（材料加工工程专业论文）钒对含碳化物等温淬火球墨铸铁组织和性能的影响.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 马承苛 日期：沙年0 月扩日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 马矗军 日期：易，年参月扩e l 摘要 摘要 含一定碳化物的等温淬火球墨铸铁( c a r b i d i ca u s t c m p c r e dd u c t i l ei r o n , 简称 c a d i ) 是由等温淬火球墨铸铁( a d i ) 派生出的一种新型的球铁材料。它是在a d i 中添加一定量的碳化物形成元素，使铁水在凝固时产生一定量的碳化物，使其 不但拥有a d i 的各种优越性能，还表现出了比a d i 更加优越的耐磨性，是一种 应用前景较广的优良工程材料。 本文通过金相组织观察、电子显微镜扫描能谱及x 射线衍射分析，洛氏硬 度、拉伸、冲击及耐磨性试验，研究了钒及热处理工艺对c a d i 的组织、力学性 能及耐磨性能的影响。 铸态下含钒c a d i 的组织由珠光体、极少量铁素体和碳化物组成，组织中碳 化物的存在形式为( c r ，f e ) 7 c 3 、v c 和v 4 c 3 ，且随着钒含量的增加，铸态组织中 碳化物的含量逐渐增加，铸态试样的冲击韧度逐渐降低，洛氏硬度值逐渐升高。 钒对c a d i 热处理后组织和性能的影响结果表明：随着钒含量由0 增加到 0 7 1 ，针状铁素体形貌变得细小，且数量增多，残余奥氏体量减少；2 5 0 下 等温淬火的试样的洛氏硬度值在5 1 h r c - 5 4 h r c ；试样的冲击韧度值先增大后 降低，含钒量0 4 5 时达到最大值2 8 2 6 j e r a 2 ；试样的抗拉强度先升高后降低， 含钒量0 4 5 时达到最大值1 0 7 0 m p a ；试样的耐磨性逐渐升高，磨损形貌表面较 为光滑和平整，“犁沟”逐渐变浅，微观切削量逐渐变少。 奥氏体化温度对c a d i 组织和性能的影响试验结果表明：随着奥氏体化温度 由8 4 0 ( 2 升高到9 2 0 ，2 5 0 等温下各试样组织形貌由块状或板条状逐渐变为 针状，残余奥氏体的量也逐渐增加。随着奥氏体化温度的升高，试样的洛氏硬 度值先升高后降低，冲击韧度值则逐渐升高。 等温淬火温度对c a d i 组织和性能的影响试验结果表明：9 0 0 奥氏体化 1 5 h 后，随着等温淬火温度从2 2 0 升高到3 2 0 ，组织中马氏体量逐渐减少， 贝氏体的量增多且逐渐增粗，残余奥氏体量增多；各试样的洛氏硬度值逐渐降 低，而冲击韧度值由9 7 7 j e r a 2 逐渐升高到6 5 7 4j e r a 2 ，其断口形貌也由解理台 阶特征的脆性断裂变为由大量韧窝组成的韧性断裂；抗拉强度表现出先增大后 降低，到2 8 0 0 c 等温淬火时达到最大为1 3 9 0 m p a ，试样的磨损率逐渐增加，耐磨 性越来越差。 摘要 等温淬火时间对c a d i 组织和性能的影响试验结果表明：9 0 0 奥氏体化 1 5 h 后，在2 5 0 等温淬火0 5 h 的试样洛氏硬度值达到5 8 8 5 h r c ，可见马氏体 量较多，而等温时间为1 h 、1 5 h 、2 h 、4 h 的试样均在5 3 h r c 左右：试样的冲击 韧度值随等温时间的延长表现为先增大后降低，在保温1 5h 的时候达到最高点 为2 7 6 5 j c m 2 。 通过对不同含钒量c a d i 热处理工艺、组织及性能的研究，优化出当含钒量 为0 4 5 的试样，经过9 0 0 奥氏体化1 5 h 、2 5 0 等温淬火保温1 5 h 热处理， 组织中碳化物含量为1 0 ，贝氏体形貌为针状的下贝氏体；硬度达到5 2 9 h r c ， 冲击韧度值为2 8 2 6 j c m 2 ，抗拉强度值为1 0 7 0 m p a ，磨损率为0 6 1 m g m ，保证 了c a d i 材料良好的耐磨性和冲击韧性的综合性能。 本课题开发的含碳化物的等温淬火球墨铸铁材料，具有高强、高韧、高硬 度和与传统的耐磨材料如合金耐磨铸铁、铸造高锰钢、高铬铸铁相媲美的耐磨 性，并由于其高韧性零件在使用过程中不易发生断裂，大大延长了工件的使用 寿命，且添加的合金元素少，生产成本低，经济效益好，因此可应用于矿山、 农机、建筑、铁路以及工程机械、交通运输等领域，具有良好的应用前景。 关键词：钒c a d i 组织奥氏体化温度等温淬火温度等温淬火时间 耐磨性 a b s t r a c t a b s t r a c t c a r b i d i ea u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ( c a d i ) i sd e r i v e df r o ma u s t e r n p e r e dd u c t i l ei r o n ( a d i ) i tc o n t a i n sa c e r t a i na m o u n to fd e m e n t sw h i c h w o u l dp r o d u c es o m ec a r b i d e w h e nt h em o l t e ni r o nf i e e z e d n em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a