室内装饰用钢的热处理与组织性能研究
时间：2023-04-25 20:15:05 来源：千叶帆 本文已影响人
刘 珍
(亳州职业技术学院 建筑工程系，安徽 亳州 236800)
随着近年来室内装饰向着大型化和节能化方向发展，室内装饰用钢使用条件也变得愈发复杂，由此造成的磨损和腐蚀破坏愈发严重，据不完全统计，目前室内装饰用钢部件的失效约有70%左右是腐蚀和磨损造成的[1]，而这种失效通常情况下虽然不会造成灾难性后果，但会造成巨大的经济损失，且严重影响整体使用效果。目前室内装饰用钢除需要满足高强高韧等要求外，还需要具有良好的耐腐蚀性和抗磨性能[2-3]，以保证装饰用钢能够在苛刻条件下稳定运行并延长其使用寿命。目前，国内室内装饰用钢主要为添加Cr、Mo、V等元素的低合金钢，生产工艺主要为调质处理和非调质处理，而对于微合金化元素和生产工艺对装饰用钢显微组织和性能之间的影响方面的报道较少，造成耐腐蚀性和耐磨性差异的原因尚不清楚[4-6]。为了开发出具有高强韧性、长寿命和良好耐蚀耐磨性能的室内装饰用钢，本文结合目前室内装饰用钢的生产工艺现状，考察了1种非调质态(轧制后回火，添加Cr、Mo和V)和2种调质态(淬火+回火，添加Cr、Mo且含量不同)室内装饰用钢的显微组织、力学性能和耐蚀耐磨性能之间的对应关系，并分析了滑动磨损和高温磨损机制，结果有助于开发出高综合性能的室内装饰用钢，并能为实际生产过程中的选材和生产工艺优化提供参考。
试验选材包括3种室内装饰用钢，具体化学成分采用赛默飞ICAP-7200型电感耦合等离子体发射光谱测得结果见表1。其中，HR-1＃钢的生产工艺为控轧控冷+回火(非调质态)，HT-2＃和HT-3＃钢的生产工艺为淬火+回火(调质态)。
表1 各类室内装饰用钢的化学成分及其质量百分比 %
采用线切割方法加工块状试样，砂纸打磨、机械抛光和腐蚀后，采用Leica DM6M型金相显微镜和S-4800型扫描电镜观察显微组织；
透射电镜试样切割成薄片后手工打磨至65 μm，冲压成Φ3 mm圆片后离子减薄，然后采用JEOL-2100型透射电镜对微细结构进行观察；
根据GB/T 228—200x《金属材料 拉伸试验 室温试验方法》，在QX-W550型微机控制拉伸试验机上进行拉伸，拉伸速率为2 mm/min；
根据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，在JBGD-300W型微机控制高低温自动冲击试验机上进行-20℃冲击功测试；
根据GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验》，在HR-150A型洛氏硬度计上进行室温洛氏硬度测试；
电化学性能测试在CHI 660型电化学工作站中进行，极化曲线采用标准三电极体系，工作电极、辅助电极和参比电极分别为被测试样、饱和甘汞电极和铂片，电解液为0.01 mol/L HCl溶液；
在MM-2000型微机控制摩擦磨损试验机上进行滑动摩擦磨损试验，对比材料为GCr15钢(62 HRC)，冷却液为1∶45的乳化液，施加载荷分别为250 N和350 N，摩擦磨损试验为120 min，滑动速度为180 r/min，摩擦磨损过程中每间隔30 min进行称重并计算相对耐磨性[5]；
采用UMT-3型高温摩擦磨损试验机(180 r/min)进行高温磨损试验，对磨材料为Φ5 mm的40 Cr(46 HRC)，施加载荷为40 N，磨损温度和时间分别为380℃和30 min。
2.1 显微组织
图1为3种室内装饰用钢的显微组织。调质态HT-2＃和HT-3＃钢的显微组织为回火马氏体+少量铁素体；
而非调质态HR-1＃钢的显微组织为贝氏体铁素体+残余奥氏体，X射线衍射法[6]测得其残余奥氏体含量约为9.1%。相较于调质态HT-2＃钢，HT-3＃钢中铁素体含量相对较少。
图1 室内装饰用钢的显微组织
