新型石墨鋼材質設計及高溫摩擦磨損性能研究

瞿海霞,侯曉光,韓建增

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

初軋機組承擔著將煉鋼生產的大鋼錠軋成鋼材軋機所需尺寸的圓棒坯、方坯,為發動機曲軸、油井管提供坯料,將大型連鑄坯再開坯,及利用初軋工藝改善成品質量的使命[1]。隨著終端用戶對產品力學性能需求的提高,初軋廠產品結構已經從原來的簡單規格、碳鋼產品,變化成為多規格、合金鋼、碳鋼并存的產品結構[2],而初軋機V1機架軋輥材質一直使用半鋼。使用過程中,半鋼V1輥易出現熱裂紋、斷輥、輥面凸起和輥耗大等問題,直接影響產品質量、生產的質量成本和消耗成本。由此可見,初軋產線產品材質與軋輥材質、裝備能力嚴重不匹配成為亟待解決的問題。

石墨鋼是一種材質介于球墨鑄鐵和半鋼之間、兼有鋼和鐵性能的一種新材質[3-4]。由于初軋V1機架具有較深V型槽、嚴苛工況條件、較大的軋制力和過鋼量,軋輥的抗熱裂紋性能、耐磨性和強度是軋輥的主要性能指標,尚未見石墨鋼作為初軋V1機架軋輥材質使用的報道。

本文中,針對初軋V1半鋼材質軋輥在使用過程中存在的輥面易產生裂紋、凸起,輥耗大,易斷輥等問題,結合V1機架軋制工況,設計用于初軋V1輥的石墨鋼新材質,研究其成分、微觀組織及高溫摩擦磨損等力學性能,以提高V1輥抗熱裂性和耐磨性。

1 研究方法

根據初軋V1機架軋輥工況特點,設計石墨鋼材質的成分、微觀組織和力學性能。

采用500 kg的真空感應爐熔煉,澆注成φ300 mm的合金錠,再進行熱處理和機加工,制備所需的試樣;采用AHR-150P型全自動觸屏數顯洛氏硬度計測量常溫硬度,采用DAKOMASTER 300型高溫硬度計測量高溫硬度;采用蔡司LSM800共聚焦顯微鏡和掃描電鏡觀察顯微組織和高溫摩擦磨損試樣表面形貌;采用Gleeble 3500進行高溫拉伸試驗;采用Rtec MFT-5000摩擦儀,以氧化鋁球作為上試樣,本文所研究的試樣做成盤狀下試樣,進行球盤式高溫摩擦磨損試驗。

2 研究結果及討論

將制備好的石墨鋼成分、微觀組織及力學性能進行檢測和試驗,并與初軋V1機架所用的半鋼軋輥的力學性能進行對比研究,探討二者的磨損機理及石墨鋼作為初軋V1輥材質的可能性。

2.1 材質設計

嚴格控制鋼液的化學成分,優化球化與孕育工藝,控制石墨球的圓整度及碳化物的含量、形態與分布,減少其對基體的割裂程度,是保證石墨鋼軋輥高強度、韌性和耐磨性的基礎。

用于初軋V1機架石墨鋼軋輥的化學成分設計值及實測值如表1所示,半鋼軋輥化學成分如表2所示。

表1 石墨鋼軋輥的化學成分Table 1 Chemical compositions of graphite steel rolls %

表2 半鋼軋輥的化學成分Table 2 Chemical compositions of semi-steel rolls %

2.2 熱處理工藝設計

石墨鋼輥處理工藝的設計,考慮兼顧硬度、強度和韌性以及較高的耐磨性和抗熱裂性,本文中所設計熱處理工藝為[5]:預備熱處理為在980 ℃高溫退火,保溫2h,之后停止加熱,隨爐緩冷到600 ℃,出爐空冷,該退火工藝后獲得鐵素體F+珠光體P+滲碳體+石墨組織;最終熱處理為在950 ℃正火,保溫30 min,之后吹氮氣冷卻,控制冷卻速度為0.8～1.6 K/s,冷卻到300 ℃以下,出爐空冷至室溫,及時在630～650 ℃回火保溫120 min;之后隨爐冷卻至200 ℃出爐空冷至室溫。以上回火工藝重復進行2～3次。最終熱處理工藝后獲得索氏體/球化珠光體基體組織,增加珠光體的分散度,細化組織,提高石墨鋼輥的強度、硬度和耐磨性。

