高铬铸铁中碳化物的形态对力学性能的影响

1、高铬铸铁中碳化物形态对力学性能的影响1.1课题的目的和意义1.1.1课题的目的高铬铸铁里的碳化物形貌直接决定了其力学性能的好坏。本文通过研究不同成分、不同热处理工艺的高铬铸铁的组织与硬度、冲击韧度和耐磨性能的关系，解释了高铬铸铁不同的碳化物分布产生不同的力学性能的现象机理；并指出，Cr/C 为 48 时能得到呈不连续的块状、棒状分布的 M7C3，合金组织和性能较好；高铬铸铁在 1000×3h淬火+350×3h回火的热处理工艺下，可以获得理想的组织，块状、曲面板条状碳化物不连续的分布在硬度和韧性都能较好的回火马氏体基体上，合金的整体力学性能优异。钒还可以细化和改善高铬铸铁共晶

2、碳化物的形态。钒可以限制共晶体转变的液态空间，树枝晶间的液体被分割成更小的空间，相应的共晶碳化物生长空间变窄，在最后凝固的铁液中存在着一些悬浮的钒的碳氮化物，他们有可能形成结晶核心，加速细化作用。碳化物作为高铬铸铁组织中的第二相对高铬铸铁的性能有明显的的影响。由于高铬铸铁热处理后显微组织为隐晶马氏体加共晶碳化物，所以钒含量的变化对硬度没有明显的影响。钒细化组织的作用很明显，所以加入钒可以提高高铬铸铁的冲击韧度，而随着钒含量的增加，基体析出的二次碳化物也将增加，高铬铸铁的夹杂物随之增加，这削弱了相之间的结合力，对冲击韧度不利，所以当钒含量超过 0.8% 时，高铬铸铁的冲击韧度开始下降。钒可以细化

3、组织，碳化物颗粒被不断细化，而且碳化物的形态也变得圆钝，在磨粒冲击力作用下，应力集中程度小，减少碳化物颗粒松动脱落的几率，从而也提高耐磨性；同时钒的碳化物 V2 C硬度很高，可达 2 7002 900 HV ，为优良的耐磨质点，可提高高铬铸铁的耐磨性。当磨粒切削形成的刻痕或沟槽比较大时, 以至一次滑动通过时，就可以把那些小的碳化物颗粒“犁”出去，这时碳化物颗粒没有起到硬质质点阻止磨粒切削的作用。只有当碳化物颗粒尺寸大于切削痕截面尺寸，或碳化物尺寸大到足以阻碍磨粒的压入和切削，或当碳化物颗粒至少有一个方向的尺寸大于磨粒压入深度时，碳化物颗粒对提高材料的耐磨性才是有贡献的。因此，在磨粒磨损条件下太

4、细小的碳化物对提高材料的耐磨性是不利的。所以当钒含量超过 0.8% 时，高铬铸铁试样的耐磨性会降低。1.1.2课题的意义作为耐磨材料不仅要求优良的抗磨粒磨损性，同时要求良好的力学性能，以防止零件在使用过程中断裂。金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，会造成巨大的经济损失，据统计资料，在失效的机械零件中，有 75%80% 属于磨损造成，供给机械的能量有大约 30%50% 消耗于摩擦和机械零件的磨损过程中。有资料表明：美国每年由于磨损造成损失约为1120亿美元，而我国约为400亿元。我国用于冶金、矿山、建材、电力等部门的破碎、制粉、排浆等设备的易损件，每年消耗百万吨以上。开发、研制推广新型抗磨

5、材料和先进的耐磨铸件生产工艺具有重要意义。1.2课题背景 高铬铸铁是一种应用广泛的耐磨材料，适用于各种高应力，中、低冲击载荷磨料磨损的工况条件，广泛应用于机械、冶金、采矿及矿产品加工等行业。材料具有优良的耐磨性能是由于硬质合金显微组织中共晶碳化物的作用。铬、碳含量，变质处理，热处理工艺等决定着高铬铸铁里共晶碳化物的分布形态。当铸铁的含铬量超过10%时，形成M7C3型碳化物，而不是在低铬时形成的M3C型碳化物。高铬铸铁形成的M7C3型碳化物被奥氏体或是它的转变产物所包围，分布形态转变为断续的杆状、块状和颗粒状，而不是一般白口铸铁中的连续状基或是严重影响材料韧性的网状。随着 Cr/C 比的增加，共

