毕业设计（论文）-高铬铸铁性能研究.doc

山东科技大学学士学位论文摘要摘 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、扫描电子显微镜、X射线衍射仪，电子探针等设备对试样的组织形态、化学成分、物相组成进行了分析，最后通过硬度测试，摩擦磨损实验进行性能检测。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；II山东科技大学学士学位论文AbstractAbstractBecause 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, X ray diffraction, electron probe and other equipment on the sample tissue morphology, chemical composition, phase composition are analyzed, finally, hardness test friction and wear experiments, 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.山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论11.1研究背景11.2高铬铸铁中的碳化物11.3高铬铸铁中的合金元素21.4高铬铸铁的应用51.4.1高铬铸铁磨球在球磨机中的应用51.4.2高铬铸铁在渣浆泵上的应用51.4.3高铬铸铁在水泥磨上的应用61.4.4高铬铸铁在破碎机颚板上的应用61.5高铬铸铁的研究现状71.6本课题提出以及研究的意义82 实验材料及实验方法92.1实验设备及实验材料92.1.1 实验设备92.1.2实验材料制备92.1.3高铬铸铁的铸造112.2 试样制备、组织观察及性能测试132.2.1 实验流程132.2.3组织观察142.2.4物相及成分分析152.2.5硬度检测152.2.6摩擦磨损实验153.实验结果与讨论173.1组织观察173.1.1高铬铸铁的组织形貌173.1.2 试样的SEM微观组织形貌183.2 XRD数据分析193.3 电子探针203.4 硬度分析223.5 磨损量分析223.6 磨损形貌分析234.结论25参考文献26致 谢26附 录291.外文文献原文292.外文文献译文35IV山东科技大学学士学位论文 绪论 1 绪论1.1研究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。1.2高铬铸铁中的碳化物最早对铁-铬-碳合金进行研究是从1892 年由F.Osmond开始的。他第一个指出了复杂碳化物的存在。W.Tofaute 等对铁-铬-碳状态图进行了系统的研究。在这些工作的基础上，克里麦克斯钼公司随着高铬铸铁的冶金因素，微观组织及其对磨损性能的影响，特别是对厚截面大型高铬铸铁铸件在矿山设备中的应用作了大量研究，为高铬铸铁的使用开辟了广阔的道路。碳化物是白口铸铁中的重要组成相，所占体积分数高达40%左右，碳化物具有高硬度、高弹性模量、高熔点并且易脆的特点。此外，具有明显的金属特性金属光泽，高导电率，电阻随温度降低而降低。其类型、成分、数量、大小、形状及分布直接影响白口铸铁的性能。高铬铸铁组织中存在大量的碳化物，碳化物硬度越高，其抗磨料磨损性能就越好。碳化物的类型，形态和数量对高铬白口铸铁抗磨能力和力学性能都有影响。高铬白口铸铁可能出现的碳化物类型有M7C3 ，M23C6 和M3C。碳化物都是硬质相， 对合金的抗磨能力起重要的作用，其中M7C3 型碳化物的抗磨性能最好。当合金含铬量大于11%，Cr/C大于3.5时，它在微观组织中形成的碳化物主要为M7C3 型，显微硬度高达HV1300-1800，而且这种碳化物呈块状，断开分布，以半孤立状态分布在金属基体之间，减少了对基体的割裂程度，使其韧性和耐磨性能大大增加。应用于一些少量冲击和凿削磨损的衬板磨球颚板等，可以比高锰钢使用寿命高好几倍，高铬铸铁的这种组织特点是使其成为优良的抗磨材料的关键。1.3高铬铸铁中的合金元素高铬白口铸铁是具有合金碳化物与基体组成的多相组织。