2.3 微觀組織研究

圖1為石墨鋼典型顯微組織、石墨及碳化物評級圖。由圖1(a)可知,石墨鋼的金相組織為細片狀珠光體、球狀石墨、塊狀共晶碳化物、針狀二次碳化物。珠光體片層較細,可觀察到原始奧氏體晶界,共晶碳化物數量較少,主要為顆粒狀二次碳化物。由圖1(b)和(c)可知,石墨鋼組織中,石墨等級為3級,尺寸等級均為8級;碳化物等級為滲2級。

圖2為半鋼微觀組織。由圖2可知,半鋼微觀組織由珠光體和二次滲碳體組成,在鑄造凝固之后,一個晶粒內的珠光體片層方向較一致,二次滲碳體成放射狀或網狀,但由于該材質軋輥是鍛造而成,由于鍛造作用,放射狀的碳化物和網狀碳化物被擊碎,珠光體層片也變得不規整。

2.4 常溫及高溫力學性能研究

由于均用于初軋V1機架,使用工況相同,石墨鋼及半鋼室溫硬度(HSD)相當,均為48左右,該室溫硬度是通過一定熱處理工藝獲得的。隨著溫度的升高,石墨鋼和半鋼硬度的變化情況如圖3所示。由圖3可知,隨著溫度的升高,石墨鋼和半鋼硬度均逐漸降低;當溫度由100 ℃升高至700 ℃,石墨鋼硬度(HR30N)從50.3降至23.5,而半鋼硬度從36.8降至0,由此可知,石墨鋼在不同溫度下的高溫硬度均大于半鋼的高溫硬度。

表3為石墨鋼及半鋼的常溫拉伸及沖擊性能。由表3可知,石墨鋼的屈服強度和沖擊功高于半鋼,而抗拉強度、斷面伸長率、斷面收縮率均低于半鋼。

表3 石墨鋼及半鋼常溫拉伸及沖擊性能Table 3 Room temperature tensile and impact properties of graphite steel and semi-steel

圖4為石墨鋼和半鋼高溫抗拉強度。當溫度為900 ℃時,石墨鋼的高溫抗拉強度為253.7 MPa,低于半鋼高溫抗拉強度273.9 MPa;而當溫度升高至1 000 ℃時,石墨鋼和半鋼的高溫抗拉強度基本相當,分別為175.7和175.1 MPa。

2.5 高溫摩擦磨損性能研究

石墨鋼及半鋼高溫摩擦磨損性能參數如表4所示。

表4 高溫摩擦磨損性能參數Table 4 High temperature friction and wear performance parameters

高溫磨損磨痕表面2D形貌如圖5所示。圖5(a)和(b)分別為石墨鋼和半鋼的高溫摩擦磨損試驗磨痕,從圖中可觀察到,石墨鋼高溫磨損磨痕較半鋼高溫磨損磨痕稍寬,但深度較淺。在二者磨痕表面均觀察到微切削、犁溝、片狀剝落及剝落塊研壓等形貌,同時可觀察到微裂紋,這些微裂紋是試樣表面產生的疲勞微裂紋向下延伸的結果,所不同的是石墨鋼磨痕表面片狀剝落量少于半鋼磨痕表面片狀剝落量。

