钒对高铬铸铁组织及性能的影响 毕业设计论文.doc

摘 要高铬铸铁因其优越的性能而受到越来越广泛的重视。高铬铸铁相对合金钢有优良的耐磨性，相对一般白口铸铁有高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，所以被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。本文就高铬铸铁的铸造及性能进行了比较系统的研究，首先设计高铬铸铁的成分进行铸造，然后利用金相显微镜对试样的组织形态、化学成分、物相组成进行了分析，最后通过硬度测试，冲击实验进行性能检测。结果表明，高铬铸铁的组织主要由基体和碳化物组成，基体的相是主要奥氏体另外还有部分马氏体，而碳化物主要是cr7c3。高铬铸铁的硬度及耐磨性都比较高。 关键词：高铬铸铁；铸造；耐磨性；摩擦磨损； abstract because of its superior performance,high chromium cast iron attracted more and more attention. high chromium cast iron has more excellent wear resistance than alloy steel, relative to the general white cast iron has higher toughness, strength, at the same time, it also has good resistance to high temperature and corrosion resistance, and convenient production, low cost, and is regarded as the best of contemporary anti abrasion material. in this paper, the properties of high chromium cast iron casting and compares the system, first of all the design of high chrome cast iron component for casting, then by using optical microscope, scanning electron microscope, on the sample tissue morphology, chemical composition, phase composition are analyzed, finally, hardness test friction and impact test, performance testing. the results show that, the structure of high chromium iron is mainly composed of a base and composition of carbide, matrix phase is the main part of austenite and martensite, and the carbide is cr7c3.the hardness of high chromium cast iron and the wear resistance is higher. key words:high chromium cast iron; casting; wear resistance; friction and wear. 目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 课题的目的、意义11.1.1 课题的目的11.1.2 课题的意义11.2 课题背景11.2.1 课题背景11.3 文献综述11.3.1 高铬铸铁11.3.2 组织结构11.3.3 各元素的作用21.3.4 高铬铸铁的性能21.4 本领域存在的问题21.5 高铬铸铁的研究现状2第2章 实验方法32.1 实验材料32.1.1 合金成分32.1.2 造型工艺32.1.3 熔炼与浇注32.2 实验方法32.2.1 热处理32.2.2 测试样的冲击韧度值32.2.3 测试样的洛氏硬度值32.3 断口形貌观察32.4 金相组织观察4第3章 实验结果及讨论53.1 钒对高铬铸铁组织的影响53.1.1 高铬铸铁的铸态组织53.1.2 高铬铸铁的热处理态组织53.1.3 结果分析53.2 断口形貌分析63.3 冲击韧性63.3.1 钒含量对冲击韧性的影响73.3.2 冲击韧性图73.3.3 结果分析73.4 洛氏硬度73.4.1 钒含量对洛氏硬度的影响73.4.2 洛氏硬度图73.4.3 结果分析7结论11致谢12参考文献13不要删除行尾的分节符，此行不会被打印第 28 页佳木斯大学本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题的目的、意义高铬铸铁是本世纪三十年代发展起来的一种新型耐磨材料，因含有较高的铬，因此它具有较高的硬度和较小的硬度梯度、高的耐磨性、高的回火稳定性和抗腐蚀性。