高铬铸铁的磨损是由碳化物和基体两者的磨损机制共同决定。研究认为：马氏体基体比奥氏体基体有更好的抗应力磨损耐磨性，但动态断裂韧性较低。高铬白口铸铁在不同的工况条件下工作，对其硬度、韧性、耐磨性等有不同的要求，其合金成分的选择和加入量也不同。碳：碳是影响碳化物数量的主要因素，碳影响碳化物的数量，但基本不影响碳化物的类型。铸铁中的含碳量越高，碳化物数量越多，淬透性越差。提高碳含量能提高铸铁的硬度，改善材料的耐磨性，但过高的碳含量将使铸铁的韧性降低；铬：铬是高铬铸铁的基础元素，是决定碳化物类型的主要因素，使显微组织中获得更高硬度的M7C3 型碳化物。提高铬的含量有助于提高碳化物的数量。铬一部分去形成碳化物，另一部分溶于基体，提高铸铁的淬透性，抑制珠光体的形成。随着铬量的提高，合金白口铸铁的组织与性能要发生重要的变化，当铬含量大于10%-12%时，碳化物的形态从M3C 型转变成M7C3 型，碳化物硬度显著提高，同时韧性也得到改善。碳和铬是高铬铸铁中最重要的合金元素。碳含量主要决定碳化物的数量，铬含量则主要决定碳化物的类型。高铬铸铁中铬与碳的比值Cr/C对其组织和性能有很大的影响。试验结果表明：随着Cr/C 增加，共晶碳化物的形貌经历了连续网状-片状-杆状等连续程度减小的过程，共晶碳化物的类型也经历了M3C-M3C+M7C3-M7C3 的变化过程，这无疑提高了高铬铸铁的韧性。此外，基体晶粒随着Cr/C 的增加变的细小。文献指出，Cr/C大于5能获得大部分的M7C3 型碳化物，因而采用优选值Cr/C5。碳化物质量分数：w(k)=w(c)12.33%+w(cr)0.55%-15.2% （1-1）根据公式，铬增加碳化物的作用没有碳大，因此通常用提高碳量的办法去增加碳化物数量。钼：钼在白口铸铁中，质量分数的50%消耗于形成Mo2C，25%进入碳化物，25%溶入金属基体。钼能提高共析转变温度，推迟奥氏体转变的孕育期，使连续曲线右移，显著降低临界冷却速度。钼强化了奥氏体脱稳反应， 有效提高马氏体转变点Ms，是提高淬透性的有效元素，同时细化晶粒。钼是贵重元素，故其加入量一般不超过3%，试验中Mo的加入量控制在0.8%以下。钨：钨和钼有相近似的特性，一部分固溶在基体中，有提高共析转变温度，细化奥氏体树枝状晶，进一步改善共晶碳化物分布的作用。镍：镍不形成任何形式的碳化物，无限固溶于奥氏体中，扩大奥氏体相区，降低临界转变速度和马氏体开始转变温度Ms，是稳定奥氏体的主要合金元素，并抑制珠光体的形成。国内镍资源缺乏，价格高，控制在0.2-0.8 之间。钒：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，在结晶时作为外来核心，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，同时含钒的碳化物硬度很高，HV2400。钛：钛是活泼元素之一，它与氮、碳、氧都有较强的结合力，它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，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，细化晶粒。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。铜：铜可以提高铸铁的淬透性，但作用小于镍，也有稳定奥氏体，抑制珠光体形成的作用。质量分数以小于2.5%为宜。硅：硅是非碳化物形成元素，主要固溶于基体中，因其增加碳的活性，容易促使石墨形成，阻止白口的发生，降低淬透性，促使珠光体形成影响材料的耐磨性，含量不宜过高，一般含量为0.3%-0.8%。锰：锰具有扩大奥氏体相区，降低马氏体转变温度Ms作用，增加奥氏体含量，降低淬火后的硬度，而且过量的Mn 溶于碳化物中，使得碳化物变的更脆，易产生裂纹，在磨损过程中易折断。一般锰的含量控制在0.6- 0.9%。1.4高铬铸铁的应用1.4.1高铬铸铁磨球在球磨机中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。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。1.4.2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。