高硫易切削钢主要采用电弧炉熔炼+ 二次精炼+ 连铸工艺进行生产，该工艺成 熟、产品质量可靠，已逐渐取代了电弧炉熔炼+ 模铸的生产方式【l4 1 ，且易切削钢硫化物 形态为纺锤形且分布均匀，生产成本低，市场竞争力强。 另外，利用计算机程序模拟凝固过程中易切削钢央杂物的形成、显微分析及其变形 行为，用有关热力学数据对易切削钢中夹杂物类型的预测取得显著进展，意味着我国易 切削钢研究从经验积累、感性认识阶段逐步转向数值分析和科学预测阶段【1 5 , 1 6 。 1 3 高硫钢中硫化物形态的影响因素 ( 1 ) 钢液中氧含量和钢的成分的影响 钢中硫化物的分布形态，与钢液脱氧程度和钢的成分有关。脱氧良好的钢液，硫化 物是均匀分布的，当含氧量高时，将会形成氧化物和硫化物的复合夹杂。 比如m n s 在钢中有三种状态：( 1 ) 在氧含量大于0 0 1 2 的硅脱氧沸腾钢或半镇静 钢水中，m n s 为单相、球形、尺寸多数在1 0 3 0 微米的i 型m n s ：( 2 ) 氧含量在0 0 1 2 - - 0 0 0 8 时，m n s 是呈扇形或链状分布于晶界的i i 型m n s ；( 3 ) 氧含量小于0 0 0 8 时， m n s 呈角状或块状的i i i 型m n s l l 7 , 1 8 】。 钢的成分( 如a l 、c 、s i 等) 为影响硫化物形态的主要因素，比如，有研究认为含 m n 为0 5 1 8 的普碳钢，含( s ) 小于0 1 ，( a 1 ) 0 7 时，只生成i i i 类硫化物。所以，除钢中( a 1 ) 含 第一章前言 量外，同时还必须碳高才形成i i i 类硫化物夹杂物【1 9 l 。 ( 2 ) 硫元素含量的影响 n t s u n e k a g e 等人【2 0 l 采用炼炉冶炼，然后锻造制成不同硫含量的钢棒，在室温 下( 2 0 。c ) 研究其c h a r p y 冲击韧性，发现随着硫含量的增加，材料的冲击性能有所改善， 原因可能是m n s 夹杂物阻碍奥氏体晶粒生长，促进晶内铁素体的增长。 ( 3 ) 钢液冷却速率的影响 硫化物是在钢液凝固过程中产生的，硫化物的形态受到冷却速率的影响，随冷却速 率的增大，生成的硫化物变小。 有研究发现【2 l 】，钢液在凝固过程中夹杂物颗粒长大模型如下： r 3 李繇尚。馘 式中，为生成的夹杂物的直径；而为夹杂物的最初直径( 形核核心的直径) ；t 7 为夹杂 物与钢液之间的比表面能；旷为夹杂物的摩尔体积；g 为钢液中溶质元素的浓度，其中 k = s ，m n ；历为溶质元素的扩散系数( m 2 s ) ；斤为气体常数；为达到形成夹杂物的溶质 元素的浓度；at h 为从第h 温度区间冷却到固相线的时间( h = l ，2 ，1 0 ) ； 4 铲( 牙力尼，尼为冷却速率，乃为固相线温度，乃为第h 温度区间的温度；乃为在 第h 温度区间和固相线之间的中间温乃7 = ( 尉力2 。 由上式可看出，历随着温度的降低而减小，冷却速度的加大会减少溶质元素的偏析， 因而g 也相应降低。并且从第h 温度区间冷却到固相线的时问问隔at 。随着冷却速率 尼的增大而减小。因此，随冷却速率的增加，生成的夹杂物明显变d , t 2 1 1 。 ( 4 ) 硫化物变质剂( s u l f i d e f o r m i n ge l e m e n t sa d d i t i o n ) 的影响 n t s u n e k a g e 等人【2 0 1 研究发现添加c a 、m g 、t i 和z r 对硫化物夹杂物形态的影 响有很大区别，添加c a 和m g ，分别形成( m n ，c a ) s 和( m n ，m g ) s 硫化物，降 低试样的各向异性，改善了横向冲击韧性，这是因为( m n ，c a ) s 和( m n ，m g ) s 硫 化物硬度比m n s 夹杂物大，在热锻过程中这些硫化物比m n s 难于伸长，从而控制了夹 杂物的形态。钢中加入t i 时，形成( t i ，v ) c 及棒状和块状( p l a t e 1 i k e ) 的t i 2 c s ； 钢中加入z r 时，形成大块状的z r 2 c s ，另外( t i ，v ) c 引起沉淀硬化，使基体脆化， 因此t i 和z r 的加入，降低了钢的冲击韧性。 