目前已广泛应用于冶金、建材和电力等行业，并取得了显著的效果，在矿山行业也显示了诱人的应用前景。所以提高高铬铸铁的硬度和冲击韧性一直是各位学者的工作方向。 1.1.1 课题的目的本课题根据钒能改变共晶碳化物的类型、改善碳化物形态，从而使铸铁韧性及耐磨性提高为依据，设计和制订了热处理工艺。为使高铬铸铁具有优越的性能，研究热处理工艺与成分、冷却速度与组织、硬度和冲击韧性之间的关系，并在理论上给予一定的分析。 1.1.2 课题的意义高铬铸铁在磨损场合具有重要的优越性，已经在国民经济的各个行业中得到了重要的应用。这主要是因为高铬铸铁在经过适当的热处理工艺和合金变质处理以后获得强韧的基体组织和高硬度的m7c3碳化物（hv=13001800）.国内外许多单位开始选用高铬铸铁作为建筑机械搅拌机衬板材质。但高铬铸铁属于脆性材料，韧性较差。因此如何获得高硬度的m7c3碳化物并使高铬铸铁的硬度和韧性达到良好的配合，提高耐磨性，一直是国内外研究的主要课题。本课题主要研究在控制高铬铸铁基本成分的基础上，通过加入不同量的钒元素，经适当的热处理工艺后，高铬铸铁中碳化物的形态、数量、分布硬度以及耐磨性能与组织结构之间的关系。 1.2 课题背景1.2.1 课题背景高铬铸铁是继普通白口铸铁镍硬铸铁发展起来的第三代耐磨材料。由于高铬铸铁自身组织的特点，使得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的韧性、高温强度、耐热性和耐磨性等性能。高铬铸铁已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，并日益得到广泛应用。高铬铸铁的良好的耐磨性主要取决于其基体组织和碳化物的类型及分布特点。高铬铸铁是以fe，cr，c 为基本成分的多元合金。刚凝固下来的高铬铸铁中基体是奥氏体，这种奥氏体在加热至较高的温度下才是稳定的， 而且被c、cr 等元素所饱和。当温度降低时， 奥氏体将发生转变。通常条件下，高铬铸铁呈现以奥氏体为主的多相组织，这种组织的铸铁在高温下使用，更能发挥材质本身的潜能。高铬铸铁是含铬量在12%-28%之间的铬系白口铸铁， 由于铬的大量加入使得白口铁中的m3c 型碳化物变成m7c3 型碳化物。这种合金碳化物很硬，赋予了高铬铸铁良好的耐磨性。另一方面，在凝固过程中m7c3 型碳化物呈杆状孤立分布，使得高铬铸铁的韧性有了一定程度的改善。1.3 文献综述1.3.1 高铬铸铁高铬白口抗磨铸铁（以下简称高铬铸铁）是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。它以比合金钢高得多的耐磨性，和比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。 高铬铸铁属金属耐磨材料、抗磨铸铁类铬系抗磨 铸铁的一个重要分支，是继普通白口铸铁、镍硬铸铁而发展起来的第三代白口铸铁。早在1917年就出现了第一个高铬铸铁专利。高铬铸铁一般泛指含cr量在11-30%之间，含c量在2.0-3.6%之间的合金白口铸铁。我国抗磨白口铸铁国家标准（gb/t8623）规定了高铬白口铸铁的牌号、成分、硬度及热处理工艺和使用特性。其典型成分及工艺如下表：表1-1 高铬铸铁的牌号及化学成分（gb/t 8623）%6牌号 cmnsinicrmocupskmtbcr122.0-3.32.01.5 2.5 11.0-14.03.0 1.2 0.10 0.06 kmtbcr15mo2.0-3.32.01.2 2.5 11.0-18.03.0 1.2 0.10 0.06 kmtbcr20mo2.0-3.32.01.2 2.5 18.0-23.03.0 1.2 0.10 0.06 kmtbcr262.0-3.32.01.2 2.5 23.0-30.03.0 1.2 0.10 0.06 表1-2高铬铸铁的硬度（gb/t 8623）牌号 铸态或去应力处理 