d ia r c 嬲e x c e l l e n ta s t h a to fa d ib u tt h ew e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t yi sb e t t e rt h a nt h a to fa d i c a d ii sa n a t t r a c t i v ee n g i n e e r i n gm a t e r i a lw h i c hh a sb e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r , m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , s p e c t r u m a n a l y s i s ，x - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s ，r o c k w e l l h a r d n e s st e s t , t e n s i l et e s t ，i m p a c t t o u g h n e s st e s t , i m p a e tf i a c t u r eo b s e r v a t i o n ，w e a rt e s ta n dw e a l m o r p h o l o g ya n a l y s i s w e r ed o n et or e s e a r c ht h ee f f e c to fv a n a d i u ma n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so nt h e m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a rr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fc a d i t h ee f f e c to fv a n a d i u mo nt h em i c r o s t r u c t u r eo fa s - e a s ts a m p l e sh a sb e e n r e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo f 硒一c a s ts a m p l e sw a sp e a r l i t e ， av e r ys m a l la m o u n to ff e r r i t ea n ds o m ec e r t a i na m o u n to fc a r b i d e w i mi n c r e a s i n go f t h ec o n t e n to fv a n a d i u m ，t h ea m o u n to fc a r b i d e si n c r e a s e dg r a d u a l l y t h ef o r mo f c a r b i d ew e r e ( c r ，f e ) t c 3 ，v ca n dv 4 c 3 a st h ec o n t e n to fv a n a d i u mw a si n c r e a s i n g , t h er o c k w e l lh a r d n e s so ft h es a m p l e si n c r e a s e d , a n dt h ei m p a c tt o u g h n e s sr e d u c e d g r a d u a l l y 髓er e s e a r c ho fe f f e c to fv a n a d i u mo i lm i c r o s t r u e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c a r b i d i ea u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o nw a ss h o w ni nt h eb e l o w w i t hi n c r e a s i n go fc o n t e n t o fv a n a d i u m ，t h ea m o u n to fb a i n i t ei n c r e a s e da n dt h eg r a i nb e c a m ef i n e r , t h ea m o u n t o fr e t a i n e da u s t e n i t ed e c r e a s e d 1 1 1 er o c k w e l lh a r d n e s so fa l lt h e s es p e c i m e n sw a s5 1 t o5 4 h r ca n di n c r e a s e d 丽lt h ev a n a d i u mi n c r e a s e d 1 1 1 ei m p a c tt o u g h n e s sr e a c h e d t o2 8 2 6j c m 2w h e