（材料学专业论文）钒钛高铬铸铁及其耐磨机理的研究.pdf

辽宁工程技术大学顼士学位论文 摘要 本论文在分析高铬铸铁实际工况使用要求和磨损失效形式基 础上，确定了商铬铸铁的基本成分、熔炼铸造及热处理工艺。制 取了c r l 3 v t i 高铬铸铁。在材料的基本成分确定以后，分剐探讨了 对高铬铸铁采用不同含量的钒进彳亍变质处理后，离铬铸铁基体组织 和碳化物的变化及其对性能的影响，弗通过自制的单颗粒凿削磨损 试验机，模拟实际工况中高铬铸铁的磨损形式，分析了磨粒磨损过 程中磨损抗力的变化规律，观察了实际的磨沟形貌，进一步分橱高 铬铸铁的磨损机理，探讨了单摆冲击划痕法在材料磨损研究中的应 用。试验结果表明：钒、钛合金元素的合理加入，可以改善高铬铸 铁中碳化物的分布、形态，实现高铬铸铁的硬度和韧性韵最优化配 合，提高其耐磨性：磨损试验对实际工况进行模拟简化，是利用现 有试验设备进行实验室磨损试验的一个尝试，其采集的材料磨损抗 力的曲线可以用以判断材料组织中碳化物的特征，评价材料的耐磨 性。 关键词：商铬铸铁；钒：钛；磨损；碳化物； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i st h a tt h er e q u i r e m e n ta n dt h ew e a re x p i r a t i o nf o r m s o fh i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ，t h ei n g r e d i e n t 、s m e l t i n g ，c a s t i n ga n d h e a t t r e a t m e n to fh i g hc h r o m i u mc a s ti r o nw e r ed e c i d e d ，t h e nt h e c r l3 v t ih i g hc h r o m i u mc a s ti r o nw a so b t a i n e d a f t e rf i x i n gt h eb a s i c i n g r e d i e n t ，t h ec h a n g e so fm a t r i xm i c r o s t r u c t u r ea n dc a r b i d eo fh i g h c h r o m i u mc a s ti r o na n dt h ee f f e c to np e r f o r m a n c ew e r es t u d i e dw i t h d i f f e r e n tc o n t e n to fvw a sa d d e d b yr e f o r m i n gt h ee x p e r i m e n t m a c h i n et h ev a r i e t yr e g u l a t i o no ft h ew e a rr e s i s t a n c ew a sa n a l y z e d a n dt h ed i t c h e sw e r eo b s e r v e dt of u r t h e ra n a l y z et h ew e a rm e c h a n i s m o fh i g hc h r o m i u mc a s ti r o n t h ea p p l i c a t i o no ft h em e t h o do fs i n g l e p e n d u l u mi m p a c tw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e s ：t h e d i s t r i b u t i o na n da p p e a r a n c eo ft h ec a r b i d eo ft h eh i g hc h r o m i u mc a s t i r o nc a nb ei m p r o v e da n dt h eh a r d n e s sa sw e l la st h et o u g h n e s sc a nb e m a t c h e de x c e l l e n t l yb ya d d i n gv 、t ia p p r o p r i a t e l ys oa st oi n c r e a s e t h ew e a rr e s i s t a n c e ；i ti sa l la t t e m p to fu s i n ga v a i l a b l ee x p e r i m e n t e q u i p m e n tt oi m i 。