圖6(a)和(b)分別為石墨鋼和半鋼的高溫磨損磨痕表面3D形貌。從圖中可觀察到磨痕的深度和形貌;從二者宏觀形貌可知,石墨鋼的磨痕深度明顯小于半鋼的磨痕深度。

圖7為石墨鋼和半鋼高溫磨損摩擦因數曲線。由圖7(a)可知,石墨鋼在摩擦磨損試驗初期,摩擦因數有所升高,摩擦穩定后,摩擦因數保持基本穩定,在0.15～0.28之間波動;由圖7(b)可知,半鋼在摩擦磨損試驗初期,摩擦因數波動上升,隨著磨損時間的延長,摩擦因數在0.20～0.48之間波動。由此可知,石墨鋼的摩擦因數穩定性優于半鋼摩擦因數的穩定性。

由表5可知,石墨鋼磨痕寬度為1 720 μm,磨痕深度為9.50 μm,磨痕體積為6.78E-003 mm3;半鋼磨痕寬度為1 600 μm,磨痕深度為22.73 μm,磨痕體積為4.23E-002 mm3。說明半鋼的耐磨性低于所研制新材質石墨鋼的耐磨性。

2.6 高溫摩擦磨損機理研究

圖8為石墨鋼和半鋼高溫磨損表面顯微形貌。由圖8(a)可知,石墨鋼高溫磨損表面存在較多的微裂紋和少量剝落塊,而較多的微裂紋尚未擴展而形成剝落。由圖8(b)可知,半鋼高溫磨損表面可觀察到微裂紋及大面積的磨損剝落,且在剝落坑內散布大量磨損顆粒。

表5 磨痕性能參數Table 5 Wear scar performance parameters

圖9為石墨鋼和半鋼高溫磨損磨痕截面形貌。由圖9可知,在石墨鋼和半鋼磨痕截面均未觀察到因磨損形成的明顯組織變形層,說明二者的硬度、強度均較高,在高溫磨損試驗過程中,基體未發生明顯塑性變形;同時,在石墨鋼磨痕截面中觀察到少量細小微裂紋,而半鋼磨痕截面中裂紋數量和向次表面延伸深度均較石墨鋼中裂紋大,這說明,在同樣磨損力和疲勞條件下,半鋼材質易產生更多更深的微裂紋。

對石墨鋼及半鋼磨痕截面進行EDS能譜分析,研究磨痕表面氧化及氧元素分布情況,分析結果如圖10所示。由圖10(a)和(b)可知,石墨鋼高溫磨損截面氧化層較薄,而氧元素沿微裂紋向次表層擴展較淺,氧化層較薄;由圖10(c)和(d)可知,半鋼高溫磨損截面,由于磨痕表面微裂紋數量較多,且向次表層擴展較深,氧化層較厚。由此說明,石墨鋼材質較半鋼材質具有更高的抗熱裂性和抗氧化性。

綜合分析圖8～10可知,石墨鋼與半鋼的高溫摩擦磨損類型為不同程度的疲勞磨損、磨粒磨損和高溫氧化磨損。

石墨鋼與半鋼高溫摩擦磨損性能的差異與其成分和微觀組織有密切的關系。成分方面,所設計石墨鋼碳含量與半鋼相當,硅元素和鎳元素含量稍高于半鋼,鉻元素含量低于半鋼。石墨鋼與半鋼的組織區別在于,石墨鋼中由于石墨的生成,碳化物含量較半鋼中碳化物含量低,粗大二次碳化物數量較少,彌散分布的粒狀碳化物居多,且基體由硅和鎳元素強化。

有研究表明,石墨形態、大小和數量對基體耐磨性和抗熱裂性有重要影響[6-7]。張建偉等[8]研究表明,團狀或團蟲狀石墨對高鎳鉻無限冷硬鑄鐵軋輥基體割裂作用減弱,起到緩沖熱應力和機械應力、抑制裂紋擴展的作用;并隨著石墨面積含量的增加,裂紋發生溫度逐漸提高,初生裂紋深度逐漸降低。曾勇、王崧閣等研究表明[9-10],Ni/石墨復合鍍層中,石墨含量較少時,在基體中作用不明顯;隨著石墨含量的增加,石墨彌散分布且與基質金屬緊密結合,在晶界附近均勻分布,增加了鍍層中的位錯密度,起到釘扎和強化鍍層的作用。當石墨含量過多時,石墨以單質形式分布在鍍層表面,自身的低強度和低硬度使得復合鍍層硬度和耐磨性降低。