nt h es a m p l ec o n t a i n e d0 4 5 v a n a d i u m ，a n dt h er e s u l tw a sh i g h e r t h a no t h e rs a m p l e s w i t hi n c r e a s i n go ft h ec o n t e n to fv a n a d i u m ，t h et e n s i l es t r e n g t ho f t h e s es p e c i m e n si n c r e a s e dt o10 7 0 m p ab u ti td e c r e a s e dw h e nt h ea m o u n ts u r p a s s e d 0 4 5 t h ew e a l r a t eo ft h es p e c i m e n sd e c r e a s e dw i t ht h ev a n a d i u mc o n t e n t i n c r e a s i n g t h er e s u l to fa u s t e n i t i et e m p e r a t u r et e s ts h o w e d t h a tt h em i c r o s t r u c t u r e i u a b s t r a c t m o r p h o l o g yo ft h es a m p l e sw a sb l o c k ya tf i r s tt h e nc h a n g e dt oa c i e u l a ra st h e i n c r e a s eo ft h ea u s t e n i t i ct e m p e r a t u r e , a n dt h ea m o u n to ft h er e t a i n e da u s t e n i t i c i n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo fa u s t e n i t i ct e m p e r a t u r e ，t h eh a r d n e s so ft h es p e c i m e n s s h o w e dac a s eo fi n c r e a s e da tf i r s tt h e nr e d u c e dw h e nt h et e m p e r a t u r es u r p a s s e d 8 8 0 ，w h i l et h ei m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e dw i t ha u s t e r f i t e dt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h ea u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r et e s ts h o w e dt h a ti nt h em a t r i xt h e r ew a sm o r e m a r t e n s i t et h a nb a i n i t ew h e nt h ea u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r ew a s2 2 0 c w h e nt h e t e m p e r a t u r ew a s2 5 0 ，2 8 0 ，3 2 0 ，t h ea m o u n to fb a i n i t ei n c r e a s e dw i t ht h e a u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r er o s e w i t hi n c r e a s i n go f t h ea u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h e h a r d n e s sd e c r e a s e df r o mh r c 5 8 7t oh r c 4 7 7 ，w h i l et h ei m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e d f r o m9 7 7 j c m 2t o6 5 7 4 j c m 2 t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h es a m p l e si nt h eb e g i n n i n g i n c r e a s e dt o13 9 0 m p ab u td e c r e a s e dw h e nt h et e m p e r a t u r es u r p a s s2 8 0 ( 2 a f t e r a u s t e m p e r i n ga t2 2 0 c ，t h es p e c i m e nh a dt h el o w e s tw e a l r a t e ，t h ew e a rs u r f a c e w h i c hh a dn oa d h e s i v es u r f a c ea n dm e t a l l i ct r a n s f e rw a ss m o o t ha n df l a t 删l ea t 2 8 0 ，i t sw e a rm e c h a n i s mw a sm i c r o - c u t t i n ga n dm i c r o - s p a l l i n g b u t a f t e r a u s t e m p e r i n ga t3 2 0 。