硬化态或硬化态去应力处理 软化退化态 hrchbwhrchbwhrchbwkmtbcr12464505660041 400 kmtbcr15mo464505865041 400 kmtbcr20mo464505865041 400 kmtbcr26464505660041 400 表1-3 高铬铸铁件热处理规范（gb/t 8623）7 牌号 软化退火处理 硬化处理 去应力处理 kmtbcr12920-960c保温1-8h,缓冷至700-750c保温4-8h,冷至600c以下出炉空冷或炉冷 920-980c保温2-6h，出炉空冷 200-300c保温2-8h，出炉空冷或炉冷 kmtbcr15mo920-960c保温1-8h,缓冷至700-750c保温4-8h,缓冷至600c以下出炉空冷或炉冷 920-980c保温2-6h，出炉空冷 200-300c保温2-8h，出炉空冷或炉冷 kmtbcr20mo960-1000c保温1-8h,缓冷至700-750c保温4-10h,缓冷至600c以下出炉空冷或炉冷 960-1020c保温2-6h，出炉空冷 200-300c保温2-8h，出炉空冷或炉冷 kmtbcr26960-1060c保温2-6h，出炉空冷 美国高铬铸铁执行标准为astma532m，英国为bs4844，德国为din1695，法国为nfa32401。俄罗斯在前苏联时期曾研制了12-15%cr、3-5.5%mn，壁厚达200mm的球磨机衬板，现执行oct7769标准8。特别值得一提的是在近一个世纪里，曾为抗磨白口铸铁做出了卓越贡献的美国克莱梅克斯（climax）钼业公司。1928年该公司首先发明了镍硬铸铁，把抗磨铸铁科技推向了一个空前高度。1974年为纪念国际gifa，在杜赛尔多夫展览会上展示了名为“神秘1号”和“神秘2号”9。即经典的高铬抗磨铸铁153（cr15mo3）和1521（cr15mo2cu），现如今克莱梅克斯公司执行高铬铸铁标准如下：表1-4 美国climax钼公司规定的高铬铸铁成分（质量分子数） %成分 牌号 12-115-315-2-1 20-2-1 超高碳 高碳 中碳 低碳 c3.0-3.53.6-4.33.2-3.62.8-3.22.4-2.82.8-3.52.6-2.9cr11-1414-1614-1614-1614-1614-1618-21mo0.5-1.02.5-3.02.5-3.02.5-3.02.4-2.81.9-2.21.4-2.0cu1.0-0.5-1.20.5-1.2mn0.5-0.80.7-1.00.7-1.00.5-0.80.5-0.80.6-0.90.6-0.9si0.5-0.80.3-0.80.53-0.80.3-0.80.3-0.80.4-0.80.4-0.9s0.050.050.050.050.050.050.05p0.100.100.100.100.100.060.06空冷时不出现珠光体的最大断面(mm2)-7090120200 200硬度hrc铸态 60-6751-5650-5444-4850-5550-54淬火 62-6760-6558-6360-6760-67退火 40-4436-4235-4040-4438-43 注：碳含量为下限时，大断面中可能出现贝氏体。 1.3.2 组织结构普通白口铸铁的共晶组织一般为莱氏体形:a - fe3c ,渗碳体在a 的枝晶间的孔隙中发芽生长,形成了以渗碳体为基础的蜂窝状的莱氏体组织。高铬铸铁组织中,随cr 含量的增加,片状的(fe ,cr) 3c 向三角形的(cr ,fe) 7c3 转变,引起了共晶团形态发生了根本的变化。共晶a 在共晶区域(a + m7c3 + l) 内以共晶碳化物m7c3 为领先相,以初生a 为结晶界面成核长大,并保留了碳化物晶体的锥体形状,最终组织为cr 的碳化物以紧密的层状或纤维状分布在a 或a 的转变产物中,呈现菊花的放射状共晶团构成10。 （1） 铸态组织：高铬铸铁在铸态时组织为(cr ,fe) 7c3 和金属基体组成,由于成分和冷却速度的不同,金属基体可以是铁素体、奥氏体或马氏体以及它们的混合组织。高铬铸铁中含cr 高,使碳化物非常稳定,即使在十分缓慢的冷却时,也不可能产生石墨化。高铬铸铁的碳化物析出过程非常缓慢,就导致了凝固时形成的a 常常过饱和c 和cr ,并且非常稳定,当温度降到1 175 时,出现了四相包晶反应平台,但在此平台温度以下,仍然得到a 相和碳化物相11。继续冷却时,cr 的碳化物不断从a 中析出,减少了a 中的合金含量和稳定性。当达到共析转变温度范围(760595 ) 以下时,不稳定的a 依据冷速可以转变成珠光体、贝氏体或马氏体。