6、晶碳化物的形貌经历了由连续网状片状杆状连续程度减小的过程，共晶碳化物晶体类型经历由M3CM3C+ M7C3M7C3的变化过程。在高铬铸铁中加入稀土，能使As、Bi、Pb、Zn、Sn、Sb等低熔点杂质生成熔点较高的二元或多元化合物，不溶于铁液中而被除去，减少或消除这些夹杂物的有害影响；可以改变铸铁中碳化物的形状、影响铸铁基体中渗碳体的数量、细化铸铁的晶粒度，提高铸铁的强韧性。不同的热处理工艺可以产生不同的组织，进而影响合金的力学性能。材料的性能取决于组织，变质处理之所以改善高铬合金铸铁的力学性能，这主要是因为作为变质作用的稀土元素其原子半径与 Fe 的原子半径差别较大，在奥氏体相中的固溶度很小，

7、加入高铬合金铸铁中易富集在结晶前沿，导致结晶前沿成分过冷，使共晶体转变过程中奥氏体和碳化物两相的生长速度出现差别，导致共晶奥氏体生长速度超过了共晶渗碳体的生长速度，这就使奥氏体突破共晶碳化物对奥氏体的包围而快速增长，破坏了碳化物网络的连续性，使碳化物由条片状转变为短棒状和菊花状，进一步增强了奥氏体的连续性，从而减小了大片状网状碳化物对基体的削弱作用，使高铬合金铸铁的冲击韧性得到提高。另一方面，稀土复合变质处理使高铬合金铸铁晶粒细化，组织均匀，消除了柱状晶，强化了基体晶界，通常材料的组织越细，在一定体积内的晶粒数目就越多，在同样的受力状态下，材料的变形分散在更多的晶粒内进行，使变形较为均匀，引起

8、的应力集中较小。晶粒越细则晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的抗冲击性能，使高铬合金铸铁的冲击韧性提高。1.3文献综述高铬铸铁 Cr/C 为 48 时可稳定地得到M7C3。Cr/C适当提高时，碳化物增多，就使得较多的碳处于碳化物中，周围产生贫碳区，形成含碳量低的奥氏体基体，有利于材料的冲击韧度；同时，碳化物的数量大大增加，碳化物尺寸更细小，分布更均匀，提高了宏观硬度，因而其抗磨性提高了。碳化物的增加，也更好地保护了基体，因为碳化物之间的距离变小，使磨粒接触基体的机会减少了，从而刺入基体的深度也减少，减少了基体的被磨量；当承受较低冲击载荷时，在抵

9、抗冲击磨粒磨损过程中起主要作用的是( Fe ,Cr )7C3型碳化物,基体主要起支撑碳化物的作用。但是，当Cr/C过大时，碳化物聚集在一起,容易形成粗大初生相，产生割裂基体的恶劣作用，严重影响材料的综合性能，尤其是冲击韧度。同时研究表明：加入W后试样的硬度逐渐增加，当W含量在2. 92%时达到最大。因为硬度主要与基体和碳化物的相结构及碳化物的体积分数有关，加入 W 不但固溶于基体，而且还存在于共晶碳化物M7C3中，形成(Cr、Fe、W)7C3型结构，并且形成 W的碳化物(75 HRC)，所以提高了高铬铸铁的硬度。另一方面，共晶碳化物更加均匀细小弥散地分布于基体，片间距减小，也起弥散强化的作用。

10、碳化物之间的距离变小，在磨损过程中使磨粒接触基体的机会减少，刺入基体的深度也减小，从而减少了基体的磨损量。初生奥氏体周围的碳化物距离比共晶奥氏体周围的距离大的多，它很容易被坚硬的磨料犁伤、凿掉，使碳化物突起，没有了基体包裹，碳化物硬而脆，进而受到冲击时容易断裂，使磨损加快。所以碳化物越细小越弥散，硬度越高，磨粒不易把基体犁掉，碳化物也不易断裂，组织耐磨性越好。高铬铸铁共晶团尺寸、共晶碳化物尺寸和间距，均与共晶凝固温度范围有关，合金共晶凝固范围随Cr量变化而变化。减小共晶凝固温度范围可以有效地减少共晶碳化物间距，使共晶碳化物得到细化。当共晶团直径增加时，凝固过程释放的结晶潜热量大，同时奥氏体排出