图2为3种室内装饰用钢的透射电镜显微组织。非调质态HR-1＃钢中可见大致平行排列的白色板条状铁素体和黑色薄膜状残余奥氏体组成的无碳化物贝氏体。其中，相邻铁素体板条间的相位差较小，残余奥氏体的存在可以细化铁素体板条并起到抑制裂纹扩展的作用[7]；
调质态HT-2＃和HT-3＃钢中可见平行排列的马氏体板条束，相互交叉的板条束间存在明显位向差，且相对而言，HT-3＃钢的马氏体板条束更短且细小。
图2 室内装饰用钢的透射电镜显微组织
2.2 力学性能与耐蚀性
表2为室内装饰用钢的硬度、拉伸性能和冲击性能测试结果。对比分析可知，调质态HT-2＃和HT-3＃钢的抗拉强度和屈服强度都高于HR-1＃钢，而断后伸长率都小于后者；
-20℃冲击功从大至小顺序为:HR-1＃＞HT-3＃＞HT-2＃，硬度从小至大顺序为:HR-1＃＜HT-2＃＜HT-3＃。由于调质态HT-2＃和HT-3＃钢的显微组织为回火马氏体+少量铁素体，相对非调质态HR-1＃钢的贝氏体铁素体+残余奥氏体组织具有更高的强度和硬度，但是断后伸长率和-20℃冲击功略低。
表2 室内装饰用钢的硬度、拉伸性能和冲击性能测试结果
图3为室内装饰用钢在0.01 mol/L HCl溶液中的阳极极化曲线，表3为室内装饰用钢的阳极极化曲线拟合结果。对比分析可知，HT-3＃试样的腐蚀电位最正、腐蚀电流密度最小，而HR-1＃试样的腐蚀电位最负、腐蚀电流密度最大；
根据热力学参数腐蚀电位和动力学参数腐蚀电流密度与材料耐腐蚀性能之间的关系可知，腐蚀电位越正则材料的腐蚀倾向越小，而腐蚀电流密度越大则腐蚀速率越快[8]，由此可知，3种室内装饰用钢中HT-3＃试样的耐腐蚀性能最好，而HR-1＃试样耐腐蚀性能最差。
表3 室内装饰用钢的极化曲线拟合结果
图3 室内装饰用钢的阳极极化曲线
2.3 耐磨性
2.3.1 滑动磨损
表4为载荷为350 N时室内装饰用钢的滑动磨损试验结果，磨损时间在0.5～2.0 h之间。随着滑动磨损时间延长，非调质态HR-1＃钢、调质态HT-2＃和HT-3＃钢的磨损失重都呈现逐渐增加的趋势，在相同磨损时间下，HT-3＃钢的磨损失重最小，HT-2＃钢的磨损失重最大；
3种室内装饰用钢的耐磨性从高至低顺序为:HT-3＃＞HR-1＃＞HT-2＃，即HT-3＃钢的滑动磨损性能最好，而HT-2＃钢在相同磨损时间下的磨损失重最大、耐磨性能最差。
表4 载荷为350 N时室内装饰用钢的滑动磨损试验结果
图4为载荷350 N时室内装饰用钢的滑动磨损表面形貌。当载荷为250 N时，3种室内装饰用钢的表面都可见与滑动方向平行的犁沟，犁沟附近可见少量塑性变形；
相较而言，HT-3＃钢的表面犁沟最浅，HR-1＃钢表面的犁沟附近存在明显塑性变形，而HT-2＃钢除存在较深犁沟外，还可见局部片层剥落，磨损程度相对较重。3种室内装饰用钢的表面磨损形貌的观察结果与表4的滑动磨损试验结果相吻合，滑动磨损过程中硬度相对较高的对磨材料在室内装饰用钢表面产生剪切并形成磨粒，在切向力作用下磨粒会产生犁沟作用而形成磨痕，在法向力作用下挤压磨面而形成塑性变形[9]，且在滑动磨损的往复循环应力作用下，磨损表面会随着塑性变形加剧而形成疲劳磨损，磨损机制主要为微观切削+少量疲劳磨损。
图4 载荷350 N时室内装饰用钢的滑动磨损形貌
调质态HT-3＃钢的组织为回火马氏体+少量铁素体、硬度较高，在磨损过程中抵抗磨损的能力相对较强；
调质态HT-2＃钢虽然也具有回火马氏体+少量铁素体组织，但是马氏体组织相对粗大，且硬度、强度和剪切抗力会低于马氏体组织细小的调质态HT-3＃钢，因此磨损过程中抵抗磨损的能力相对HT-3＃钢较弱；
虽然调质态HT-2＃钢(回火马氏体+少量铁素体)和非调质态HR-1＃钢(贝氏体铁素体+残余奥氏体)的硬度相当，但是粗大马氏体组织造成此时的韧塑性较差，磨损过程中抑制裂纹扩展的能力较弱[10]，并最终在裂纹扩展过程中形成局部剥落而使得磨损相对较重。
2.3.2 高温磨损