在石墨鋼材質研制過程中,通過優化石墨球化和孕育工藝,獲得適量的圓形石墨,在基體中發揮著雙重作用。

耐磨性方面,石墨鋼中存在一定量的石墨,有利于提高基體耐磨性和抗熱裂性。由圖7可知,在磨損起始階段,石墨鋼和半鋼摩擦因數均有快速增加的過程,之后進入穩定磨損階段;在磨損階段,石墨鋼的摩擦因數穩定性較好,這是因為,石墨的層狀六方晶體結構,使同一層的碳原子緊密地結合在一起,不易破壞,層與層之間距離小且結合力較弱,受剪切力的作用后容易產生滑移。隨著摩擦磨損試驗的進行,石墨鋼中石墨逐漸露出表面,石墨吸附空氣中的水分子形成一層膜,對摩擦表面起到良好的潤滑和保護作用,從而有效地降低和穩定摩擦因數,減少金屬間的黏著和犁削磨損,降低磨損量,提高耐磨性。這也是圖5和圖8中觀察到的石墨鋼表面剝落塊較少的原因。但過多的石墨會起到割裂基體的作用,從而降低基體強度,增大石墨邊緣變形和破損幾率,減少表面有效承壓面積,對耐磨性不利。這一結論與[11-12]研究結果一致。

抗熱裂性方面,冷熱疲勞初期,在熱應力作用下,石墨球邊緣微尖端處易產生應力集中,萌生微裂紋源;而產生于基體其他部位或碳化物的裂紋,沿晶界或碳化物擴展,當擴展至石墨時,石墨導熱性好,可降低因溫差而產生的應力,并可使裂紋擴展曲折化,鈍化裂紋尖端,在一定程度上阻礙裂紋向基體深處擴展;同時,石墨球的存在將類似圓形空穴,能阻止裂紋的擴展,從而延緩和減少剝落,這說明石墨具有松弛應力的作用,這也是石墨鋼與半鋼相比具有較高抗熱裂性的重要原因。

石墨鋼和半鋼中均含有碳化物,但石墨鋼中碳化物數量和尺寸均小于半鋼中的碳化物。有研究表明,碳化物的形態、尺寸及分布對材料耐磨性和抗熱裂性具有重要影響[13-14]。

謝丹陽等[15]研究表明,低合金耐磨鑄鐵中,連續網狀分布的碳化物在磨粒的多次沖擊下,在碳化物與基體結合面處產生應力集中以致開裂、剝落。而塊狀分布的碳化物使基體的連續性得到保護,對反復沖擊引起的應力集中起到緩沖作用,阻礙了沖擊產生的疲勞裂紋的萌生及擴散,從而減輕了剝落傾向,減少了因剝落而產生的失重量。同時,基體上彌散部分硬度較高的碳化物對基體的磨損起著一定的保護作用,提高耐磨性。熊博文等[16]研究表明,隨著摩擦磨損載荷的增加,尺寸較小的碳化物剝離基體,尺寸較大的碳化物具有碎裂現象,隨后亦剝離基體,這說明碳化物不僅要分布均勻,其尺寸亦需合適,才能提高材料耐磨性。吳一弘等[17]研究表明,碳化物的硬度和數量對基體耐磨性有重要影響。隨著碳化物含量增加,基體硬度增加,有利于耐磨性的提高;適當的碳化物對基體有強化作用;碳化物體積分數越大,裂紋越易在材料表面處碳化物與基體交界位置產生,碳化物越密集,裂紋擴展過程中的路徑就越短,對基體的割裂作用增強,使基體沖擊韌性和耐磨性下降。

