高铬铸铁抗磨材料性能的研究

山东科技大学本科生论文

答辩

2012-06-14等离子表面重熔对KmTBCr12耐磨铸铁组织和性能的影响汇报人：xx指导老师：xx教授

xx老师汇报内容

一、绪论二、实验材料及实验方法三、实验结果与分析四、结论五、参考文献1绪论1.1、引言1.2、高铬耐磨铸铁的组织和成分1.3、本课题研究的目的及意义1.1引言

磨损是造成机械失效的主要原因之一。为了维持各种机械设备的正常运行，工业部门经常需要投入大量金属制造易损件，这方面的金属消耗量是相当可观的。金属磨损问题多年来一直是材料科学技术工作者关注的热点。随着科学技术的发展以及现代科技的需求，耐磨铸铁的作用越来越重要。耐磨铸铁有两种形式，它是根据两种不同的磨损形式划分的。磨损通常存在两种不同的形式，一种为干式磨损，如轧辊、球磨机磨球以及喷丸机叶片等工件的磨损；另一种为润滑磨损，如滑块、轴承以及机床导轨等工件的磨损。用于前一种磨损形式的耐磨铸铁为抗磨铸铁，用于后一种形式的耐磨铸铁为减磨铸铁。铬系白口铸铁就是抗磨铸铁的一种。高铬铸铁属于耐磨铸铁中的抗磨白口铸铁，它是现今性能最好，应用最广泛的一种合金铸铁。但随着科技的发展，其耐磨性渐渐跟不上工业发展的步伐。进一步提高高铬铸铁的耐磨性能，已成为目前耐磨材料研究的热点之一。减少金属磨损，总体上有两种途径：一是改善零件的服役条件，尽量减少外界对零件的伤害；二是设法提高零件材料本身的抗磨能力。为提高材料的抗磨能力，主要通过热处理工艺、表面技术来实现。本实验采用等离子表面重熔处理工艺，改善高铬耐磨铸铁表层组织，优化其耐磨性能，同时不改变内部基体的组织、成分，探索新工艺对高铬耐磨铸铁组织和性能的影响。1.2高铬耐磨铸铁的组织和成分（1）高铬耐磨铸铁的组织

高铬铸铁的w（Cr）为12%~30%，KmTBCr12、KmTBCr15Mo、KmTBCr20Mo、KmTBCr26都是高铬白口铸铁。高铬铸铁的重要组织特点是基体上均匀分布着M7C3型铬碳化物，即（Fe，Cr）7C3型合金渗碳体，这种共晶碳化物为六角形杆状级曲面板条状,呈断网状分布。据北京工业大学子澎教授研究，M7C3型铬碳化物的硬度为1200~1600HV，其韧性和耐磨性也较好，组织形态如下图所示：

图1-1

高铬铸铁组织形态（2）高铬耐磨铸铁的成分及所含主要元素的作用本次实验所用的材料是KmTBCr12，除Fe外，其所含主要元素为C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo、Cu。各元素的作用如下：①碳和铬的作用：碳:碳是影响高铬白口铸铁韧性最大的元素。由于碳与铁、铬、钼等元素形成碳化物为高硬度相,如果它们呈网状分布,更会加剧脆性,因此,高铬抗磨铸铁的韧性主要取决于组织中的碳化物数量、形态、分布、大小。增加碳量,可增加碳化物的数量,但会降低韧性和淬透性,热裂倾向增大。因此碳不能过高,一般认为Cr/C为4~8时,耐磨性较好。铬:当铬量超过10%时,则形成M7C3型碳化物,而不是在低铬所形成的M3C型碳化物。但是,其最重要的变化就是在含铬量高时形成M7C3型碳化物被奥氏体或其转变产物所包围。高铬铸铁中的M7C3型碳化物呈断续分布的杆状或块状、颗粒状,而不是呈一般白口铸铁中的连续状基体或网状。因此,高铬铸铁在具有高耐磨性的同时,也具有相当的韧性。另一重要变化则是M7C3型碳化物[即(Cr,Fe)7C3的硬度(1500~1800HV)比M3C型碳化物[即(Cr,Fe)3C]的硬度(1060~1240HV)要高。②合金元素的作用钼:钼可溶于碳化物和基体中,溶入基体的钼能极大地提高淬透性,对厚壁铸件可抑制珠光体的形成。加钼能增加相当数量的M7C3相,并形成高硬度的Mo2C。锰:锰既能进入碳化物又溶解于金属基体中。锰、钼联用能改变钼在碳化物和基体中的分配比,显著提高淬透性。但锰强烈降低Ms点,稳定奥氏体。因此,锰含量不宜过多,一般小于1%。硅:硅是非碳化物形成元素,它降低淬透性,有可能出现铁素相,过多的硅将使韧性下降,并且在磨损过程中出现剥落现象。但硅可以提高Ms点,减少残余奥氏体量,并起到脱氧作用,故硅一般被控制在03%~08%。铜:铜可提高淬透性。特别是当铜、钼共存时,提高淬透性效果更显著。铜能使碳化物变细和不连续,使基体的被割裂现象减轻,韧性提高。但铜稳定奥氏体,延迟二次碳化物的析出。由于铜是非碳化物形成元素,铜的加入量过多时,会在枝晶富集析出,反而对韧性产生不利影响。1.3本课题研究目的和研究内容（1）本课题研究目的