11、的 C、Cr碳化物形成元素，使边界区的碳化物颗粒容易长大，影响高铬铸铁的韧性及耐磨性。在高铬铸铁中，M7C3 型碳化物的存在能使其耐磨性能提高，随合金元素的增加，可起到细化碳化物晶粒的作用，同时其力学性能以及耐磨性能均能够得到提高，但合金元素的添加量以适量为宜，当超过一定限度时，反而会对高铬铸铁的性能起到负面作用。因此，首先对合金元素添加量的控制是今后高铬铸铁改性研究的一个重要发展方向。第二，还可通过多种合金元素的同时加入，使其发挥“协同”作用，共同提高高铬铸铁的性能。 另外，通过热处理工艺，可进一步改善高铬铸铁组织的形貌及分布， 消除碳化物的团状以及颗粒状分布，细化晶粒。 最后，对性能的研究

12、归根结底还是应该从最基本的机理入手，因此，对 M 7 C 3 型碳化物的结构及其生长模式进行研究，搞清楚高铬铸铁中组织细化的机理，才是解决问题的根本所在1.3.1高铬铸铁发展概况高铬铸铁是一种热轧辊用材料，在实际工作条件下热轧辊在承受强烈交变机械应力、交变热应力和摩擦载荷下进行工作。辊身与温度高达9001200的钢坯直接接触，随后又被冷却水强制冷却，即连续经受急热和急冷的交替作用。工作一段时间后，轧辊表面就会产生网状裂纹(或称龟裂)，即发生热疲劳破坏，高温交变应力引起往复的局部塑性变形导致热疲劳裂纹的产生。热疲劳是一种高温高应变疲劳，其规律服从低周疲劳规律。在经受热循环时，轧辊辊身半径越大，内

13、外温差也越大，因而更容易发生热疲劳破坏。因此高铬铸铁在使用时表层产生热疲劳裂纹，进而发生剥落是其主要失效形式。高铬铸铁是继普通白口铸铁、高锰钢、NiHard铸铁之后的第三代抗磨铸铁，是一种优良的抗磨材料。它不仅表现出良好的耐磨性，而且还有较好的韧性，成为制造衬板的良好材料。这主要是因为高铬铸铁的基体中镶嵌着硬度高的M7C3型碳化物，这种组织决定了高铬铸铁在低应力工况条件下具有优异的耐磨性。传统的高铬白口铸铁是以加入昂贵的 Mo、Cu来改善其韧性，使生产成本大幅度增加。本实验中通过改变高铬铸铁中碳化物的形态来增强其力学性能，以期达到节约成本的目的。1.3.2改变高铬铸铁中碳化物形态的方法（1）加

14、入钨元素是共晶碳化物细化钨作为强碳化物形成元素，添加钨的铸铁具有硬度高、耐磨性能好等特点而成为一种新型的抗磨材料。其碳化物硬度较高 (75HRC) ，且具有较高的稳定性，故通常可通过加入钨元素来提高碳化物的硬度和增强其稳定性，进而提高高铬铸铁的耐磨性能。关于改善钨合金铸铁共晶碳化物形貌的研究近来被广泛关注。高铬铸铁铸态组织以奥氏体为基体，通过加入钨，提高碳化物的硬度，增强碳化物稳定性，进而提高高铬铸铁的耐磨性及韧性。高铬铸铁共晶团尺寸、共晶碳化物尺寸和间距，均与共晶凝固温度范围有关，合金共晶凝固范围随Cr量变化而变化。减小共晶凝固温度范围可以有效地减少共晶碳化物间距，使共晶碳化物得到细化。加入