然而,既使在高温时碳化物的析出也是很慢的,在中等冷速、室温时仍可能有显著数量的过饱和a残留。高铬铸铁的铸态组织为a + m,碳化物为菊花状的m7c3 型。残余奥氏体数量较多。在组织中有许多类似夹杂物的黑块,经高倍组织观察,发现仍然是初生的a 相的转变产物,里边有析出的颗粒状碳化物,可能是先期转变组织发生自回火的结果。（2） 热处理组织：高铬铸铁要想获得全m 组织,只有经过热处理才能达到。高铬铸铁的热处理有高温热处理、亚临界热处理等12。高温热处理组织：高温热处理是将其加热到a 化温度以上保温,然后空冷的热处理。通过a 化温度以上保温使原转变的产物再回转变成a ,同时从a 中析出细的次生碳化物,动摇a 的稳定性,从而确保全部或大部分a 转变为m 这种理想的组织。高温热处理的组织中,基体组织为m和少量残余奥氏体,另布有细颗粒二次碳化物。 亚临界热处理组织：亚临界热处理为加热到400600 保温,基体中首先析出细小的特殊碳化物,使a 中c 及其它合金元素下降,提高了ms 点,在随后的冷却过程中,a 转变为m,产生二次淬硬现象,使残余奥氏体减少,硬度提高。亚临界热处理特别适用于铸态为a - m基体的厚大件。亚临界热处理后的组织中可见a 逐步转变为m13。1.3.3 各元素的作用高铬铸铁的组织和性能实际上取决于铬和碳的含量, 高碳低铬碳化物为m3c, 低碳高铬碳化物为m23c6,碳与铬适当配合则可得m7c3。m7c3的硬度达12001 800 hv, 六方晶系。这种碳化物孤立分布, 呈杆状和片状, 对基体的割裂作用较小, 铸铁的韧性较好。碳量决定碳化物数量。提高含碳量, 增加碳化物数量, 提高耐磨性。但基体中固溶合金元素减少,使基体得不到强化, 引起淬透性降低。据马乌利科夫等人的研究, 高铬铸铁含碳量与耐磨性的关系 （如图1所示）: 淬火态耐磨性优于铸态, 无论是淬火态或铸态, 耐磨性先是随含碳量增加而提高, 含碳量达到3%时耐磨性最佳, 进一步提高含碳量耐磨性逐渐低。 图1-1耐磨性与碳含量的关系铬量决定碳化物类型，高铬铸铁具有优越的耐磨性主要是显微组织中含有较多的m7c3碳化物。在碳化物与耐磨性的关系中，耐磨性也是先随碳化物量增加而提高，当碳化物量增加到30%时，耐磨性的提高就不明显了。碳化物含量（质量分数）可用下式估算：碳化物含量（质量分数）（%）=12.33【w（c）】+0.55【w（c）】-15.2%14铬除与碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奥氏体中提高淬透性，当碳量不变增加铬量，或铬量不变降低碳量，均能使淬透性提高。硅：硅是钢铁材料中的常存元素，从几个方面影响高铬铸铁的凝固组织。硅减少共晶反应温度范围，缩小固-液两相共存区，使共晶碳化物变得较为细化，分布更为弥散化。含硅2% 以上的高铬铸铁，大部分共晶碳化物趋于孤立状态。另外，硅使共晶含量降低，导致碳化物增加。硅固溶于奥氏体或铁素体中，产生固溶强化作用。对高铬铸铁中的奥氏体转变产物的硬度测定表明: 硅特别有助于提高马氏体型转变产物的硬度。在不同的冷速下冷却的铸件中，基体硬度均随含量的提高而上升。硅的固溶强化作用强于锰、镍、铬、钨钼、钒。能显著提高奥氏体中奥氏体及其转变产物的弹性极限、屈服强度、屈服比以及疲劳强度。这些强度性质的改善，对于提高材料的抗磨能力是有益的。溶于奥氏体中的硅可减少铬的溶解量。因而，亚共晶高铬铸铁含碳量较高时，共晶碳化物的含铬量增加。这对于既有m7c3型碳化物，又有m3c 型碳化物的高铬铸铁来说，将使m3c 型碳化物增加15。选用含硅量较高的高铬铸铁时，还应注意的一个问题是: 硅会使材料的脆性转变温度提高。特别是制造承受冲击载荷的零件更应注意这个问题。一般铬系抗磨材料的含硅量是0.6% 1.5%。锰：在高铬铸铁中锰既是常存元素也是有用的合金元素，锰对高铬铸铁凝固过程的主要影响是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固温度范围。由于锰对凝固过程的这些影响，使含锰较高的高铬铸铁初生奥氏体枝晶细化，数量增加，相应地减少了共晶组织的尺寸。锰还可以提高高铬铸铁的回火抗力。随含锰量的增加，最高回火硬度有降低的趋势，而且达到最高回火硬度所需的时间增加。存在于奥氏体中的锰有推迟铬原子扩散的倾向，这说明锰量越高达到最高回火硬度所需时间也越长的原因。铬、锰含量较高的奥氏体组织，具有较好的韧性、塑性和加工硬化性质。在冲击载荷或压应力作用下，容易诱发成马氏体使工件表面形成硬化层，提高抗磨能力。锰推迟珠光体转变孕育期。