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。1.4.3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。1.4.4高铬铸铁在破碎机颚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。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。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。1.6本课题提出以及研究的意义耐磨高铬铸铁的耐磨性取决于共晶碳化物和金属基体。碳化物的数量、形态和组织结构直接影响到耐磨性和韧性。而碳化物和金属基体首先是由其化学成份决定的， 所以必须合理设计其化学元素的含量。如前所述，高铬铸铁在磨料磨损场合具有优良的耐磨性，已经在国民经济的许多行业中得到了广泛的应用，这主要是因为高铬铸铁通过适当的热处理工艺与合金变质处理可以获得强韧的基体组织和高硬度的M7C3 型碳化物。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 型碳化物并使高铬铸铁的硬度和韧性达到良好的配合， 综合提高耐磨性， 一直是国内外研究的主要课题。 25山东科技大学学士学位论文 实验材料及实验方法2 实验材料及实验方法2.1实验设备及实验材料2.1.1 实验设备试验中用到的主要设备及型号列于表2.1中。表2.1 试验设备及型号实验设备设备型号摩擦磨损试验机 M-2000X射线衍射仪D/Max2500PC扫描电子显微镜KYKY-2800B金相试样预磨机YM-2A抛光机P-1金相显微镜YM-EPI电子探针JXA-8230电子天平SL502N金相试样镶嵌机XQ-1洛氏硬度计 HRC电火花线切割加工机床DK7732型有些设备的使用方法及注意事项，以后章节将进行介绍。2.1.2实验材料制备成分设计的主要思路是:加大含碳量以获得足够数量的高硬度共晶碳物。但含碳量过高，碳化物成网状，脆性加大；含铬量适当，以保证在较低加入量时仍有足够数量共晶碳化物生成，且铬、碳比在此范围内时，基组织淬火后主要为马氏体；进行低温回火处理，消除淬火应力，以减小开裂倾向。（1）碳C 对材料的硬度影响最大，硬度随含C 量的增加而提高。碳为生成共晶碳化物(Cr，Fe)7C3的主要元素，共晶碳化物在耐磨性方面起重要作用。当含C量较高时，组织中碳化物数量增多，初生碳化物粗大，硬度进一步提高，但对基体的割裂程度增大，材料的韧性、强度下降，将含碳量控制在2.4%-2.9%。（2）铬高铬铸铁耐磨性能主要取决于基体组织中碳化物的含量，碳化物越多，硬度越高，耐磨性能就越好。高铬铸铁中共晶碳化物数量的Marafray 计算公式：M7C3(%)=12.33(C%)+0.55(Cr%)-15.2很显然，当含碳量相同时，Cr26的碳化物数量明显高于Cr15。而且随着Cr/C的提高，共晶碳化物的硬度也随之提高，但韧性下降，易破碎，这也是生产Cr26高铬铸铁比生产Cr15高铬铸铁技术难度更大的重要原因之一。因此确定含铬量在23%-28%。（3）锰Mn具有提高淬透性和很强的稳定奥氏体的作用，降低马氏体转变开始温度。锰量较高时，部分锰与碳化合，存在于共晶碳化物中。锰在高铬铸铁中既是合金元素又是常存元素，但在Cr26高铬铸铁中Cr/C较高，已稳定了奥氏体，因此控制Mn在0.5%-1.0%，同时也避免在发生马氏体转变时因锰量过高而产生粗大的针状马氏体、增加残余奥氏体数量。（4）硅高铬铸铁中硅量不易过高，硅主要固溶于基体中，在共晶碳化物周边硅浓度有所富集，而铬的浓度降低，易形成硬而脆的马氏体和微观裂纹，并沿界面扩张，是材料微观剥落的促成因素。硅作为高铬铸铁的常存元素一般控制在0.4%-1.0%。（5）钼和镍钼部分固溶在基体中。钼能提高共析转变温度，推迟奥氏体转变的孕育期，使连续冷却曲线右移，显著降低临界冷却速度；钼强化奥氏体脱稳反应，有效提高马氏体转变点Ms，是提高淬透性的有效元素。但由于钼的价格较贵，一般控制在1.5%以下。