含硫石墨减磨钢的研究

含硫石墨减磨钢的研究

材料科学与工程张彬2010131030

指导教师：张长军教授

摘要

含硫石墨减磨钢是一种新型自润滑剂与钢复合的减磨材料，含硫石墨减磨钢可替代青铜、黄铜做磨擦件，与硬度HRC40-50的45号钢匹配，可使滑动磨擦部件寿命提高两倍以上。本文论述了含硫石墨减磨钢的设计原理、减磨机制、化学元素的作用、材料的焙炼、铸造、热处理以及在实际生产中的使用情况,阐明开发含硫石墨减磨钢的重要意义和推广应用价值。

关键词：含硫石墨、减磨钢、减磨材料

一、前言

近年来，由于有色金属价格，尤其是铜的价格不断土涨和供应状况日益紧张，因此，世界各国争相在各个领域内开发用廉价的黑色金属代替昂贵的有色金属的技术，以降低生产成本和提高经济效益，开发工作取得了明显的进展,全世界每年要用大量的铜合金作磨擦的材料，铜合金成本高，消耗量大，在经济和资源上造成极大的浪费。美国、俄罗斯、日本等国在用黑色金属材料代替铜合金磨擦材料方而作了大量的工作，取得了不少成果，获得了较好的经济效益。我们开发的含硫石墨减磨钢具有强度高，韧性好，耐磨性优越等特点。用这种新材料作轴瓦、螺母、蜗轮等，寿命高于铜合金。而且，该材料价格低廉开发和推广含硫石墨减磨钢，对降低生产成本，提高经济效益，以及开辟用黑色金属代替有色金属的领域，前途广阔，意义深远。

二、减磨机理

众所周知，耐磨材料大致可分为两类，一类是抗磨材料，像高锰钢。这种钢是在含碳过饱和的奥氏体组织状态下使用的。两物体相互磨擦时，由于应力的作用而发生滑移，形成马氏体而导致表层硬化;一类是轴承钢，轴承钢的使用状态则是回火马氏基体上均匀分布细粒碳化物，这种组织具有很高的强度和硬度，所以，耐磨性好。总之，这些钢的良好的耐磨性都是由材料表面的高硬度，高强度引起的。但在有些条件下，对价格昂贵或更换不方便的磨件，不仅不能损坏，而且还应尽量提高那些磨件的寿命。在这种情况下，使用高硬度的抗磨材料显然就不合适了。以前，一般都采用在青铜或黄铜材料加上适当的润滑剂以提高性能，延长使用寿命。尽管这些材料具有较好的耐磨性，并且也能较好地保护磨件免受破坏，但成本高，寿命短，不能满足生产需要。我们受到在生产中人们给机械磨擦件加机油、黄油、石墨粉、硫化物粉等物质作润滑剂的启发，研制了含硫石墨减磨钢。该钢基体上分布着大量的游离石墨和硫化物(如图一所示)。

这些游离的石墨与硫化物一方面隔离了两个相互磨擦的物体间的直接接触;另一方面，也改善了润滑性能。同时，游离石墨形成的微孔，在磨擦中带入大量的外加润滑剂，其作用与含油轴承极为相似。

我们在试验中发现，在一定压力下，用含硫石墨减磨钢作磨擦件时，接触表面有足够的润滑剂带入，润滑条件良好。而且青铜、黄铜作磨擦件时，由于接触表面无微孔，不能带入足够的润滑剂，结果接触面发干，零件发热。这充分说明了含硫石墨减磨钢无论在自润滑，还是在改善润滑条件方面都比黄铜、青铜的好。

在碳钢中，珠光体的耐磨性比铁素体的好，其耐磨性一般随着珠光体的体积百分数的增加而提高(如图二所示)，

并且在相同条件下，含碳量相同时，片状珠光体组织的耐磨性比粒化组织的好。为了提高材料耐磨性，我们应尽可能多地保证基体组织为片状珠光体，铁素体含量要严格控制在5%以下。

三、化学元素的作用

碳：碳是材料获得强度和耐磨性的重要元素，是石墨的组织材料和强烈的促进石墨化元素。其含量的一部份组成珠光体基体;另一部份组成游离石墨作固体润滑剂，起减磨作用。碳含量高时，形成渗碳体组织珠光体，并且，增加了石墨的晶粒数，在热处理过程中，获得较多的退火石墨，有利于减磨，但机械性能有所下降。碳含量较低时，难于得到退火石墨，减磨效果降低，而且铸造性能恶化。所以，含碳量的多少是耐磨材料好坏的一个关键因素。

硅：硅是强烈的促进石墨化元素，其作用为硅进入奥氏体中使晶核扭曲，削弱了原子间的相互作用，加快铁原子的自扩散的速度。同时，硅使共晶和共析点向上向左移动，这样就降低了碳在固溶体和液体的溶解度，促进石墨化。一般讲，石墨量随硅含量的增加而增加，(如图三所示)。石墨形状逐渐从细小变为粗大，石墨化所需要时间也逐渐缩短。硅含量在1.0-2.0%范围时，促进石墨化程度已相当强烈。硅促进石墨化，缩短石墨化时间比碳更强烈，但过高的硅使石墨分枝增加，机械性能下降。

硫和锰：硫一般来讲是一个有害元素，在渗碳体周围形成FeS或硫共晶体薄膜，阻碍渗碳体析出，阻碍石墨化。其作用一般随冷却速度的提高，含硫量、含碳量的降低而增加。硫还使析出石墨粗大，钢水中存在大量硫化物，使钢锭液浑浊，降低