表5为3种室内装饰用钢在380℃高温销盘磨损率和相对耐磨性。非调质态HR-1＃钢、调质态HT-2＃和HT-3＃钢的磨损率分别为1.456×10-13m3/Nm，1.835×10-13m3/Nm和1.351×10-13m3/Nm；
高温下调质态HT-3＃钢体现出相对较好的耐磨性，非调质态HR-1＃钢的高温耐磨性优于HT-2＃钢，且略低于调质态HT-3＃钢。
表5 室内装饰用钢的380℃高温销盘磨损率和相对耐磨性
图5为3种室内装饰用钢的高温磨损形貌。非调质态HR-1＃钢、调质态HT-2＃和HT-3＃钢的磨损表面都可见与磨损方向一致的划痕，局部可见剥落和黏着痕迹。对比分析可知:调质态HT-2＃钢的表面磨痕较深、裂纹较多且剥落较为严重图；
调质态HT-3＃钢表面磨痕最浅、裂纹较少且剥落较轻；
非调质态HR-1＃钢的磨痕较深、塑性变形较重，而剥落相对HT-2＃钢更轻。对磨损表面剥落较为严重的调质态HT-2＃钢的剥落区和未剥落区进行能谱分析结果如表6所示。可见，未剥落区的氧含量明显高于剥落区，这可能是由于剥落区在磨损过程中形成的氧化物发生脱落或者形成的氧化物较薄，而使得仅有少量氧化物颗粒分布在剥落区[11]，能谱分析过程中电子束打到基体所致。
图5 室内装饰用钢的高温磨损形貌
表6 调质态HT-2＃钢的高温磨损表面的能谱分析结果%
在380℃高温销盘磨损过程中，非调质态HR-1＃钢、调质态HT-2＃和HT-3＃钢的磨损机制主要为黏着磨损和轻微氧化磨损。在磨损初始阶段，室内装饰用钢表面氧化膜还未形成或者较薄，摩擦副会直接作用在基体上而产生塑性变形或者开裂，此时的磨损机制主要为黏着磨损；
随着高温磨损试验的进行，室内装饰用钢表面温度升高，脆性氧化物增多、氧化膜增厚，在切向力和法向力作用下产生裂纹并形成剥落，而剥落区的形成又会重新产生氧化和剥落的循环[12]，由于典型氧化磨损的温度较高(＞575℃)，本文的非调质态HR-1＃钢、调质态HT-2＃和HT-3＃钢的氧化磨损程度较低。在高温磨损试验过程中，贝氏体铁素体+残余奥氏体组织的非调质态HR-1＃钢具有良好的韧塑性而使得裂纹扩展速率较慢，磨损表面剥落较轻；
具有细小回火马氏体+少量铁素体组织的HT-3＃钢虽然在回火过程中发生残余奥氏体分解[13]，但具有较高的硬度、强度和相较HT-2＃钢更好的韧塑性，磨损程度仍然较轻；
具有粗大回火马氏体+少量铁素体组织的HT-2＃钢的硬度与HR-1＃钢相近，而韧塑性明显较差，磨损过程中裂纹更容易萌生和扩展[14]，并最终造成片层状剥落，其高温耐磨性为三者中最差的。
1)调质态HT-2＃和HT-3＃钢的显微组织为回火马氏体+少量铁素体；
而非调质态HR-1＃钢的显微组织为贝氏体铁素体+残余奥氏体，X射线衍射法测得其残余奥氏体含量约9.1%。调质态HT-3＃钢中马氏体板条束相对HT-2＃钢更短且细小。
2)调质态HT-2＃和HT-3＃钢的抗拉强度和屈服强度都高于HR-1＃钢，而断后伸长率都小于后者；
-20℃冲击功从大至小顺序为:HR-1＃＞HT-3＃＞HT-2＃，硬度从小至大顺序为:HR-1＃＜HT-2＃＜HT-3＃。调质态HT-3＃试样的腐蚀电位最正、腐蚀电流密度最小，而非调质态HR-1＃试样的腐蚀电位最负、腐蚀电流密度最大，耐腐蚀性相对较低。
3)随着滑动磨损时间延长，非调质态HR-1＃钢、调质态HT-2＃和HT-3＃钢的磨损失重都呈现逐渐增加的趋势，在相同磨损时间下，HT-3＃钢的磨损失重最小，HT-2＃钢的磨损失重最大；
3种室内装饰用钢的耐磨性从高至低顺序为:HT-3＃＞HR-1＃＞HT-2＃。非调质态HR-1＃钢、调质态HT-2＃和HT-3＃钢的磨损率分别为1.456×10-13m3/Nm，1.835×10-13m3/Nm和1.351×10-13m3/Nm；
高温下调质态HT-3＃钢体现出相对较好的耐磨性，非调质态HR-1＃钢的高温耐磨性优于HT-2＃钢，且略低于调质态HT-3＃钢。