稀土( r e ) 在钢铁中是非常良好的变质剂，其变性作用主要表现在以下两个方面： 一是改变或影响杂质、夹杂物或有害相的存在状态( 或种类) 、组成与结构、形状、大小、 4 中国石油人学( 华东) 硕卜学位论文 分布等，以致减轻或消除其有害作用、甚至变有害为有利；其二是减轻或消除元素偏析 和组织不均匀性及细化钢的组分等，导致钢性能的改善【2 2 】。 另外钢组分配制、组分物理化学相容性、气氛以及温度等因素都可能影响硫化物的 形态及晶粒度。目前国内生产的高硫钢中的硫化物仍然比较粗大，形态不均匀，硫化物 的形态与基体组织的关系不明确，因此找出具体影响硫化物形态的因素，确定优化生产 工艺的研究具有重要的意义。 1 4 课题研究目标 本课题以h s 钢为研究对象，研究其在摩擦过程中的摩擦行为，通过显微组织分析、 硬度测试，对其在摩擦过程中的磨损机制和自润滑机理进行分析。 研究h s 钢的电化学腐蚀行为，分析其电化学腐蚀机理及耐蚀性。 通过研究h s 钢中的硫化物形态，及分布规律对h s 钢的影响，为优化h s 钢的性能 改进提供理论基础，从而为扩大材料的应用范围和领域提供基础，减少不必要的损失。 1 5 课题研究内容 ( 1 ) h s 钢组分配方的研究，冶炼，铸造( 与公司合作完成) 。 ( 2 ) h s 钢的显微组织及其成分。 ( 3 ) h s 钢电化学腐蚀行为研究，分析其腐蚀机理及耐蚀性。 ( 4 ) h s 钢进行拉伸和冲击实验，研究其抗拉伸和抗冲击的性能。 ( 5 ) 将h s 钢与n 8 0 钢组成对偶摩擦副，进行摩擦磨损试验，采用试样在实验前、 后质量损失量来表征材料耐磨性能；用扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行 观察，对其自润滑减摩抗磨机理进行分析研究。 第二章h s 钢的制备与组织性能评定方法 第二章h s 钢的制备与组织性能评定方法 本章主要介绍了h s 钢中合金元素的选用以及各种元素的特点、h s 钢的制备方法、 试样的制备方法以及h s 钢性能的各种测试评定方法。 2 1 h s 钢的制备 2 1 1 合金元素的选用 c r 元素可以提高钢的淬透性，钢中含有一定量的c r ，可以使钢具有一定的抗氧化 及耐蚀性能，当钢中c r 含量达到3 时，生成c r 3 c 和c r 7 c 3 碳化物，提高钢的耐磨性； c r c 的值是决定淬透性的主要因素，要根据对材料性能的不同要求而取不同的值2 3 1 。 m o 元素可以提高钢的淬透性、整体强度和延展性，当m o 、c r 等元素复合加入的 情况下，对钢的耐磨性也有所提高；按传统理论，s 会在晶界上生成硫化钼，使钢产生 热脆，增加了锻、轧热加工的困难，但m o s 2 又是一种极好的固体润滑剂【2 3 。 w 元素主要是提高材料的回火稳定性、红透性，热强性，降低钢的过热敏感性， 以及形成特殊的碳化物w c ，从而提高材料的耐磨性，w 与s 形成的w s 2 是一种良好 的固体润滑剂【2 3 】。 t i 元素与s 、c 都有极强的亲和力，与s 形成的t i s 2 是一种良好的固体润滑剂，其 与c 形成的t i c 非常稳定，不易分解，具有极强的硬度1 2 3 1 。 n i 可提高钢的强度而不显著降低其韧性，可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢 的低温韧性，改善钢的加工性和可焊性，提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗 碱和大气的腐蚀【2 3 1 。 稀土元素是一种有效的变质剂，它可以细化晶粒、净化晶界，改变钢中夹杂物的形 态和分布，对提高韧性、抗弯强度、硬度都有好处，它是一种提高材料综合性能的元素。 实践证明稀土元素中的r e 提高材料综合性能的效果更好伫3 1 。 s i 是钢中常见的元素，作为合金元素其加入量一般不低于o 8 ，它固溶于铁素体 和奥氏体中，提高材料的强度和硬度，同时它还是一种脱氧剂。 p 元素一般来说是钢中的有害元素。它来源于矿石和生铁等炼钢原料。磷能提高钢 的强度，但使塑性和韧性降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧上升，即提高钢的冷脆 性( 低温变脆) 。由于磷的有害影响，同时考虑到磷有较大的偏析，因而对其含量要严 格的控制。