c ，i t sw e a rm e c h a n i s mw a sm a i n l yf u r r o wa c t i o na n dal i t t l e m i c r o - c u r i n ga n dm i c r o s p a l l i n g t h er e s u l to fa u s t e m p e r i n gt i m et e s th a db e e ns h o w na sb e l o w 1 1 1 es p e c i m e n w h i c hw a sk e p ti nt h ec o o l a n tf o r0 5 hs h o w e dt h eh i g h e s tr o c k w e l lh a r d n e s s ，i t p r o v e dt h a tt h e r ew a sal o to f m a t e n s i t ei nt h em a t r i x r n l es p e c i m e nk e p tf o r1 5 hh a d t h eb e s ti m p a c tt o u g h n e s s t h r o u g ht h er e s e a r c h0 nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f c a d i ，t h eo p t i m i z e dc h r o m i u mc o n t e n tw a s0 4 5 w h i l ea f t e ra u s t e r f i t i n ga t9 0 0 c f o r1 5 ha n dt h e na u s t e m p e r i n ga t2 5 0 f o r1 5 kt h e r ew e r e1 0 c a r b i d ec o n t e n ta n d 15 r e t a i n e da u s t e n i t ec o n t e n t b a i n i t em o r p h o l o g yw a sn e e d l ei nt h em i c r o s t r u c t u r e o fs a m p l e s ，w h i c hh a dg o o dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s t h eh a r d n e s sw a sh r c5 2 9 ， t h et e n s i l es t r e n g t hw a s10 7 0 m p a ，t h ei m p a c tt o u g h n e s sw a s2 8 2 6j c r n 2a n dt h e w e a rr a t ew a s0 61m e g m t h i ss p e c i m e no ft h ea b o v ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dh e a t t r e a t m e n th a dt h eb e s tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e 1 1 1 ec a r b i d i ca u s t e m p e i n gd u c t i l ei r o nd e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a dh i g hs t r e n g t h ， l l i g ht o u g h n e s s ，h i g l lh a r d n e s sa n dh i g hw e a r - r e s i s t a n t i t sw e a r - r e s i s t a n tc o u l db e i v c o m p a r a b l et ow e a r - r e s i s t a n ta l l o yc a s ti r o n , h i g hm a n g a n e s ec a s t s t e e la n dh i ：g h c h r o m i u mc a s ti r o n i t sh i 曲i m p a c tt o u g h n e s s ，l e s sp r o n et ob r e a kd u r i n gu s e ，g r e a t l y e x t e n dt h el i r eo ft h ew o r kp i e c e ，a n db e c a u