但在一定条件下，对贝氏体转变却有促进作用。调整高铬铸铁的铬碳比、硅锰比( 提高硅含量) 、控制合适的加锰量，还可以通过热处理( 铸件奥氏体化后空冷) 手段制造出具有奥氏体 贝氏体组织的高铬铸铁，这种高铬铸铁的综合的机械性能和抗磨能力都是很好的，故这里选取含mn: 3.5% 4.0 % 。镊：镍不溶于碳化物，而无限固溶于铁，有扩大铁的奥氏体相的作用，是稳定的奥氏体的主要的合金元素。在高铬铸铁中，它和铜有相似的作用，有助于降低合金的冷却临界冷却速率，但同时也使ms 点降低，含镍量越高，ms 点越低，含镍量超过1.5% 时，铸态组织中过冷奥氏体的存在是难以避免的16。镍降低ms 点的作用弱于锰。镍是比较稀贵的元素，应该注意节约使用。一般为少量。 1.3.4 高铬铸铁的性能只有碳化物得到的基体强有力支撑不剥落，软的基体剥落后，硬的质点起到抗磨作用，这种组织才能耐磨。表1-5淬火温度与硬度的关系处理方式宏观硬度（hrc）微观硬度（hv）基体碳化物未变质950淬火567611652.13未变质1000淬火58.67891664.43未变质1050淬火577661658.24变质950淬火60.87821672.35变质1000淬火638181685.43变质1050淬火617911673.62从上表可以看出变质处理后1000淬火时，硬度值最高。淬火温度较低时，二次碳化物析出较多，平衡奥氏体中c和cr含量较少，淬成马氏体时马氏体较软，硬度较低；淬火温度过高时，奥氏体达平衡时的c和cr含量较高，使c曲线右移，空淬时有部分奥氏体残留，从而使硬度降低；只有淬火温度适中，空淬时才能全部淬成马氏体，得到较高的硬度值。表1-6 1000时淬火试样的硬度和韧度回火温度/250350450550硬度（hrc）6462.66159韧度/jcm-24.75.15.94.4由表1-6看出回火温度可维持到450左右，之后硬度便开始下降。淬火后的高铬铸铁具有很高的抗回火性能，这是因为在450马氏体分解导致硬度明显下降；同时马氏体及残留奥氏体中析出碳化物，并有部分残余奥氏体分解，导致硬度升高。二者共同作用致使硬度下降不明显。冲击韧度在450回火时最好，450之前回火转变以马氏体分解为主，从而表现为韧度值增加。450之后回火转变以残留奥氏体的分解为主，韧性下降17。高铬铸铁有着广泛的应用：高铬铸铁在球磨机上的应用。球磨机是水泥、电力、矿山等行业研磨工序的主要设备，磨球是球磨机主要易损件之一。磨球既要有高的耐磨性，又要有高的韧性。它的耐磨性能高低对生产起着极为重要的作用。因此提高其硬度、抗冲击性、耐磨性能极为重要。长治钢铁（集团）公司为了改进铸铁球的致密度，减少热裂，通过加入不同的稀土元素，来改善铸铁球的化学成分和均匀性。并成功用于生产水泥用的球磨机中，显著提高了磨球的耐磨性。中国铝业广西分公司检厂已研制成功并投入生产了一种磨球，它是用自行研制的特高铬耐磨合金铸铁制成，由于其具有良好的耐磨性及韧性，用它制作的磨球应用在该公司氧化铝厂原料车间球磨机上，获得了很大的成功。这种耐磨材料制成的磨球的应用创造出了很好的经济效益，具体可表现为加球量比原来少了一半。安徽理工大学与淮化集团公司热电厂合作制作的高铬铸铁磨球在淮化集团热电厂3.2m球磨机使用，停机开仓检查无明显破碎变形磨球，破碎率小于0.5%，使用效果良好1。在使用高铬铸铁磨球时，必须考虑到实际工况条件。尤其是与之相配的衬板必须有足够的硬度，否则磨损过快。如何处理好磨球硬度与韧性、淬透性与合金元素含量这两对矛盾一直是实际生产中未解决的难题，通常是硬度高则韧性低，破碎率高；合金元素含量高使淬透性提高，但成本增加。高铬铸铁在渣浆泵上的应用。渣浆泵在矿山、冶金、火力发电、煤炭、化工和环保等工矿部门广泛应用于输送高浓度渣浆，其四大过流件如蜗壳、叶轮、前护板和后护板等在工作过程中不但承受物料的冲刷磨损，而且还承受浆料的腐蚀作用，运行工况极其恶劣，因此其过流部件成为冶金矿山行业常见的易损件。国内外渣浆泵过流部件所用材料主要有不锈钢、高铬铸铁和镍硬铸铁。高铬铸铁是渣浆泵过流件的理想候选材料，通过碳、铬含量水平的调整或选择，可以获得不同工矿条件下过流件的最佳使用效果。蒋业华等人研究发现，铸态和热处理态两种状态下的cr28高铬铸铁的腐蚀磨损性能与高铬铸铁标样cr15mo3相比都有显著地提高，表现出优越的耐腐蚀磨损性能2。西安交通大学研究的cr28%左右的高铬铸铁和利用稀土变质处理的高铬铸铁耐冲刷腐蚀性能优越，可望成为渣浆泵过流件的新材料。改善定向凝固设备和工艺，以制备碳化物定向排列的高铬铸铁，这也是一种值得期待的方法3。高铬铸铁在水泥磨上的应用。