镍无限固溶于奥氏体中，不形成碳化物，使奥氏体连续冷却曲线右移，扩大奥氏体相区，降低临界冷却速度，也降低马氏体转变开始温度Ms，是稳定奥氏体的主要合金元素。镍在高铬铸铁中的使用量一般为1.5%。镍能提高高铬铸铁的冲击韧度和高温耐磨性。本实验采用的基体实验材料参考KmTBCr26，其中各成分的设计含量如表2.2所示。表2.2 高铬铸铁的主要成分含量合金元素CCrMnSiMoCuNiFe含量（wt）2.8270.70.61.00.80.8Balance试样长为60mm，宽28mm，厚8mm，单个试样体积为13.5cm3，12个试样总体积为162cm3，取体积为140cm3，密度按8g/cm3，总质量经计算约为1296g，按1300g计算。需要的铬按29%计算的质量约为380g，以铬铁中含铬量为60%的计算得到需要铬铁约为634g；需要锰的总量约为9.1g，以锰铁含锰量为65%的计算，需锰铁约为14g；钼的总量为13g，以含钼为60%的钼铁计算约为21.7g；需要硅的总量为7.8g，以硅铁含硅量55%计算约为14.2g。2.1.3高铬铸铁的铸造（一）高铬铸铁熔炼工艺要求(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。（二）高铬铸铁生产工艺要点(1)高铬铸铁性能较差，其热导率低，塑性差，收缩量大，且有大的热裂和冷裂倾向，在工艺上要将铸钢和铸铁的特点结合起来考虑，必须充分注意铸件的补缩问题，其原则与铸钢件相同(采用冒口和冷铁，且遵循顺序凝固原理)。由于合金中铬含量高，易在铁液表面结膜，所以看起来铁液流动性差，但实际上流动性较好。(2)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。(3)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。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。(4)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。(5)在具体零件铸造工艺设计上，要注意不能让铸件出现受阻收缩，以免造成开裂。另外，浇注后开箱温度过高也极易造成铸件开裂，540以下的缓冷是十分必要的，应使铸件在铸型中充分冷却，然后再开箱清砂，或开箱后先勿清砂而堆在一起( 铸件、浇冒系统等)围干砂缓冷。开箱周围环境必须保持干燥，不得潮湿有水，否则极易造成铸件裂纹。(6)浇注温度要低，有利于细化树枝晶和共晶组织，而且可避免出现因温度过高而造成的收缩过大及表面粘砂等缺陷。浇注温度一般比其液相线(1290-1350)高55左右，轻小件一般控制在1380-1420，壁厚100mm以上的厚重件控制在1350-1400。由于含铬量高，铁水看来较冷和滞钝，浇注温度应该尽可能低以获得细晶粒组织。（7）用中频感应电炉熔炼时铬的熔损因温度和时间不同而不同， 当很度超过1500时烧损量可达5%以上，故应该控制熔炼温度在1480以下。据测定当1480时保温2小时铬熔损量约4%左右，为减少铬的烧损应该最后加入铬铁，这样可使烧损降至2%以下。2.2 试样制备、组织观察及性能测试2.2.1 实验流程试样铸造摩擦磨损测试硬度磨平XRD抛光腐蚀金相观察SEM电子探针2.2.3组织观察(1)金相试样制备采用DK7732型电火花线切割加工机床对熔覆试样切割加工，以观察试样的组织结构和性能。将试样用切成6mm6mm31mm，用镶嵌机对其进行镶嵌并露出试样侧面，保证能看到试样。镶嵌具体步骤：把将要观察的试样的面向下放入镶嵌机中，加入镶嵌料，放好压头，盖好顶盖，打开电源，然后进行加压，要保持压力指示灯一直处于亮的状态，准备随时加压，等待10分钟左右即可。将镶嵌好的试样在砂布和0#，1#，2#，4#，5#，6#金相砂纸上进行打磨。试样要打磨平整，打磨过程中，试样每次旋转的度数都是90度，且应保证每次旋转时试样面上的划痕方向已经打磨一致，按此种方法依次更换更细的砂纸进行打磨，直至最细的6#砂纸，然后在P-1型抛光机上对试样进行抛光，抛光时注意将划痕的方向与抛光机砂轮旋转的线速度方向垂直，这样有利于更快更好的抛光试样，最后达到试样表面光亮没有划痕，洗净并用吹风机吹干。