s el e s sa l l o yd e m e n t sw a sa d d e d ，t h ec o s t w i l lb el o w , e c o n o m i cr e t u r r l $ w i l lb ew e l l t h i sm a t e r i a lc a nb eu s e di nm i n i n g , m a c h i n e r y , b u i l d i n g s ，r a i l w a y sa n dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , t r a n s p o r t a t i o na n do t h e r f i e l d s s oi th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：v a n a d i u m ，c a d i ，m i c r o s t r u c t u r e ，a u s t e n i t i ct e m p e r a t u r e ，a u s t e m p e r i n g t e m p e r a t u r e ，a u s t e m p e r i n gt i m e ，w e a rr e s i s t a n c e v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论一1 1 1 引言1 1 2a d i 及c a d i 国内外发展现状2 1 3a d i 和c a d i 的应用现状及前景5 1 4 课题研究的背景和意义7 1 5 课题研究的内容及目标7 1 5 1 研究内容7 1 5 2 研究目标8 1 6 课题的研究路线8 2 试验过程及试验方法1o 2 1 化学成分设计1 0 2 2 铸态试样的制备1 1 2 1 1 砂型准备及配料1 l 2 1 2 熔炼工艺1 2 2 1 3 球化处理工艺1 2 2 1 4 孕育处理工艺1 2 2 1 5 浇注工艺l3 2 2 热处理方案的设计。1 3 2 2 1 热处理工艺对c a d i 组织及性能的影响1 3 2 2 2 热处理工艺方案的设计1 5 2 3 显微组织观察及分析：1 7 2 3 1 金相组织观察1 7 2 3 2 扫描电镜能谱分析1 7 2 3 3x 射线衍射分析1 7 v i 目录 2 4 性能测试1 7 2 4 1 洛氏硬度测试1 7 2 4 2 冲击韧度测试1 8 2 4 3 耐磨性能测试1 8 2 4 4 拉伸性能测试1 9 3 钒对c a d i 组织和性能的影响2 0 3 1 化学成分分析结果2 0 3 2 钒对c a d i 铸态组织和性能的影响2 0 3 2 1 钒对c a d i 铸态组织和性能的影响2 0 3 2 2 钒对c a d i 铸态性能的影响2 3 3 3 钒对c a d i 热处理后组织的影响2 3 3 3 1 c a d i 热处理后组织的能谱分析2 3 3 3 2x 射线衍射物相分析2 5 3 3 3 钒对c a d i 显微组织组织形貌的影响2 6 3 4 钒对c a d i 热处理后性能的影响一2 9 3 4 1 钒对c a d i 硬度的影响2 9 3 4 2 钒对c a d i 冲击韧度的影响2 9 3 4 3 钒对c a d i 抗拉强度的影响3 0 3 4 4 钒对c a d i 耐磨性的影响3 l 3 5 本章小结3 3 4 等温淬火工艺对c a d i 组织和性能的影响3 5 4 1 奥氏体化温度对c a d i 组织和性能的影响3 5 4 2 等温淬火温度对c a d i 组织和性能的影响3 7 4 2 1 等温淬火温度对c a d i 组织的影响3 7 4 2 2 等温淬火温度对c a d i 硬度和冲击韧度的影响4 l 4 2 3 等温淬火温度对c a d i 抗拉强度的影响4 3 4 2 4 等温淬火温度对c a d i 耐磨性的影响4 5 4 3 等温淬火时间对c a d i 组织和性能的影响4 6 4 4 本章小结4 8 5主要结论5 0 i 目录 参考文献5 2 个人简历及攻读硕士学位期间发表的学术论文及成果5 5 致谢5 6 v i 1 绪论 1绪论 1 1引言 等温淬火球墨铸铁( a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n 简称a d i ) 是指含一定合金元 素的球墨铸铁经过奥氏体化后，在特定温度下等温热处理获得基体为贝氏体型 铁素体和一定含量残余奥氏体的高强高韧球墨铸铁。【1 】 潼 废 时嘲 图1 1 奥氏体等温转变原理图 图1 1 是奥氏体等温转变原理图【2 1 。图中a 3 线表示共析转变温度的上限； m s 为马氏体转变开始温度；m f 为马氏体转变终止温度。m s 和m f 之间的温度 范围为马氏体转变区；2 3 0 4 5 0 5 5 0 的中温区则是贝氏体转变区；温度更高的 则为珠光体和铁素体转变区。球墨铸铁经奥氏体化后，绕过c 曲线，直接淬火 至马氏体转变区内保温，则得到马氏体基体组织；若淬火至贝氏体转变区保温， 则得到贝氏体基体组织；若冷却至珠光体转变区，则可以得到珠光体、索氏体 和屈氏体组织。 1 9 4 9 年，w w b r a i d w o o d 曾预言，针状组织( 贝氏体) 铸铁可能是力学性 能最好的铸铁【3 1 。