15、合金元素W和Cr相似，增加W量可使合金的共晶点左移，增加了共晶团和共晶碳化物的数量。W细化奥氏体树枝状晶，进一步改善共晶碳化物分布。W与C的结合能力比Cr强，是强碳化物形成元素，在的结晶过程中，W、Cr 和C同时向周围排出，同时M7C3结晶时结晶前沿液相中的碳化物元素 C、Cr 等优先向M7C3扩散。由于在近共晶成分下，奥氏体和共晶碳化物同时促进生长，只要影响共晶两相的形核、生长因素都有可能对共晶团细化产生影响。奥氏体为非小平面生长，碳化物为小平面生长，奥氏体包围碳化物成半孤立状态。元素 W 在共晶奥氏体和共晶碳化物中分布无明显区别，原子尺寸比 Fe 和 Cr 都大，且熔点高，又易形成碳化物，

16、减小 C 原子扩散系数，凝固过程中同时使 Cr原子扩散受阻，共晶碳化物M7C3和奥氏体在小范围内形核生长。所以随着加入合金 W 量的变化，碳化物和共晶团尺寸减小。当加入 W 过多时，由于碳化物形成元素浓度的增加使碳化物生长速率增加，碳化物体积分数也增加，共晶团和碳化物尺寸变大。另一方面，当共晶团直径增加时，凝固过程释放的结晶潜热量大，同时奥氏体排出的 C、Cr碳化物形成元素，使边界区的碳化物颗粒容易长大，影响高铬铸铁的韧性及耐磨性。钨在高铬铸铁中既能形成碳化物又能熔入到基体中，且能在碳化物和基体上平均分布，钨熔入基体中能提高高铬铸铁的冲击韧性， 但当钨含量高于3% 时，其冲击韧性反而下降，但耐

17、磨性能较好。（2）加入稀土元素阻碍共晶碳化物的连续生成稀土元素能提高高铬铸铁的热疲劳性能，而热疲劳寿命的提高与铸铁中碳化物的形态有关，稀土的变质作用主要在于它的脱氧、脱硫作用，所形成的稀土硫化物 、稀土氧化物和稀土硫氧化物一部分被排除，使铁水净化。而另一部分，根据结晶学方位对应原理，可作为初生奥氏体非自发形核核心。因此，铸铁中加入稀土后，初生奥氏体可以在熔体中各处形核和生长，由于稀土元素在奥氏体中的溶解度很小，而且它在固液两相中的平衡分配系数 k 0(c s /c L )远小于1，稀土元素将在奥氏体枝晶结晶前沿的熔体中富集，形成成分过冷区，有利于奥氏体枝晶向多晶发展，并缩小了枝晶间距。这样奥氏

18、体在生长过程中，其枝晶相互容易搭接而形成胳架，阻碍共晶碳化物的连续生成，从而破坏了它们间相互连接成网状或连续的长条状，并向断续的网状岛状过渡。稀土元素抑制了高铬铸铁奥氏体化时碳原子向奥氏体中的熔入，从而减少了奥氏体中的碳含量，使固态相变点提高，缩短了组织转变的孕育期。（3）高铬铸铁中添加适量钒、钛细化高铬铸铁的合金组织在高铬铸铁中添加适量钒、钛细化高铬铸铁的合金组织，增加马氏体基体含量，改善碳化物形态和分布，使得高铬铸铁耐磨性大幅度提高。钛是活泼元素之一，它与氮、碳、氧都有较强的结合力，与硫的结合力也强于铁，钛与碳、氮形成的TiC、TiN熔点高，其质点在凝固过程中起外来晶核作用，细化铸态组织，

19、形成的TiC极为稳定，不易溶解，在热处理过程中也有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。钛的加入量过多时，会引起高熔点、硬质相的增加及粗化，这样不仅不能细化晶粒，反而使碳化物析出，损害强度和韧性。钛元素细化过共晶高铬铸铁的机制也得到了研究。研究发现的机制表明生成的 TiC 可作为M7C3初生碳化物异质形核质点，起到促进形核的作用；碳化物外部聚集了大量 Ti 元素，凝固过程的铁、铬、碳等元素向碳化物内部扩散受阻，使碳化物难以长大，从而细化。钒可以稳定高铬铸铁中的碳化物，同时含钒的碳化物硬度很高(2400HV)。钒还能细化白口组织，减少粗大柱状晶组织，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，使