锰铝复合高铬铸铁的水泥磨磨辊衬板，对于厚大件其淬透性、耐磨性都不理想，仅适用于有效截面在100mm-140mm的铸件上。厚大截面的磨辊衬板需要有一定抗冲击能力的高铬铸铁品种，用于大型水泥立磨。沈阳重型机械集团有限责任公司开发研制的高铬铸铁衬板，已使用在各种系列立磨、中速磨上4。高铬铸铁在破碎机鄂板上的应用。随着破碎机规格的加大和机械化程度的提高，颚板的耐磨性问题变得越来越突出。因颚板耐磨性差，造成频繁更换，不仅增加了破矿成本，而且降低了生产率，增大了工人劳动强度，因此，提高颚板耐磨性问题已引起了人们的重视。北京冶金设备研究院为河南黄河金矿生产了一批高铬铸铁颚板，用于破碎金矿石，使用寿命是高锰钢的三倍以上5。江西科学研究所研制的高铬铸铁颚板在浒坑钨矿试用表明，其耐磨性比高锰钢提高两倍以上6。1.4 本领域存在的问题（1）在过共晶超高铬铸铁中尤其是含碳量达到5%以上时初生m7c3型碳化物数量多且形态过于粗大降低冲击韧度与耐磨性。已经发现用变质与激冷等工艺措施细化球化碳化物时可显著提高耐磨性能但使碳化物细化与团球化的技术离实际生产应用还有很大距离。（2）从金相组织与性能特点看亚共晶超高铬铸铁在腐蚀磨损条件下具有优良的性价比有广阔的应用前景。但目前的应用范围仅限于磷酸腐蚀工况需要进一步推广。（3）对超高铬铸铁的基础研究还十分薄弱如对成分、组织、热处理工艺与性能之间的关系缺乏系统研究，对失效机理的分析工作亦十分薄弱。（4）)超高铬铸铁系高合金材料铸造性能不佳要使之稳定生产在铸造生产工艺方面还要做大量的工作 1.5 高铬铸铁的研究现状国内铸造工作者关于铬系白口铸铁的研究主要集中在化学成分选择、热处理工艺确定、变质剂选择、良好碳化物类型的获得及磨损机理研究等领域。国外铸造研究人员更致力于高铬铸铁微观组织结构、耐磨机理及新制备工艺开发的研究二十多年来，国内外铸造工作者关于铬系白口铸铁已进行了大量的研究工作，取得了丰硕的成绩，其研究方向可概括为以下几方面：（1）对铬系白口铸铁合理化学成分的选择、化学成分对组织和性能的影响规律及作用机理进行了深入探讨，在保证硬度的基础上，尽可能提高铬系白口铸铁的冲击韧性和耐磨性，以保证耐磨件在冲击载荷、磨料磨损工况下的稳定使用。（2）在化学成分合理的基础上，对铬系白口铸铁的热处理工艺进行研究，以得到与型碳化物良好搭配的基体组织，充分发挥高硬碳化物的耐磨性和基体对碳化物的稳固作用，保证在不同使用工况下耐磨性的良好发挥。（3）对铬系白口铸铁生产中，孕育处理、变质处理等工艺手段进行试验研究，以增加形核率、细化晶粒、改变特定相形貌、改善铸件微观组织结构，为提高铸铁性能提供有效的辅助工艺措施。（4）对传统的砂型铸造方法进行改进，将传统材料与现代材料加工方法相结合，探讨了金属型铸造、喷涂成型、快速凝固等新工艺在铬系白口铸铁制备中的应用，为改善组织形态、提高铸件性能提供更广阔的空间。总之，国内外铸造工作者对提高铬系白口铸铁性能、充分挖掘铬系白口铸铁功能已进行了广泛、系统的研究，在提高铸铁综合力学性能和性能) 价格比方面都取得了显著成果。随着研究工作日趋深入、完善，铬系白口铸铁将具有更广阔的应用前景。 第2章 实验方法2.1 实验材料2.1.1 合金成分高铬铸铁的组织和性能与其成分有很大的关系。选择成分时必须依据下列两个条件：（1） 碳化物的形态、数量、分布（2） 基体组织的调整。合金元素中对碳化物的形态、数量、分布其主要作用的是c和cr；与基体组织有关的元素主要有淬透性生成碳化物的元素：cr、mo、mn、v等。 改变碳化物的形状和分布的途径较常使用的是变质处理。通过对铁水进行变质处理，控制碳化物的生长过程，稳定碳化物的组织和形状，同时也起到细化晶粒的作用，使碳化物团粒化，同时获得韧性和抗磨性的良好配合。当铸铁组织中的碳化物类型为孤立的m7c3时，这种碳化物硬度高对基体的割裂作用小，利于高铬铸铁综合性能的提高18。为了获得孤立的m7c3型化合物，避免网状碳化物的生成，应严格控制铸铁中的cr/c。表2-1 试样的化学成分元素ccr mnmosi含量3.6%26%1.8%0.25%1.1%表2-2 试样中钒的加入量 试样编号123v含量00.2%0.4% 2.1.2 造型工艺采用树脂自硬砂造型(1)造型宜采用水玻璃硅砂等强度高且透气性好的砂型，涂料应采用耐火度高的高铝粉或镁粉与酒精混合拌制。另外，为获得细晶粒组织和好的表面质量，在铸件外形不太复杂的情况下，金属型铸造也被广泛采用。(2)高铬铸铁的收缩量与铸钢相近，模样制作上其线收缩率可按1.8%-2%进行计算19。在砂型制作上，其冒口大小可按碳钢的规定进行计算，而浇注系统则按灰铸铁计算，但需把各截面积增加20%-30%。