2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代末，芬兰、美国和中国三个国家 1 绪论 几乎同时宣布成功研制出a d i 。1 9 5 2 年，美国i n t e r n a t i o n a lh a r v e s t e r 公司对坦 克履带板采用的球墨铸铁进行等温热处理，并成功地获得了高强度与高韧性的 等温淬火球墨铸铁。到7 0 年代，芬兰i ( y m ik y m m e n e 公司宣布用等温淬火球铁 代替锻钢生产齿轮，其组织为上贝氏体和部分奥氏体。中国机械科学研究院郑 州机械研究所，采用精铸的方法生产出b j 2 1 2 、b j l 3 0 等汽车用a d i 螺旋伞齿轮， 1 9 7 2 年开始小批量生产【1 6 】。1 9 7 9 年郑州机械所以“贝氏体球铁精铸汽车螺旋伞 齿轮”的论文，参加了当时在西班牙举行的第4 6 届国际铸造会议，引起世界各国 汽车厂的极大兴趣。此外，中国的许多单位对拖拉机曲轴、钒钛a d i 齿轮、后 桥齿轮等零部件的研制工作都取得了良好效果。 a d i 不仅具有高的强度和韧性，而且还具有一定的耐磨性【4 】。目前，我国用 a d i 来做普通抗磨件主要用于矿山、建筑、电力、农业等机械上的抗磨零件上， 如磨球、衬板、锤头、锤片等，主要利用a d i 高硬度、高抗磨性和一定的韧度 的优点。但a d i 在有些工况条件下耐磨性还是不能满足要求。因此，需要有另 外一种比a d i 还要高的耐磨性但却具有一定韧性的材料，当等温淬火球墨铸铁 基体中存在一种附加相，特别是一定含量的碳化物时，铸铁的耐磨性能得到改 善，但是在耐磨性得到改善的同时也伴随着铸铁的冲击韧性的减少，因此需要 研究一种工艺方法，通过此工艺可以控制在等温淬火过程的碳化物析出，得到 所谓的含碳化物的高韧性的等温淬火球墨铸铁即c a d i 。 1 2a d i 及c a d i 国内外发展现状 等温淬火球墨铸铁自上世纪7 0 年代发展以来，已经有了近4 0 年的历史。 经过国内外材料工作者不断的研究和发展，人们对a d i 的组织结构、性能特点 和生产工艺规程等都有了一个比较全面的认识，a d i 材料在工业生产中也得到 了一定的推广应用【3 2 1 。 为了规范a d i 材料的应用以及设计者的有据可依，我国及欧美、日本等发 达国家经过多年的研制和应用都制定了相应的标准( 表1 1 ) 【2 】，性能指标也已 经达到了很高的要求。 一 2 1 绪论 美国球铁协会 ( 草案) 1 9 8 5 1 2 日本球铁协会 ( 草案) 1 9 8 5 1 2 英国b c 瓜a l 2 3 4 f c d 9 0 0 a f c d l 0 0 0 a f c d l 2 0 0 a a d i9 5 0 6 a d i1 0 5 0 3 a d i1 2 0 0 l g g g 8 0 g g g l o o g g g l 2 0 k 9 0 0 7 k 1 0 0 0 5 8 6 0 1 0 3 5 1 2 0 5 1 3 8 0 9 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 9 5 0 1 0 2 0 1 0 5 0 1 l3 0 1 2 0 0 13 0 0 8 0 0 l o o o 1 2 0 0 9 0 0 1 0 0 0 5 5 0 6 9 0 8 3 0 9 6 5 6 0 0 7 0 0 9 0 0 7 3 0 8 0 0 k 1 2 0 0 31 2 0 01 0 0 0 3 d c q t 8 0 0 一1 08 0 05 0 01 0 d c q t 9 0 0 - 8 9 0 06 0 08 中国d c q t 1 0 5 0 61 0 5 07 0 06 d c q t1 2 0 0 3 1 2 0 08 5 03 2 6 9 3 2 1 3 0 2 3 6 3 3 6 3 州 3 8 8 - 4 7 7 3 4 0 _ 4 2 0 3 0 0 3 l o 3 4 5 3 5 5 3 9 0 - 4 0 0 2 5 0 3 1 0 2 8 0 3 4 0 3 3 0 3 9 0 2 8 0 3 1 0 3 0 0 3 5 0 3 8 0 - 4 3 0 2 5 0 3 1 0 2 7 0 3 4 0 3 1 0 3 8 0 3 4 0 - 4 2 0 里g g ：! ：! 兰q q ：! ! 塑q! ! q q!i ! q 兰! q 一 为进一步提高a d i 的耐磨性，1 9 9 2 年美国首先开发了含碳化物的a d i ( c a r b i d ea u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ，简称c a d i ) 。在生产普通的a d i 铸件时， 要求铸态组织中碳化物的量小于0 5 ，并要求等温转变过程要终止在碳化物析 出以前，这是得到高强韧性要求的a d i 的先决条件，但是对于要求耐磨性很高 的铸件，即使选用了高强度、高硬度的1 4 0 0 1 1 0 0 0 2 和1 6 0 0 1 3 0 0 - 0 1 号的a d i ， 其耐磨性与高合金耐磨铸铁相比并无优势。为此，利用c 易形成碳化物的特点， 添加某种碳化物形成元素，生成一定量的碳化物。凝固中所形成的碳化物有望 提高耐磨性，但是其韧性也有可能会降低，因此开发这种材料的关键在于控制 材料的组织以达到平衡材料耐磨性和韧性的目的。