室內裝飾用鋼的熱處理與組織性能研究

劉 珍

(亳州職業技術學院 建筑工程系，安徽 亳州 236800)

隨著近年來室內裝飾向著大型化和節能化方向發展，室內裝飾用鋼使用條件也變得愈發復雜，由此造成的磨損和腐蝕破壞愈發嚴重，據不完全統計，目前室內裝飾用鋼部件的失效約有70%左右是腐蝕和磨損造成的[1]，而這種失效通常情況下雖然不會造成災難性后果，但會造成巨大的經濟損失，且嚴重影響整體使用效果。目前室內裝飾用鋼除需要滿足高強高韌等要求外，還需要具有良好的耐腐蝕性和抗磨性能[2-3]，以保證裝飾用鋼能夠在苛刻條件下穩定運行并延長其使用壽命。目前，國內室內裝飾用鋼主要為添加Cr、Mo、V等元素的低合金鋼，生產工藝主要為調質處理和非調質處理，而對于微合金化元素和生產工藝對裝飾用鋼顯微組織和性能之間的影響方面的報道較少，造成耐腐蝕性和耐磨性差異的原因尚不清楚[4-6]。為了開發出具有高強韌性、長壽命和良好耐蝕耐磨性能的室內裝飾用鋼，本文結合目前室內裝飾用鋼的生產工藝現狀，考察了1種非調質態(軋制后回火，添加Cr、Mo和V)和2種調質態(淬火+回火，添加Cr、Mo且含量不同)室內裝飾用鋼的顯微組織、力學性能和耐蝕耐磨性能之間的對應關系，并分析了滑動磨損和高溫磨損機制，結果有助于開發出高綜合性能的室內裝飾用鋼，并能為實際生產過程中的選材和生產工藝優化提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗選材包括3種室內裝飾用鋼，具體化學成分采用賽默飛ICAP-7200型電感耦合等離子體發射光譜測得結果見表1。其中，HR-1＃鋼的生產工藝為控軋控冷+回火(非調質態)，HT-2＃和HT-3＃鋼的生產工藝為淬火+回火(調質態)。

表1 各類室內裝飾用鋼的化學成分及其質量百分比 %

采用線切割方法加工塊狀試樣，砂紙打磨、機械拋光和腐蝕后，采用Leica DM6M型金相顯微鏡和S-4800型掃描電鏡觀察顯微組織；透射電鏡試樣切割成薄片后手工打磨至65 μm，沖壓成Φ3 mm圓片后離子減薄，然后采用JEOL-2100型透射電鏡對微細結構進行觀察；根據GB/T 228—200x《金屬材料 拉伸試驗 室溫試驗方法》，在QX-W550型微機控制拉伸試驗機上進行拉伸，拉伸速率為2 mm/min；根據GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，在JBGD-300W型微機控制高低溫自動沖擊試驗機上進行-20℃沖擊功測試；根據GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗》，在HR-150A型洛氏硬度計上進行室溫洛氏硬度測試；電化學性能測試在CHI 660型電化學工作站中進行，極化曲線采用標準三電極體系，工作電極、輔助電極和參比電極分別為被測試樣、飽和甘汞電極和鉑片，電解液為0.01 mol/L HCl溶液；在MM-2000型微機控制摩擦磨損試驗機上進行滑動摩擦磨損試驗，對比材料為GCr15鋼(62 HRC)，冷卻液為1∶45的乳化液，施加載荷分別為250 N和350 N，摩擦磨損試驗為120 min，滑動速度為180 r/min，摩擦磨損過程中每間隔30 min進行稱重并計算相對耐磨性[5]；采用UMT-3型高溫摩擦磨損試驗機(180 r/min)進行高溫磨損試驗，對磨材料為Φ5 mm的40 Cr(46 HRC)，施加載荷為40 N，磨損溫度和時間分別為380℃和30 min。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖1為3種室內裝飾用鋼的顯微組織。調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的顯微組織為回火馬氏體+少量鐵素體；而非調質態HR-1＃鋼的顯微組織為貝氏體鐵素體+殘余奧氏體，X射線衍射法[6]測得其殘余奧氏體含量約為9.1%。相較于調質態HT-2＃鋼，HT-3＃鋼中鐵素體含量相對較少。

圖1 室內裝飾用鋼的顯微組織

圖2為3種室內裝飾用鋼的透射電鏡顯微組織。非調質態HR-1＃鋼中可見大致平行排列的白色板條狀鐵素體和黑色薄膜狀殘余奧氏體組成的無碳化物貝氏體。其中，相鄰鐵素體板條間的相位差較小，殘余奧氏體的存在可以細化鐵素體板條并起到抑制裂紋擴展的作用[7]；調質態HT-2＃和HT-3＃鋼中可見平行排列的馬氏體板條束，相互交叉的板條束間存在明顯位向差，且相對而言，HT-3＃鋼的馬氏體板條束更短且細小。