用HCl+HNO3配成的体积比为1:3腐蚀剂对试样进行腐蚀，腐蚀时间约5s，然后用水冲洗干净，再用酒精擦拭，最后用吹风机吹干。在冲洗试样时最好能用脱脂棉擦洗，以保证试样表面的清洁度，避免影响观察金相时的效果。金相观察后的试样，要放入样品袋中，保护好表面，防止氧化或是产生划痕。（2）组织观察用奥林巴斯TK-C1380型光学金相显微镜观察涂层，基体的低倍显微组织结构，并拍摄不同放大倍数不同区域的照片。扫描电镜（SEM）在KYKY-2800型扫描电子显微镜上观察碳化物高倍显微组织结构。拍摄不同放大倍数下试样的照片，并分析观察各个部分组织的变化。2.2.4物相及成分分析对于要做XRD分析的试样，只需将试样表面用砂纸打磨光亮平整即可，以便检测试样中形成的物相。做成分分析的试样则需要按金相试样制备的过程进行制备。（1）物相分析具体实验：将做好的试样用D/Max2500PC型号的X射线衍射仪做XRD分析，扫描角度为10-100，扫描速度0.05/s，试样表面要求平整，用砂纸进行打磨，以免影响物相的分析结果。做完后对所得衍射峰用JADE分析软件进行处理，分析试样随陶瓷相含量的变化试样物相的变化情况。（2）成分分析用电子探针（EPMA）对试样进行成分分析，同时对试样进行能谱元素分析，主要进行面分析、线分析和点分析，线分析分析从涂层结合面基体各元素的变化情况，点分析用于分析特定区域特定点的元素含量，线分析主要研究一条线上的成分变化情况，面分析主要用于研究一定区域内的成分分布情况。2.2.5硬度检测将试样取5个点，用洛氏硬度计分别测试其硬度，记录实验数据，然后取平均值作为其硬度值。2.2.6摩擦磨损实验M-2000摩擦磨损试验机操作过程1、将试样做不同时间相同载荷下的磨损实验。所以将3个试样分别编号，记为1、2、3号。2、将本组试样用酒精洗干净，用吹风机吹干，然后用电子天平分别称重，并记录数据。3、本组条件载荷为150牛顿，1、2、3号试样的时间分别为20、40、60分钟。4、将测完的试样再用酒精洗干净，用吹风机吹干，然后用电子天平分别称重，并记录数据。山东科技大学学士学位论文 实验结果与讨论3.实验结果与讨论3.1组织观察3.1.1高铬铸铁的组织形貌（a）200（b）800图3.1 高铬铸铁显微组织照片在光学显微镜下观察，高铬铸铁试样的微观组织为典型的亚共晶白口铸铁组织形态，由初生奥氏体的低温转变组织和共晶体组成。由图像可以看出，金相试样在腐蚀之后，共晶组织中的基体被腐蚀掉一层，留下细长条或块状的东西，而且呈并排分布。基体主要是由奥氏体组成，猜想呈长条或块状的应该是共晶碳化物，且是在凝固过程中最先析出的初生碳化物。3.1.2 试样的SEM微观组织形貌(a)(b)图3.2扫描电镜图像在扫描电镜下观察，图像存在一些呈块状或针条状的物相。由此可以推出，共晶奥氏体已经转变针状的马氏体和少量的残留奥氏体，没有二次碳化物析出。高温下初生奥氏体在转变为马氏体之前已经析出大量的二次碳化物。3.2 XRD数据分析图3.3 XRD衍射图分析高铬铸铁的XRD衍射图结果可以看出：(1)高铬铸铁中含有马氏体，奥氏体，碳化铬等主要组织；(2)由衍射图可知，高铬铸铁中的碳化物为Cr7C3，碳化物的晶面衍射峰与奥氏体、马氏体不同程度重迭，碳化物与奥氏体，与马氏体的的晶面衍射峰严重重迭，与奥氏体的晶面衍射峰弱重叠，衍射峰弱重叠的影响可忽略不计；(3)衍射图中所体现的元素与设计的成分基本吻合。3.3 电子探针（a） （b）图3.4试样的电子探针图表3.1 图3.4标识区域的成分元素重量原子百分比百分比C K11.2936.02Cr K60.9944.95Mn K1.320.92Fe K26.4018.12总量100.00 （a） （b）图3.5试样的电子探针图表3.2图3.5标识区域的成分元素重量原子百分比百分比C K3.8015.15Si K1.732.95Cr K16.0814.82Mn K1.090.95Fe K75.5664.82Cu L1.741.31总量100.00（a） （b）图3.6试样的电子探针图表3.3图3.6标识区域的成分元素重量原子百分比百分比C K4.5217.61Si K1.833.06Cr K15.8914.31Mn K1.130.96Fe K74.9862.85Cu L1.651.22总量100.00分析图3.4电子探针图可知，此区域含有大量碳元素和铬元素，应该属于碳化物。