石墨鋼與半鋼材質碳含量相同,耐磨性不同,是由于石墨鋼中有石墨生成,碳化物總含量低于半鋼;由微觀組織可知,石墨鋼中碳化物顆粒尺寸較小,彌散分布在基體中,作為硬質點強化基體的同時,在磨損過程中隨著基體的磨損碳化物凸現出來,起到支撐作用,有效減小基體與磨料之間的接觸面積和承受的壓力,抵抗外來硬質顆粒向基體壓入,阻斷切應力作用產生的犁溝,這是如圖5和圖8所示石墨鋼磨痕表面犁溝和剝落較少的原因。而半鋼材質中存在一定數量的尺寸較大的初生共晶碳化物,在磨損過程中,這些較大尺寸碳化物會斷裂形成第三相粒子,加劇半鋼的磨粒磨損。該研究結果與任福戰等[18]研究結果一致。

除石墨、碳化物外,基體本身的抗氧化性,基體與硬質顆粒的協同作用,對材料的耐磨性和抗熱裂性亦有較大影響[19-20]。石墨鋼中碳化物顆粒尺寸適當,與基體緊密結合,當碳化物顆粒受到磨粒的擠壓和犁切作用時,周圍的基體組織通過產生位錯增值割階而有效地阻止碳化物滑移及剝落,鑲嵌于基體中的硬質碳化物顆粒同基體之間產生良好的協同性,從而具有良好的高溫耐磨性能。同時石墨顆粒的存在,起到有效的熱傳導作用,使基體具有更好的熱穩定性。

由圖3可知,石墨鋼的高溫硬度均高于半鋼高溫硬度,說明在高溫摩擦時,石墨鋼與半鋼相比,基體與碳化物之間具有更好的協同性。因此,如圖10與圖11所示,石墨鋼高溫摩擦磨痕截面上,從磨痕表面延伸至次表層的微裂紋數量、深度及氧化層厚度均小于半鋼材質;半鋼磨痕表面由于沒有石墨存在,易產生熱裂紋并向此表層延伸,氧分子亦隨裂紋進入基體,產生更厚的氧化層。

綜上所述,新設計石墨鋼材質中有適量和尺寸適當的碳化物強化基體,減少對基體的割裂作用,在高溫磨損過程中亦不易斷裂,減少磨粒磨損程度;同時基體中存在球形石墨可進一步阻礙裂紋擴展,并起到自潤滑和熱傳導作用,從而其耐磨性和抗熱裂性均高于半鋼材質,因此,新設計石墨鋼具有代替半鋼作為初軋V1機架新材質的可行性。

3 結論

根據初軋V1機架軋制工況,通過嚴格控制鋼液的化學成分,優化球化與孕育工藝,控制石墨球的圓整度及碳化物的含量、形態與分布,獲得高強度、韌性和耐磨性的石墨鋼新材質。

(1) 成分方面,所設計石墨鋼碳含量與半鋼相當,硅元素和鎳元素含量稍高于半鋼,鉻元素含量低于半鋼。微觀組織特征在于,石墨鋼中由于石墨的生成,碳化物含量較半鋼中碳化物含量低,粗大二次碳化物數量較少,彌散分布的粒狀碳化物居多,且基體由硅和鎳元素強化。

(2) 相同高溫摩擦磨損條件下,石墨鋼與半鋼相比,磨痕深度、磨損體積及氧化層厚度較小,同時磨痕表面犁溝、剝落、微裂紋較少,摩擦因數小且穩定性好。

(3) 新設計石墨鋼材質基體中含有適量和適當尺寸的碳化物強化基體,減少對基體的割裂作用,在高溫磨損過程中亦不易斷裂,減少磨粒磨損;同時球形石墨可進一步阻礙裂紋擴展,并起到自潤滑和熱傳導作用,從而其耐磨性和抗熱裂性均高于半鋼材質,因此,新設計石墨鋼具有代替半鋼作為初軋V1機架新材質的可行性。