圖2 室內裝飾用鋼的透射電鏡顯微組織

2.2 力學性能與耐蝕性

表2為室內裝飾用鋼的硬度、拉伸性能和沖擊性能測試結果。對比分析可知，調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的抗拉強度和屈服強度都高于HR-1＃鋼，而斷后伸長率都小于后者；-20℃沖擊功從大至小順序為:HR-1＃＞HT-3＃＞HT-2＃，硬度從小至大順序為:HR-1＃＜HT-2＃＜HT-3＃。由于調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的顯微組織為回火馬氏體+少量鐵素體，相對非調質態HR-1＃鋼的貝氏體鐵素體+殘余奧氏體組織具有更高的強度和硬度，但是斷后伸長率和-20℃沖擊功略低。

表2 室內裝飾用鋼的硬度、拉伸性能和沖擊性能測試結果

圖3為室內裝飾用鋼在0.01 mol/L HCl溶液中的陽極極化曲線，表3為室內裝飾用鋼的陽極極化曲線擬合結果。對比分析可知，HT-3＃試樣的腐蝕電位最正、腐蝕電流密度最小，而HR-1＃試樣的腐蝕電位最負、腐蝕電流密度最大；根據熱力學參數腐蝕電位和動力學參數腐蝕電流密度與材料耐腐蝕性能之間的關系可知，腐蝕電位越正則材料的腐蝕傾向越小，而腐蝕電流密度越大則腐蝕速率越快[8]，由此可知，3種室內裝飾用鋼中HT-3＃試樣的耐腐蝕性能最好，而HR-1＃試樣耐腐蝕性能最差。

表3 室內裝飾用鋼的極化曲線擬合結果

圖3 室內裝飾用鋼的陽極極化曲線

2.3 耐磨性

2.3.1 滑動磨損

表4為載荷為350 N時室內裝飾用鋼的滑動磨損試驗結果，磨損時間在0.5～2.0 h之間。隨著滑動磨損時間延長，非調質態HR-1＃鋼、調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的磨損失重都呈現逐漸增加的趨勢，在相同磨損時間下，HT-3＃鋼的磨損失重最小，HT-2＃鋼的磨損失重最大；3種室內裝飾用鋼的耐磨性從高至低順序為:HT-3＃＞HR-1＃＞HT-2＃，即HT-3＃鋼的滑動磨損性能最好，而HT-2＃鋼在相同磨損時間下的磨損失重最大、耐磨性能最差。

表4 載荷為350 N時室內裝飾用鋼的滑動磨損試驗結果

圖4為載荷350 N時室內裝飾用鋼的滑動磨損表面形貌。當載荷為250 N時，3種室內裝飾用鋼的表面都可見與滑動方向平行的犁溝，犁溝附近可見少量塑性變形；相較而言，HT-3＃鋼的表面犁溝最淺，HR-1＃鋼表面的犁溝附近存在明顯塑性變形，而HT-2＃鋼除存在較深犁溝外，還可見局部片層剝落，磨損程度相對較重。3種室內裝飾用鋼的表面磨損形貌的觀察結果與表4的滑動磨損試驗結果相吻合，滑動磨損過程中硬度相對較高的對磨材料在室內裝飾用鋼表面產生剪切并形成磨粒，在切向力作用下磨粒會產生犁溝作用而形成磨痕，在法向力作用下擠壓磨面而形成塑性變形[9]，且在滑動磨損的往復循環應力作用下，磨損表面會隨著塑性變形加劇而形成疲勞磨損，磨損機制主要為微觀切削+少量疲勞磨損。

圖4 載荷350 N時室內裝飾用鋼的滑動磨損形貌

調質態HT-3＃鋼的組織為回火馬氏體+少量鐵素體、硬度較高，在磨損過程中抵抗磨損的能力相對較強；調質態HT-2＃鋼雖然也具有回火馬氏體+少量鐵素體組織，但是馬氏體組織相對粗大，且硬度、強度和剪切抗力會低于馬氏體組織細小的調質態HT-3＃鋼，因此磨損過程中抵抗磨損的能力相對HT-3＃鋼較弱；雖然調質態HT-2＃鋼(回火馬氏體+少量鐵素體)和非調質態HR-1＃鋼(貝氏體鐵素體+殘余奧氏體)的硬度相當，但是粗大馬氏體組織造成此時的韌塑性較差，磨損過程中抑制裂紋擴展的能力較弱[10]，并最終在裂紋擴展過程中形成局部剝落而使得磨損相對較重。