浇冒口的选择应注意两个方面:一是要保证铸件工作带( 使用部位)的质量；二是要尽量提高铸件的成品率。(3)由于高铬铸件的冒口不易切除，因此造型时在冒口形式上宜采用侧冒口或易割冒口。 2.1.3 熔炼与浇注铁液由12kg中频感应电炉熔化，铁液过热温度为15201560，浇注温度为14101450 (1)出炉温度高铬铸铁的熔点比一般铸铁高约为1200，出炉温度约为1500，熔炼选用中频感应电炉。(2)炉衬采用酸性或碱性炉衬均可，炉衬的配比、打结、烘干和烧结均按常规工艺进行。(3)装料一般按正常顺序加料，先将灰生铁、钼铁等难熔铁合金装入炉底，而后将废钢等按照下紧上松的原则装填 (有助于塌料)。(4)送电熔化将电炉功率调至最大进行熔化，由于cr的熔炼损耗较大(约5%-15%)，故铬铁应在最后加入，通常是待废钢全部熔化后加入烤红的铬铁。 (5)脱氧待金属炉料全部熔化并提温至1480后，再加入锰铁、硅铁及铝进行脱氧。(6)浇注在中频感应炉中熔化，温度不必太高，温度达到1480时即可出炉，铁液在包内应停留一段时间进行镇静，视工件大小不同可在 1380-1410之间进行浇注。2.2 实验方法2.2.1 热处理（1） 淬火：高铬铸铁在铸态和淬火态都具有很好的耐磨性。但在实际的工作过程中铸态的高铬铸铁不一定能得到需要的组织，为了发挥其耐磨性能，常常将其处理成淬火态马氏体组织，使基体组织更耐磨，更好的支持碳化物，实验中选用的淬火温度为960。（2） 回火：回火是铸件淬火后必不可少的工序。回火温度选取为260，使铸件淬火后的的组织趋于均匀。（3） 加热温度为：960 保温时间为：2h 冷却方式：空冷 回火温度为：260 回火时间为：3h 图2-1 铸件的热处理工艺曲线2.2.2 测试样的冲击韧度值实验采用jb30a型冲击试验机，试样热处理后经磨床打磨成无缺口的摆锤式冲击试样，每组6根。下图（2-2）为冲击试样图20 图2-2 冲击试样 2.2.3 测试样的洛氏硬度值试验所用的硬度计为hr-150t型洛式硬度计，从做完冲击试验的铸件中随机抽取一根进行硬度检测，在铸件的不同部位测量3点，取其平均值为该组高铬铸铁的硬度值（hrc）。 2.3 断口形貌观察从摆锤式冲击断裂试样上截取断口部分，经丙酮清洗后在扫描电子显微镜（sem）下进行断口形貌的观察。 2.4 金相组织观察对每组试样经打磨、抛光、腐蚀后在金相显微镜下观察组织形貌。 第3章 实验结果3.1 钒对高铬铸铁组织的影响3.1.1 高铬铸铁的铸态组织高铬铸铁的铸态金相组织为共晶碳化物+奥氏体+及奥氏体的转变产物，如图3-1。当cr含量大于12%时，高铬铸铁的共晶碳化物主要是m7c3型共晶碳化物，所以高铬铸铁的铸态组织为奥氏体+m7c3型碳化物，碳化物呈菊花状和条块状21。 （a） （1000） 图3-1 高铬铸铁的铸态金相组织 3.1.2 高铬铸铁的热处理态组织高铬铸铁加入钒元素热处理后的组织为马氏体+碳化物+弥散分布的二次碳化物，如图3-2所示。未加钒的组织中碳化物比较粗大，呈长片状或长条状，有尖锐棱角，并以网状碳化物存在。加入钒以后高铬铸铁的碳化物明显细化，形态也发生改变，共晶碳化物由原来的连续网状分布转变为孤立的团块状分布，长条形的碳化物明显变短，尖角明显钝化22。当加入钒0.2%时，碳化物由长条状变短，组织得到细化，当加入钒0.4%时，碳化物进一步变短，呈现团块状，分布更加均匀。 （a） 未加钒 （b） 加入钒0.2% （c） 加入钒0.4%（1000）图3-2 经热处理后高铬铸铁的金相组织 3.1.3 结果分析因为钒在铸铁中既能强化基体，又能与碳、氧结合形成极稳定的化合物，钒通常以vc、v2c、v2o5等颗粒形态，分布于铸铁组织中23。钒是强烈的碳化物形成元素，可以稳定高铬铸铁中的碳化物，铸态时，钒和碳不仅能形成初生碳化物，而且形成二次碳化物，降低奥氏体中碳的浓度，使奥氏体不稳定，提高马氏体转变温度ms ，在铸态容易获得马氏体。极小的碳化钒颗粒均匀分布组织中，提高机械性能，此外钒在结晶时可作为外来核心，明显控制结晶过程中晶粒长大和碳化物晶界的移动，从而细化组织，改善碳化物分布，减少粗的柱状晶组织，改善性能。高铬铸铁在铸态冷却过程中，其基体相过饱和地溶解了合金元素及碳元素，而处于不稳定状态。在随后的热处理过程中，随着加热温度的升高，碳及合金元素的扩散能力逐渐增加，必然导致二次碳化物的析出。二次碳化物的析出，将使此时的奥氏体中的合金元素及碳元素含量降低， 并且相应地提高了开始马氏体转变温度及马氏体转变终了温度，从而有利于在空淬过程中增加马氏体数量和减少残余奥氏体量。同时，合金元素的降低也导致白口铸铁的奥氏体转变曲线的左移，即使其淬透性下降24。 