但是在含碳量比较低的钢种中，磷的冷脆危害比较小。在这种情况下，可以 6 中困石油人学( 华东) 硕j ：学位论文 用磷来提高钢的强度。 m n 是钢中常见元素，是有益元素。锰是作为脱氧除硫的元素加入到钢中的。对 于镇静钢来说，锰可以提高硅和铝的脱氧效果，可以同硫形成硫化锰，相当程度上降低 硫在钢中的危害，且m n s 2 也是一种固体润滑剂。锰对碳钢的力学性能有良好的影响， 它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。因此，精炼过 程中要按照技术要求严格稳定控制各炉次的锰含量【2 3 1 。 舢元素是良好的脱氧剂，有细化晶粒提高强度及抗氧化耐腐蚀的作用。 s 在材料中形成的化合物如：f e s 、m o s 2 、w s 2 、t i s 2 、m n s 2 、v s 2 等都是良好的 润滑剂，在材料中加入足够的s 元素及其它相应的元素，形成足够的f e s 、m o s 2 、w s 2 、 t i s 2 、m n s 2 、v s 2 等硫化物。 c 元素是对钢的性能影响最大的基本元素。c 元素在合金中形成w c 、c r 3 c ( c r 7 c 3 ) 、 t i c 、m o c 等众多高熔点碳化物硬质相。 2 1 2 试验材料及制备方法 本文所用材料是由河南安阳青山高硫合金钢公司提供，其制备方法为：以含硫3 0 3 2 的硫铁为主要原料，用电弧炉，加入废钢和所需合金元素，1 6 0 0 一1 6 5 0 时加 入硫铁，最后加入脱氧剂，镇静后出钢 7 1 。试验中h s 钢材料的种类较多，为了方便以 后的分析，对其进行编号，h s 钢的编号及化学成分表见2 1 。 表2 - 1h s 钢的编号及化学成分表( w t ) t a b l e 2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fh ss t e e l 2 2h s 钢组织与成分分析 用线切割机将编号为h s 1 、h s 2 、h s 3 的h s 钢切成1 0 m mx l o m m 5r n l t l 的试样， 按以下步骤操作： ( 1 ) 锉平； ( 2 ) 粗磨：将试样放在粗砂纸上手工进行粗磨； 7 第- 二章h s 钢的制备0 组织性能评定方法 ( 3 ) 细磨：用8 0 0 、1 0 0 0 、1 2 0 0 、1 5 0 0 、2 0 0 0 号水砂纸依次磨削。磨光时一定要 使试样受力均匀，磨面与砂纸完全接触，试样单向磨制，当磨光表面的划痕都指向同一 个方向时更换小一号砂纸，同时试样旋转9 0 。继续磨制，直到磨到2 0 0 0 号砂纸； ( 4 ) 抛光：用机械抛光法，在抛光机上使用抛光布对试样表面进行抛光； ( 5 ) 试样的拍照：将准备好的试样放在金相显微镜下观察，选择有代表性的部位 进行拍照。将准备好的试样在v e g ai ix m u 钨灯丝扫描电子显微镜下观察，并选择有代 表的部位拍照，并利用扫描电子显微镜的附件( e d s ) q u a n t a x 一4 0 0 x 射线能谱仪进行成 分分析； ( 6 ) 将抛光完成的试样用4 的硝酸酒精溶液进行腐蚀，然后用v e g ai ix m u 钨灯 丝扫描电子显微镜观察其组织形貌，选择有代表性的部位拍照。 2 3h s 钢的电化学腐蚀行为研究 ( 1 ) 腐蚀试样的制备 将编号为h s 1 、h s 一2 、h s 3 及3 5 c r m o 钢用线切割机切成1 5r e a l 1 5n l n l 的试样， 用水砂纸由粗到细打磨到2 0 0 0 目，经去离子水冲洗干净后脱脂，干燥后备用。 ( 2 ) 腐蚀试验设备及方法 电化学测试采用典型的三电极系统在腐蚀介质中进行。腐蚀电池应用美国 p e r k i n e l m e r 公司生产的k 0 2 3 5 平板电池( 见图2 1 ) ，其独特的设计使得h s 钢试样 表面的- - , j , 部分( 1 c m 2 ) 暴露于试验溶液，基体与腐蚀介质不接触，因此对于h s 钢试 样来说不必对非测试面进行涂封。研究电极为h s 钢试样，辅助电极为铂铑合金。腐蚀 介质为3 5 的n a c i 溶液，参比电极采用饱和甘汞电极。 ( 3 ) 对腐蚀电化学腐蚀后的试样用v e g ai ix m u 钨灯丝扫描电镜进行形貌观察， 和扫描电子显微镜附件q u a n t a x 一4 0 0 x 射线能谱仪进行面成分分析。 中国“油太学( 华东) 确学位论立 为 2 4 力学性能实验 厂 岳! 溏 一飞 圈2 - lk 0 2 3 5 平扳电池韵示意图 f i 9 2 - 1 k 0 2 3 5 t h e c e l l 24 1 拉伸试验 通过拉仲试骏可以揭示材料在静载荷作用下的应力和应变关系以及过量弹性变形、 塑性变形、断裂三种失效形式的特点和基本规律。在c m t 5 3 0 5 电子万能试验机上对 h s 钢进行拉伸试验。 试样材料为h s 3 铜，拉伸试样尺寸采用国家标准g b t 2 2 8 2 0 0 2 中规定的长比例试 件，实验段直径乩= 1 0 r a m 标距，。= 1 0 0 r a m ，如图2 - 2 所示。 图2 0 拉伸试样示意盟 魄2 - 2 d 自l g r l mo f t e n s i l es p e c i m e n s 1 u 匕 第_ 二章h s 钢的制备j 组织性能评定方法 2 4 2 冲击试验 在j b 3 0 b 冲击试验机上对h s 3 进行常温冲击试验。 试样材料为h s 3 钢，材料编号为h s 3 1 、h s 3 2 、h s 3 3 ，冲击试样长度为5 5n l r n ， 横截面为1 0r a i n 1 0m m 方形截面，在试样长度中间有v 型。 2 4 h s 钢的摩擦磨损试验 实验材料为：h s - 3 高硫合金钢，n 8 0 钢及调制4 5 # 钢，粗糙度经磨削均为1 6 ；实 验介质为清水。 利用国产m g - - 2 0 0 高速高温摩擦磨损试验机评价摩擦副的摩擦磨损性能2 4 1 ，试验 机总体结构图如图2 3 所示。 图2 - 3 磨损试验机不意图 f i 9 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea s s e m b l i n go ft h ea b r a s i o nt e s t 摩擦副接触方式为环一环接触，摩擦副试环外径为6 0 3 m m ，内径为5 0 5 m m ，其中 静止上试环材质为n 8 0 油管材料，旋转下试环材质为h s 钢材料，如图2 4 和2 5 。结 合井下实际工况，按抽油杆工作过程中与油管发生偏磨的滑动速度相近的原则，试验机 转速为5 0 0r m i n ，对应的滑动速度为1 4 5m s 。根据弯曲失稳时抽油杆作用于油管侧向 力的大小选择载荷为4 0 0n 。试验周期为1 0 万转。由测得的摩擦力和轴向载荷确定摩 擦系数，i _ t = 1 4 7 t 佰 t 为摩擦力矩( n m ) ；f 为轴向载荷( n ) 。采用计算机控制和检 测其它试验参数。采用电子天平( 其精度为0 1m g ) 测量试件的磨损质量损失【2 5 】。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕t 学位论文 采用质量磨损率来评价h s 钢和油管材料的耐磨能：k w = 2 a w n ( d i + d 2 ) n ，式中： k w 为磨损率，e , m ；, s w 为h s 钢和n 8 0 油管试件的质量磨损量，g ；d i 和d 2 为试环的 内、外径，m ；n 为总转数。具体参数见表2 2 。试样夹具图样如图2 - 6 所示。 图2 4 h s 钢试样示意图图 f i g2 - 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh ss t e e lo f a b r a s i o nt e s t 匙、 伊j “ 乡： 2 5 对偶件n 8 0 钢的试样示意图 f i 9 2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fn 8 0s t e e lo f a b r a s i o nt e s t 图2 - 6 试验夹具示意图 f i 9 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo ft e s tf i x t u r e 第一二章h s 钢的制备0 组织性能评定方法 表2 - 2h s 钢n 8 0 钢摩擦学试验工况参数表 t a b l e 2 2p a r a m e t e ro ft e s to fh s $ t e e l n 8 0s t e e l 2 5硬度分析 显微维氏硬度实验是在华银h v - 1 0 0 0 a 型显微维氏硬度计上完成的，所采用的负荷 p 为1 0k g f , 载荷保持的时间为1 5s 。 