20、基体中含碳量降低，提高Ms点，在铸态容易获得马氏体。试验结果表明：高铬铸铁经热处理后，随着含钒量的增加，高铬铸铁硬度先提高后又有所下降；含V、Ti的高铬铸铁使碳化物细化、间距减小、断续、均匀分布，减轻基体被磨损粒刺入的倾向，增加对显微切削的阻力。（4）铬对高铬铸铁性能的影响工业上应用的高铬白口铸铁其含铬量一般在11%25% ，铬碳比 3.5 要高。增加铬和碳的含量都将使得碳化物的数量增加，使得耐磨性能提高的同时，降低了冲击韧性。铬除和碳、铁等形成碳化物以外，还能部分溶于基体中，提高了铸铁的淬透性 。郭二军等对 Cr-C 在 31%Cr 高铬铸铁中对组织和性能的影响进行了研究。 根据此研究的结果

21、，此高铬铸铁成分为过共晶，M7C3 碳化物呈长条状，其横截面为六边形。高铬铸铁中铬元素含量变多，试样中碳化物得到细化，分布形态也更好，碳化物数量也显著减少，降低了过共晶度。随铬元素含量的增加，Cr31 高铬铸铁的硬度略微下降，而其冲击韧性呈现出明显的升高趋势。当外加载荷为 70N 时，Cr31 高铬铸铁的耐磨性随铬元素掺量的增加反而下降。1.3.3变质处理对高铬合金铸铁显微组织的影响变质处理前后高铬合金铸铁的铸态组织均由索氏体+马氏体+共晶碳化物+少量残余奥氏体组成。不同的是未变质高铬合金铸铁的铸态组织中，基体组织为粗大的柱状树枝晶，碳化物较为粗大，呈长片状或长条状，沿晶界连续分布，加入 0.

22、2% 稀土复合变质剂后，高铬合金铸铁的铸态组织细化，柱状晶得到改善，碳化物形貌由长条状变为杆块状，碳化物分布也由变质处理前的连续网状转变为断续网状；当变质剂加入量增加至 0.5% 时，高铬合金铸铁铸态组织明显细化，柱状晶基本消除，基体晶粒以细小等轴晶为主，网状碳化物出现颈缩现象，分布明显改善，粗大的碳化物也变得更加细小，尖锐棱角消失。经热处理后高铬合金铸铁变质处理前后的组织均由回火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物组成。相比之下，未变质高铬合金铸铁热处理后基体组织虽得到了细化，但仍有较多的柱状晶存在；碳化物形态和分布得到一定的改善，碳化物部分断开，呈条块状，但仍以断续网状分布；加入0.2%复合变质

23、剂后，高铬合金铸铁热处理后，组织得到明显改善，柱状晶明显减少，等轴晶增多，碳化物形态大大改善，由片条状转变为短棒状和碎块状，分布状态也得到较大程度的改善;当稀土复合变质剂加入量由 0.2%增加到 0.5%时，高铬合金铸铁热处理后的组织进一步细化，粗大的柱状树枝晶和长片状碳化物消失，基体组织转变为细小的等轴晶，碳化物也由短棒状转化为细小的菊花状，碳化物分布也明显得到改善。RE 复合变质处理之所以能细化高铬合金铸铁基体组织，改善碳化物分布，消除粗大的柱状树枝晶，使碳化物由连续网状分布转变为断续网状分布，碳化物形态由长条状或大片状转变为细小的短棒状和菊花状，碳化物的分布更加均匀，其主要原因为:稀土复

24、合变质剂均为活性元素，它的加入一方面能与铁水中的硫和氧结合生成稀土硫化物和硫氧化物，这些稀土硫化物和稀土氧化物熔点高，在液相中析出，可以成为初生奥氏体的异质形核，促进奥氏体细化晶粒;另一方面，稀土元素能吸附在奥氏体晶粒间界和碳化物晶体表面，降低界面能，抑制晶体以树枝状晶生长，阻挡了碳化物赖以生长的生长台阶，因此，消除了柱状晶，抑制了碳化物以固有的生长方向生长为条片状，促使碳化物以小平面方式生长，使碳化物条片侧面迅速增厚，最终导致碳化物形态和分布明显改善。1 刘少平, 苏丹, 孙凯等.钒、钛对高铬铸铁中碳化物形态及耐磨性的影响J.铸造技术，2006，2.2 党晓明，马幼平，李秀兰等. 钨含量对高

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