分析图3.5电子探针图可知，此区域含有大量铁元素和铬元素，应该属于基体组织。分析图3.6电子探针图可知，此区域含有大量碳元素和铬元素，但相比图3.5铁元素含量降低，碳元素含量有所增加，此区域应属于基体组织与碳化物交混的区域。3.4 硬度分析试样12345HRC4445454748表3.4硬度测试结果在试样表面取5个点分别测试其硬度，记录数据取平均值为约为46HRC。由资料得，普通铸铁经过热处理之后的洛氏硬度值约为40-48HRC。硬度测试结果如上所示，由此可知，未经处理的试验用高铬铸铁的洛氏硬度值一般为46左右，硬度较未经处理的普通铸铁高。3.5 磨损量分析图3.7磨损量结果相同的载荷不同时间下的磨损量如上图所示由以上图表可知，在相同的载荷下，高铬铸铁的磨损量随着时间的延长而呈线性增长的趋势。3.6 磨损形貌分析 （a）400倍 (b) 800倍图3.8 两图均是载荷为150N时间为20分钟的磨损形貌图 （a）400倍 (b) 800倍图3.9 两图均是载荷为150N时间为40分钟的磨损形貌图 （a）400倍 (b) 800倍图3.10 两图均是载荷为150N时间为60分钟的磨损形貌图从以上的形貌图上可以清晰的看到磨痕，黑色的块状物应该是碳化物，白色的应该是基体组织。在形貌图的边上可以看到因冲击而形成的磨痕,这是由磨轮反复冲击磨面时形成的。山东科技大学学士学位论文 结论4.结论本实验通过对高铬铸铁进行成分设计，制备以及金相观察，电子探针，XRD衍射分析和扫描电镜以及摩擦磨损等实验得知以下结论：(1)高铬铸铁的主要元素包括碳、铬、铁、锰、硅、钼、镍等元素；(2)高铬铸铁的组织包括碳化铬、马氏体和奥氏体等；(3)高铬铸铁中的碳化物主要是Cr7C3，基体为马氏体和残余奥氏体；(4)高铬铸铁的耐磨性取决于共晶碳化物和金属基体。碳化物的数量、形态和组织结构直接影响到耐磨性和韧性，而碳化物和金属基体是由其化学成份决定的。44山东科技大学学士学位论文 参考文献参考文献1 苏丹钒钛高铬铸铁及其耐磨机理的研究D辽宁：辽宁工程技术大学，20052 子澍展望高铬铸铁的发展J铸造技术，2008，10（29）：1417-14203 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.这些铸铁的微观结构由网络初生碳化物，一起举行了一个树突状矩阵可以是马氏体，铁素体，或奥氏体，不同的化学成分的合金，和冷却条件和热循环对后固化材料阳离子其他碳化物也可以在铸造；一些结果共晶凝固阳离子或可能的结果分解和沉淀促进热处理。这些合金碳化物的发现可能是M7C3，MC，M3C，或M23C6类型，取决于数额铬等碳化物形成元素添加到铸铁。预计在高铬耐磨，高碳铸铁是受影响的数量，形状，大小，分布的不同类型的碳化物，因为它是记录在案的M7C3型碳化物在不同硬度1200 - 1600高压范围，而对M3C范围从800至1100高压这项工作的目的是目前的结果当组织一系列的高铬，高研究了碳铸铁。样品本研究是受到影响，在550丙颗粒还原铁。实验步骤八个不同的标本准备，以下不同考虑到不同的组织对高铬，高碳钢铸件。它是理想的获得初生碳化物M7C3型的分散在奥氏体基体，和钼的加入增加耐高温。硅量保持在0.3%左右，避免问题，获得碳当量高于共晶点确保形成初生碳化物。镍和锰的含量分别为被定为2.5和6%，促进奥氏体。这些微观结构条件被选定为材料的目的承受摩擦产生的气动运输降低铁颗粒在温度高于500C。它是计划保持不同碳含量和铬，但它是不可能的，演员的声音样品在所有实验条件。因此，它决定改为维修水平之比的等效铬含量（元件）的等效价值的碳（行政长官），这是计算实验目的在设计水平分别为4和7铬碳比，1%和2.6% 钼0.6%1.2%除钒加钛。表1显示实际获得的组合物。实验标本融化在空气中的一个感应炉与总容量25公斤，倒金属铸块模具约200毫米宽，高150毫米和10毫米厚度。所用的样本这项研究被切断从底部和中心这些锭。试样磨损试验是25385毫米在大小和相邻块用于金相检查。图1 实验铸件铁丰富的区域的铬铁图表显示这项测试是对铸态样品，这是地面和抛光后的标准程序。显微组织观察后蚀刻用着色试剂1克k2s2o5和0.5毫升的盐酸100毫升的水；1个8个样本浸泡在新鲜使蚀刻剂的时间范围从30到