本课题研究目的是研究等离子表面重熔对KmTBCr12耐磨铸铁组织和性能的影响，以期该实验对高铬耐磨铸铁表层组织影响较大，进一步提高高铬耐磨铸铁的耐磨性。（2）主要研究内容

研究内容分为组织和性能两部分，组织通过物相分析和金相组织观察来鉴定，而性能是通过硬度和耐磨性来确定，实验分为显微硬度实验和磨粒磨损实验。2实验材料及实验方法1实验材料2试样制备及实验方法2.1实验材料

本次实验所用的材料是KmTBCr12，其成分如下表所示表2-1KmTBCr12化学成分2.2试样制备及实验方法铸铁板100×60120×60重熔60A70A50A基体8×8×856×25.5×7金相观察XRD显微硬度SEM磨粒磨损▲注意：在上图中，基体代表未经等离子重熔处理的KmTBCr12耐磨铸铁，50A、60A、70A分别代表经等离子电流50A、60A和70A重熔处理后的试样。3实验结果及分析3.1基体及重熔层的组织特征3.2性能检测与分析3.1.1物相分析基体70A60A50A3.1.2组织特征

（1）金相组织

基体50A60A70A（2）SEM形貌3.2性能检测与分析

3.2.1熔凝电流对KmTBCr12耐磨铸铁硬度的影响

相对于不用的组织，其维氏硬度不同，以基体（未经等离子表面重熔处理的KmTBCr12高铬耐磨铸铁）为例，如下图所示，马氏体的显微硬度值明显高于奥氏体的显微硬度值。

341.2HV

633.3HV

643.4HV

⑴基体及重熔层显微硬度为了提高实验的精确性，每组实验做了5次，各组试样显微硬度值由平均值决定，其值大小见下表：从上表可以看出，经过等离子表面重熔实验后，KmTBCr12的显微硬度显著提高。原因是因为其组织发生了很大变化，重熔后，组织中先共晶奥氏体相转变成马氏体，强硬度增加。但是，当重熔时等离子电流大小不同，试样的显微硬度大小也不同，从上表可以看出，当等离子电流为60A时，高铬耐磨铸铁的显微硬度最好。其原因是，重熔处理可以使奥氏体发生马氏体转变,马氏体的硬度大大高于奥氏体，而且马氏体可以为碳化物提供更加强有力的支撑,阻止碳化物在磨损时断裂和剥落,从而大大改善材料的硬度和耐磨性能。⑵试样重熔层热影响区硬度值变化50A70A上面两图分别为50A试样和60A试样热影响区显微硬度值变化趋势图，从图中可以看出，对于50A试样，由热影响区向基体其显微硬度值变化成降低趋势，在900μm和1200μm出现两个峰值，原因可能是打点时打在了硬度值较高的合金渗碳体上，其大小并不能反映整个试样热影响区硬度值的整体情况。而对于70A试样，其硬度值变化成起伏上升趋势，原因是电流过大而引起试样热影响区组织过热，晶粒吸收能量长大所致。

3.2.2试样耐磨性能探究——磨粒磨损实验

实验参数：水和砂的比例为1：1.5，重量分别为500g和750g；磨损机器转速250r/min。每1000r称量一次磨损试样重量，实验结果如下所示。以转数为横坐标，磨损失重为纵坐标，将表二转化成图形4结论

本文研究了等离子表面重熔技术对KmTBCr12高铬耐磨铸铁组织和性能的影响，通过文献查阅和实验分析，得出以下结论：⑴经过等离子表面重熔技术处理后的KmTBCr12高铬耐磨铸铁基体，组织分为两个区域：重熔区和基体。基体的主要组织由莱氏体（奥氏体+渗碳体）和(Cr,Fe)3C组成

；而重熔层组织由马氏体、γ相、(Cr,Fe)3C和(Cr,Fe)7C3组成。⑵由于重熔层发生马氏体转变和先共晶奥氏体组织的变化，导致其性能发生变化，显微硬度相对于基体提高了160—500HV，耐磨性能也得到改善。⑶通过实验数据表明，当等离子控制电流为60A时，重熔层的性能最优，显微硬度相对于基体提高了近500HV。5参考文献[1]赵宇，杨立松，陈莉.Cr12铸铁淬火＋回火工艺的研究.现代铸铁，2005，10，3（5），55～62[2]王玉磊，刘俊友，刘杰，姜锦程.Cr含量对铬硅锰合金耐磨铸铁性能的影响.金属铸锻焊技术，2009，4（5），42～52[3]潘璋，董选普，黄齐文.ZL104铝合金等离子表面重熔处理.铸造，2012，5（2），50～59[4]吉建立，王铁旦，周荣锋，蒋业华，周荣.半固态高铬铸铁重熔过程中初生碳化