另一方面，当加热温度超过其共析转变温度时，随着加热温度的升高，奥氏体中碳元素及合金元素的溶解度也随之升高。当到达某一温度后，溶解度大于奥氏体中的实际含量时，将导致已析出的二次碳化物重新溶入奥氏体，此时的奥氏体中合金元素及碳元素含量增高，从而导致白口铸铁的淬透性增高。 至于在热处理的冷却过程中，由于合金元素及碳元素在奥氏体中的溶解度减小，将有二次碳化物的析出，从而使此时的奥氏体中合金元素及碳元素含量降低 ，二次碳化物的析出和溶入，改变了奥氏体中的合金元素及碳化物含量，影响奥氏体的转变曲线，及其转变产物的成分25，因而对白口铸铁的热处理过程起着支配作用。 3.2 断口形貌分析从冲击断裂试样上截取断口部分，经丙酮清洗后在扫描电子显微镜下观察断口形貌，如图3-3所示。高铬铸铁是高硬度脆性材料，试样的宏观端口均属于脆性断裂，通常脆性断裂也会产生微量的塑形变形。 （a）钒含量为0 （b）钒含量为0.2% （c）钒含量为0.4%图3-3试样的断口形貌（a） 图所示为未加钒元素试样的断口形貌，电镜下可观察到较大的断裂面，断口呈冰糖状，肉眼观察可见断口呈晶粒状，颜色略显明亮，是沿晶断裂。（b）图所示钒含量为0.2%时的断口形貌。可见断面组织明显细化，有河流状条纹，属于解理断裂。（c）图所示钒含量为0.4%时的断口形貌。可见细小分布的球状组织，分析是经钒细化的碳化物质点。淬火回火金属材料中，弥散分布的细小碳化物影响了裂纹的形成与扩展，断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小的碳化物质点有关26，称为准解理断裂，有小解离刻面，撕裂棱及河流花样。3.3 冲击韧性3.3.1 钒含量对冲击韧性的影响表3-1试样的钒含量与冲击韧性值123456平均值05.4663.9743.7883.7883.4173.8133.8410.2%5.4664.9123.0474.5354.6734.3484.6170.4%5.2925.6733.6025.5124.7245.1675.2143.3.2 冲击韧性图图3-4 钒含量与冲击韧性坐标图3.3.3 结果分析 铸态下高铬铸铁的硬度和冲击韧度都不高, 这是由于基体为奥氏体和存在铸造应力所致。在热处理时, 随着碳和合金元素的变化、基体的转变和二次碳化物的析出。二次碳化物的析出发生在高温保温过程和奥氏体区内的冷却过程中, 因此, 合金试样随淬火温度的提高, 冲击韧度明显上升, 加入钒后, 由于微量的钒可以细化晶粒, 使网状碳化物呈明显弥散分布27, 因而, 冲击韧性明显提高。在保温时间相同的条件下, 随淬火温度的提高, 合金元素和碳能较多地固溶于奥氏体中, 增加奥氏体的稳定性, 降低了ms点, 使残余奥氏体有所增加, 因而使韧性提高。另一方面, 高温保温时, 一次碳化物尖端处, 由于自由能高, 且原子扩散能力增强, 尖端处的原子易于扩散到低浓度的基体中28, 使之钝化,既增加基体中固溶的碳和合金元素, 又能减弱对基体的割裂作用, 这也是使冲击韧度提高的因素。 3.4 洛氏硬度3.4.1 钒含量对洛氏硬度的影响表3-2 试样的钒含量与洛氏硬度值钒含量00.2%0.4%测量值147.352.461.9测量值247.254.760.8测量值349.053.662.1平均值47.853.661.63.4.2 洛氏硬度图图3-5 钒含量与洛氏硬度坐标图3.4.3 结果分析在试样中加入钒元素后，钒在结晶时可作为外来核心，明显控制结晶过程中晶粒长大和碳化物晶界的移动，从而细化组织，改善碳化物分布，减少粗的柱状晶组织，改善性能。钒是强烈的碳化物形成元素，可以稳定高铬铸铁中的碳化物，铸态时，钒和碳不仅能形成初生碳化物，而且形成二次碳化物，降低奥氏体中碳的浓度，使奥氏体不稳定，提高马氏体转变温度ms ，在铸态容易获得马氏体。极小的碳化钒颗粒均匀分布于组织中，提高机械性能，使硬度增加。此外钒能使高铬铸铁中的碳化物以团球状均匀分布，减少了对基体的割裂作用。结论在高铬铸铁中加入一定数量的钒，能细化晶粒，改善碳化物的形态和分布，提高力学性能。在钒含量为0.4%时，热处理温度为1000附近时，其力学性能最佳30。即钒含量低于0.4%的高铬铸铁中，随钒含量增加，冲击韧度增加，硬度也相应增加。 致谢本研究及学位论文是在我的老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。三年多来，李老师不仅在学业上给我一精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至