c r 等元素是强烈的形成碳化 物的元素，在成分选择时加人w ( c r ) 0 2 1 5 ，经过等温淬火热处理后使 基体组织中存在大约1 0 - 3 0 的碳化物，这种含碳化物的a d i ( 即c a d i ) 比 第五和第六级a d i 更耐磨，且具有较高的韧性【4 】。c a d i 在成本上比含c r l 8 的 白口铸铁更便宜，能够以更低廉的价格取代m n 钢，也能够与某些高合金耐磨铸 铁相媲美。 3 ) 8 5 2 2 8 6 7 5 m 7 4 2 m m m 粥m 8 5 2 m m l 绪论 通过研究发现，c a d i 的韧性主要是由所含的碳化物体积分数和针状铁素体 及奥氏体的量决定的，室温无缺e l 试样冲击韧度一般为5 2 7j c m 2 ，耐磨铸铁 的室温无缺口试样的冲击韧度仅为3 7 j 锄2 ，远远低于c a d i 的韧性。试验结 果表明，c a d i 在销盘式磨损和抗湿砂胶轮磨损的性能要明显的好于a d i ；c a d i 能超过多种耐磨铸铁的销盘式耐磨性能，可达到比其硬度较高的高铬耐磨铸铁 的水平，可见，c a d i 这种优良的综合性能更适用于要求优良的耐磨性能和足够 4 1 绪论 韧性的工况条件。 表1 2 是a d i 、c a d i 与几种传统耐磨材料力学性能的对比【4 1 。由表1 2 可 见，a d i 、c a d i 在耐磨性和韧性的综合性能上占有明显高于传统的耐磨材料， 因此具有很大的优势。 1 3a d i 禾f l c a d i 的应用现状及前景 a d i 因为具有优良的强韧性和耐磨性的综合力学性能，已成为2 1 世纪人们 关注的热点材料和技术之一。a d i 和c a d i 的性能优势已被材料工作者逐渐认识 并加以利用，a d i 的生产工艺技术条件也在日益成熟，a d i 和c a d i 的应用领 域将不断扩大，其产量将有较大幅度的提高。下图是汽车上应用的a d i 材料的 零件。 上控制臂( a d l 9 0 0 9 )一i - 控制臂( a d l 9 0 0 9 ) 链轮 图1 2a d i 的应用 板簧导向座( a d l l 0 0 0 - 5 ) c a d i 材料应用范围见表1 3 所示。其中，c a d i 新材料的主要应用领域是 农业机械零件和矿山机槲2 & 2 9 1 。早在1 9 9 2 年，美国利用c a d i 制造农业机械铲 尖，并表现出优良的耐磨性，使用寿命大大提高。我国大连三明铸造有限公司 研究开发生产的c a d i 在农机犁桦上获得成功应用，c a d i 犁桦的硬度达到了 h r c 5 3 - 5 8 ，冲击韧性为1 1 , 2 8 j c m 2 时，实际装机试验表明，c a d i 犁桦的使 用寿命是低合金钢犁桦的3 倍以上，生产成本降低2 0 ，具有很好的技术经济 效益。 5 1 绪论 国内专家还研究了分级淬火工艺生产含碳化物的金属型球铁磨球【2 2 1 ，研究 认为随着碳化物含量的增加，磨球破碎率提高，当控制碳化物含量小于1 4 时， 消除白亮区，金属型铸造磨球的破碎率明显降低。对于直径4 0 - 1 0 0 m m 的磨球， 在钢铁、发电、水泥磨机中实际应用表明，破碎率小于1 ，磨损失重较小。 挖掘齿 叶轮 渣浆泵泵壳 图1 3c a d i 材料的应用 磨球 除a d i 磨球和少量的衬板、锤头外，冶金矿山中还存在许多磨损消耗的工 序，相应有很多的易损件需要优质的抗磨材料。如冶金矿山机械上的渣浆泵泵 壳、叶轮等过流部件是消耗量很大的易损件，目前其使用寿命仅为3 0 0h 。针对 矿浆冲刷严重及酸性腐蚀介质的工况，一般采用价格昂贵的c r l 5 m 0 3 和c r 2 7 m o 高铬铸铁制造。c a d i 的硬度与高铬铸铁接近，但冲击韧性却远远高于高铬铸铁。 5 6 级a d i 拉伸性能和冲击韧性远高于高铬铸铁，硬度接近于高铬铸铁。除此 以外，还可针对其他工况条件选用相适应的各个级别的a d i 和c a d i 材料来制 6 1 绪论 造耐磨配件。因此，a d i 和c a d i 作为矿山用耐磨新材料具有广阔的市场空间。 1 4 课题研究的背景和意义 现阶段，国内外对等温淬火球墨铸铁合金化的试验研究主要是通过加入 m o 、c u 、n i 等合金元素来提高零件的淬透性从而达到提高性能的目的，而对含 一定碳化物的等温淬火球墨铸铁的研究较少。国内外少量文献也介绍了添加铬 ( c r ) 、铌( n b ) 等形成碳化物，以提高硬度来达到提高耐磨性的目的。本课题 在加入合金元素m o 、c u 、c r 的基础上添加微量元素钒( v ) ，研究不同含钒量 及等温淬火工艺对c a d i 组织和性能的影响。 相关文献报道，钒可以强化铁素体和奥氏体，它固溶于奥氏体中，降低了 碳的扩散速度，因此大大的延长了奥氏体的转变时间m 】，延长了贝氏体转变的 孕育期，增大了贝氏体转变所需要的奥氏体化温度区间。其次，凝固过程中形 成的v c 、v 4 c 3 等碳化物颗粒具有“钉扎”作用，阻碍了晶界的移动和晶粒的长大， 从而阻碍了奥氏体晶粒的粗化【5 】，细化了奥氏体的晶粒，为贝氏体提供了更多的 有利形核位置，而在冷却过程中又延迟了奥氏体的分解i s 。因此，钒的添加可以 有效地细化晶粒和促进贝氏体型铁素体的形成，从而达到了提高c a d i 性能的目 的。 本课题主要是通过加入合金元素v ，选择合理的热处理工艺，分析v 在c a d i 中的分布及存在形态，研