钢锭液流动性、并妨碍气体析出，严重影响铸造性能，降低铸件韧性，并延长退火时间。

锰：由于锰和硫的亲合力很强，加入锰，使之一部份形成MnS或(MnFe) S，这样不仅消除了硫阻碍石墨化等有害作用，而且MnS或(MnFe) S作为固体润滑剂分布在珠光体上有利于材料的减磨;另一部份锰溶入珠光体基体中，细化珠光体，增强珠光体中铁素体强度，对提高材料强度和耐磨性有利。同时，锰还能提高珠光体在热处理过程中的稳定性。硫和锰形成高熔点的MnS存在于基体中充当石墨化时的非自发晶粒，也有一定的促进石墨化作用。但锰又是一种较弱的阻碍石墨化元素，只有含量超过1.5-2.0%时，才有显著表现。锰和硫要按一定比例加入。

铜：铜能稳定珠光体，强化固溶体，促进珠光体的形成和增加珠光体的弥散度，有一定的促进石墨化作用，但作用较弱，仅为硅的十分之一至五分之一。同时，铜也能提高铸件在酸性介质中的耐蚀性。

铬和钒：这些是强烈的阻碍石墨化元素，强烈地阻碍碳原子在奥氏休中的扩散，并形成合金碳化物或复合碳化物，在高温下极其稳定。所以，我们必须严格加以控制(铬与钒之和在0.01%以下)。

四、材料的熔炼、铸造及热处理

为获得合格的化学成份，对原材料需采取严格管理，对每种原材料必须有明确的生产厂家，要有一定化学成份，一定的块度和清洁度。

材料的熔炼一般在中频电炉(或电弧炉)上进行。生铁、废钢、硅铁、锰铁等经烘烤后按需量依次加入。硫可采用冲包法加入。严格禁止钒、铬等元素混入。

含硫石墨减磨钢铸造性能良好，比普通碳素钢有更好的流动性，但收缩率较大，易产生中间缩孔，所以加大冒口或采取保温冒口，才能得到致密铸件。上注法浇注温度为1400℃左右，底注法的浇注温度为1450℃左右，浇注后铸件的冷却速度需要严格控制在工艺规定的范围。

铸造成型的减磨材料，其金相实际上呈网状渗碳体及珠光体组织(如图四所示)，其宏观断口呈白色，材质硬度高(HB>500)，且很脆，其组织是不稳定的。通过石墨化退火，使网状渗碳体分解，得到珠光体基体加均匀分布团絮状石墨和硫化锰组织(如图五所示)，对基休剖裂作用小。热处理时还能消除了铸件的铸造应力，因此，

该材料不仅具有较好的抗断裂，抗冲击能力(5σ≥500MPa,αk≥15J/cm2)，而且还具有良好的切削加工性能(HB200~250)、铸造工艺性能及优良的耐磨性。

为确保材料的优良性能，金相组织中不允许有条状石墨和二次渗碳体存在，铁素体含量不大于5%。

五、材料的机械性能和耐磨性能

含硫石墨减磨材料为珠光体基体上均匀分布着团絮状石墨及硫化物组织，具有较高的强度、冲击韧性和良好的耐磨性，替代铸造青铜、黄铜作蜗轮、螺母等耐磨件，不仅有效，而且价格低廉。

机械性能含硫石墨减磨材料抗拉强度高，有一定的冲击韧性(如表一所列)

同时，还有耐磨性：磨损对比试验在M S3B往复式耐磨试验机上进行。润滑条件为30号机油;溜板往复运动距离为172mm;溜板每秒钟往复次数为57次，上试样为试验件，下试样为45号钢淬火件，硬度为HRC50;试验压强为1216KPa运转6万次的试样失重情况如表二所列:较好的耐热性，减振性，低的缺口敏感性，易于切削加工等优点。

从上述试验中可以着到，含硫石墨减磨钢有很好的耐磨性，在试验中发现含硫石墨减磨钢有很好的自润滑效果。

六、材料实际使用情况及经济效益分析

含硫石墨减磨钢制成蜗轮在杭州罐头食品厂、杭州松木场煤饼厂、杭州印铁温度表厂现场试用，寿命比黄铜蜗轮提高两三倍;制成螺母在诸暨铅锌矿、ZY24凿岩机上替代锡磷青铜螺母试用，也有良好效果。含硫石墨减磨钢铸件每吨8900元，比铸造青铜或黄铜(每吨18000元)下降50%左右。每年使用蜗轮以1000吨计算，仅此项即可节约资金900余万元，节约有色金属。加上使用寿命提高，则年经济效益在1800万元以上，若向全国推广，效益更为显著。

七、结论

1.含硫石墨减磨钢具有较好的强度和韧性，良好的减磨性，可以替代铸造青制造蜗轮，螺母等，实际使用寿命提高两倍以上。

2.含硫石墨减磨钢的生产原料为常用金属，来源广，价格低，仅为青铜、黄铜的二分之一，在减磨件上使用可节约大量的有色金属。

3.含硫石墨减磨钢生产工艺简单，热处理工艺可行，具有较好的推广价值。

4.本研究成果已获国家发明专利，专利号为zL90108452.2。

参考文献

1.西·伊·鲁德尤克和符·伊·法古拉，俄刊《铸造生产》1981，(1):11一12

2.藤田秀雄，福田昌弘、特许公报，昭和63一61371，67一70

3.《铸铁热处理》，姜振雄编。

4.《铸铁与铸钢》，日本钢铁协会编。