2.3.2 高溫磨損

表5為3種室內裝飾用鋼在380℃高溫銷盤磨損率和相對耐磨性。非調質態HR-1＃鋼、調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的磨損率分別為1.456×10-13m3/Nm，1.835×10-13m3/Nm和1.351×10-13m3/Nm；高溫下調質態HT-3＃鋼體現出相對較好的耐磨性，非調質態HR-1＃鋼的高溫耐磨性優于HT-2＃鋼，且略低于調質態HT-3＃鋼。

表5 室內裝飾用鋼的380℃高溫銷盤磨損率和相對耐磨性

圖5為3種室內裝飾用鋼的高溫磨損形貌。非調質態HR-1＃鋼、調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的磨損表面都可見與磨損方向一致的劃痕，局部可見剝落和黏著痕跡。對比分析可知:調質態HT-2＃鋼的表面磨痕較深、裂紋較多且剝落較為嚴重圖；調質態HT-3＃鋼表面磨痕最淺、裂紋較少且剝落較輕；非調質態HR-1＃鋼的磨痕較深、塑性變形較重，而剝落相對HT-2＃鋼更輕。對磨損表面剝落較為嚴重的調質態HT-2＃鋼的剝落區和未剝落區進行能譜分析結果如表6所示。可見，未剝落區的氧含量明顯高于剝落區，這可能是由于剝落區在磨損過程中形成的氧化物發生脫落或者形成的氧化物較薄，而使得僅有少量氧化物顆粒分布在剝落區[11]，能譜分析過程中電子束打到基體所致。

圖5 室內裝飾用鋼的高溫磨損形貌

表6 調質態HT-2＃鋼的高溫磨損表面的能譜分析結果%

在380℃高溫銷盤磨損過程中，非調質態HR-1＃鋼、調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的磨損機制主要為黏著磨損和輕微氧化磨損。在磨損初始階段，室內裝飾用鋼表面氧化膜還未形成或者較薄，摩擦副會直接作用在基體上而產生塑性變形或者開裂，此時的磨損機制主要為黏著磨損；隨著高溫磨損試驗的進行，室內裝飾用鋼表面溫度升高，脆性氧化物增多、氧化膜增厚，在切向力和法向力作用下產生裂紋并形成剝落，而剝落區的形成又會重新產生氧化和剝落的循環[12]，由于典型氧化磨損的溫度較高(＞575℃)，本文的非調質態HR-1＃鋼、調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的氧化磨損程度較低。在高溫磨損試驗過程中，貝氏體鐵素體+殘余奧氏體組織的非調質態HR-1＃鋼具有良好的韌塑性而使得裂紋擴展速率較慢，磨損表面剝落較輕；具有細小回火馬氏體+少量鐵素體組織的HT-3＃鋼雖然在回火過程中發生殘余奧氏體分解[13]，但具有較高的硬度、強度和相較HT-2＃鋼更好的韌塑性，磨損程度仍然較輕；具有粗大回火馬氏體+少量鐵素體組織的HT-2＃鋼的硬度與HR-1＃鋼相近，而韌塑性明顯較差，磨損過程中裂紋更容易萌生和擴展[14]，并最終造成片層狀剝落，其高溫耐磨性為三者中最差的。

3 結論

1)調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的顯微組織為回火馬氏體+少量鐵素體；而非調質態HR-1＃鋼的顯微組織為貝氏體鐵素體+殘余奧氏體，X射線衍射法測得其殘余奧氏體含量約9.1%。調質態HT-3＃鋼中馬氏體板條束相對HT-2＃鋼更短且細小。

2)調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的抗拉強度和屈服強度都高于HR-1＃鋼，而斷后伸長率都小于后者；-20℃沖擊功從大至小順序為:HR-1＃＞HT-3＃＞HT-2＃，硬度從小至大順序為:HR-1＃＜HT-2＃＜HT-3＃。調質態HT-3＃試樣的腐蝕電位最正、腐蝕電流密度最小，而非調質態HR-1＃試樣的腐蝕電位最負、腐蝕電流密度最大，耐腐蝕性相對較低。

3)隨著滑動磨損時間延長，非調質態HR-1＃鋼、調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的磨損失重都呈現逐漸增加的趨勢，在相同磨損時間下，HT-3＃鋼的磨損失重最小，HT-2＃鋼的磨損失重最大；3種室內裝飾用鋼的耐磨性從高至低順序為:HT-3＃＞HR-1＃＞HT-2＃。非調質態HR-1＃鋼、調質態HT-2＃和HT-3＃鋼的磨損率分別為1.456×10-13m3/Nm，1.835×10-13m3/Nm和1.351×10-13m3/Nm；高溫下調質態HT-3＃鋼體現出相對較好的耐磨性，非調質態HR-1＃鋼的高溫耐磨性優于HT-2＃鋼，且略低于調質態HT-3＃鋼。