将具有一定形状的金刚石角锥压头在一定的试验力作用下，压入被测试件表面，试 验力按规定保持一定的时间后卸除，然后测量所得压痕对角线长度，根据对角线之长度 查表或带入公式求得硬度值。维氏显微硬度，采用两对角面为1 3 6 。的j 下四棱角锥体为 压头，其计算公式为： 2 f s i n 丝 。 h v = 1 一= 1 8 5 4 4 事旧棚2 ) 2 一l 式中：h v 一维氏显微硬度符号( k g f m m 2 ) ； 矽一金刚石锥体棱面夹角( 1 3 6 0 ) ； f 一施加在试样上的试验力( k g f ) d 一压痕对角线长度( i l l n l ) 。 1 2 中周油大学( 毕束) 确t 掌位论文 第三章h s 钢的组织及成分分析 31h s - 1 钢组织及成分分析 图3 - l 是h s 一1 钢的显微组织s e m 照片，其中3 一l a ，c 为腐蚀前的硫化物的金榍照 片，3 一l b ，d 为“的硝酸酒精溶液腐蚀后的基体组织照片。由图3 1 a ，c 中可以看出， 硫化物呈棒状、类球状等，尺寸和形状不均一，分粕不均匀，出3 - 1 b ，d 中可以看出， 基体组织为较多的铁素体和粗大的珠光体。 ( b ) 囊醺黪。警剐 ( d ) 囝3 - 1h s - i 锅显徽组织的s e m 照片 ( - ) ( c ) 腐蚀前。( b ) ( d ) 腐蚀后 f i g l m k r e e t m c t u r e o f i l s - is t e e l s 协) ( c ) b e f o r e c o r r o m o u ；( b ) ( d ) a f t e r c o r r o s i o n 麓爨蓥 第三章h s 钢的组织与成分分析 图3 2 为h s 1 钢的面元素f e 、s 、m n 、c r 、s i 元素的分布图，其中3 2a 为二次电 子像图。从图3 2d ，e 中，可以看出s 和m n 元素在硫化物带上分布多，从图3 2b 中 f e 在硫化物带上分布少，从图3 2c ，f 中可以看出，s i 和c r 元素基本分布均匀，局部 区略高一些。 图3 3 为h s 1 钢硫化物中的能谱分析图，及硫化物的化学成分能谱分析结果见表 3 1 。从能谱分析图中可以看出硫化物主要有s 、f e 、c r 、m n 等几种元素组成。其中类 球状的硫化物( 点o b j e c t2 4 和点o b j e c t2 5 ) 的化学成分主要为$ 3 2 3 3 ，f e 2 9 8 2 ， c r 2 1 0 2 ，m n l 3 5 2 ，和$ 3 2 7 7 ，f e l8 0 3 ，c r 3 4 1 ，m n 4 7 0 9 ，长条状的硫化 物( 点o b j e c t2 6 和点o b j e c t2 9 ) 的化学成分主要为$ 3 0 2 0 ，f e l 7 2 9 ，m n 3 5 2 8 ， 和s 1 7 4 3 ，f e 6 3 8 8 ，m n l 7 9 4 ，硫化物主要由这些元素组成的复合物，分析结果 与h s 1 钢的面元素的分布规律基本一致。 表3 1 硫化物的化学成分能谱分析结果( w t ) t a b l e 3 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs u l f i d ea n a i y s i ss p e c t r u m 1 4 中日油大学( 华末) 硬学位论文 ( i ) = 放电子像( 6 0 0 ) ( e ) m a 元素的分布( f ) c r 元素的分布 围3 - 2h s - 1 铜的元素面分布( s e m ) f i 9 3 - 2d i s w i b u t i o ao f e l e m e n f x o f h s - is t e e l ( s e m ) 布_圈曩曩分墨曩的i素霸冈叠圈叠一 元舅蹬量舅皇-_ 霸曩一 )i