t a t e a n d s i m p l i f y t h ea c t u a lw o r kc o n d i t i o n t h e c o l l e c t e dw e a rr e s i s t a n c e c a r v e sc a nb e u s e dt o j u d g e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o ft h ec a r b i d ea n de s t i m a t et h ew e a ra b i l i t yo f m a t e r i a l k e y w o r d s ：h i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ；v a n a d i u m ；t i t a n i u m ；w e a r ； c a r b i d e 创新点声明 本人声明所呈交之学位论文系我个人在导师指导下进行的研究工作 及所取得的研究成果。 针对实际工况中高铬铸铁磨损形式，通过加入钒、钛等合金元素，改 变组织中碳化物的分布、形态，以提高其硬度、韧性、耐磨性。 通过自己设计改造的单颗粒磨损试验机，对所制备v _ t i 高铬铸铁试 样进行凿削磨损试验，利用单片机采集动态力的信息，结合实际磨沟形貌 和尺寸分析其磨损机理，为进一步提高材料的耐磨性找到依据。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：荔盘 日期：2 0 0 5 ：1 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 l 绪论 1 1 材料的磨损 磨损是造成机器零件，构件失效的主要原因之一，不仅由于频繁 地更换零件，会造成生产率的下降，整体设各的使用寿命也会降低，而 且还直接造成金属材料和能源的极大浪费。据统计，世界工业化发达国 家的能源约有3 0 是以不同形式消耗在磨损上的。美国每年由于磨损造 成的经济损失约15 0 亿美元；前联邦德国技术科学部估测，磨损造成的 损失每年达1 0 0 亿马克：据不完全统计，我国每年磨损造成的损失达4 0 0 亿美元。因此，磨损问题越来越引起人们的普遍重视，深入地研究有 十分重要的经济意义。 材料磨损是两个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动 及因介质、温度，环境的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的 过程【2 1 。磨损是非常复杂的系统性很强的动态过程，它牵涉到摩擦系统 中工件的外部因素和材料的内部因素f 3 】。外部因素系指载荷，相对运动 形式，运动速度和持续时间，环境温度，介质和润滑状态等；内部因素 主要是指材料的化学成分，组织结构和力学性能等。摩擦系统中任一因 素的变化都可能引起磨损规律和磨损机制的变化。 由于磨损过程的复杂性导致其分类也较为复杂，根据不同标准可有 不同的分类方法。目前，人们通常从以下几个角度对磨损进行分类：按 机制、按表面接触性质、按环境和介质划分。磨损按不同机理和条件， 主要分为下列基本类型3 】：磨料磨损，粘着磨损，接触疲劳磨损，腐 蚀磨损，冲蚀磨损和微动磨损。 表l 一1 各种磨损类型所占的比例 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 由表l 一1 可见，在各种磨损类型中，约有5 0 左右是由于磨料磨损 造成的1 3 】【4 1 。它的广泛存在使磨料磨损造成的经济损失无疑是最大的， 因而磨料磨损是磨损研究领域中最重要的研究方向之一。 1 1 1 磨料磨损 1 1 1 1 磨料磨损的定义与分类 磨料磨损是指硬的磨粒或硬的凸出物与材料表面相互作用而造成 材料流失所形成的磨损。对磨料磨损也称为磨粒磨损。 美国学者h s a v e r y l 3 】于1 9 5 3 年在总结前人的工作的基础上对磨损 进行了分类，他认为造成磨损的基本因素有三方面，即力学的( 冲击的、 摩擦的、磨料的、振动的) ；热学的和化学的。认为在各种磨损中，这 三个基本因素都在不同程度上起作用，其中一个因素起主导作用f 引。在 磨料磨损中，磨料的存在是必要的因素。通常把磨料磨损分为以下三类： 低应力磨料磨损、高应力磨料磨损和凿削式磨料磨损【3 j 【4 1 。 1 低应力擦伤式磨料磨损 低应力磨料磨损是指磨料与材料表面之间的作用力小于磨料本身 压溃强度时产生的力，磨损结果是在材料表面只发生微小的划痕( 擦 伤) ，即不致使磨料破碎又能使材料不断流失的磨损方式，宏观可见磨 损表面比较光亮，高倍观察可见微细的磨沟和微坑一类的磨伤。典型的 零件如农机具的磨损、洗煤设备的磨损、运输过程的溜槽、料仓、漏斗、 料车等。 2 ，高应力磨粒磨损 高应力磨料磨损也称碎式磨料磨损。当磨料与材料之问接触应力大 于磨料的压渍强度时，一般金属材料表面被拉伤，韧性材料塑性变形或 疲劳，脆性材料则发生破裂或剥落。该类磨损的磨粒在压碎之前，几乎 没有滚动和切削的可能，它对被磨表面的主要作用是由接触处的集中压 应力造成的。典型零件是球磨机的磨球与衬板等滚式破碎机中的滚轮 等。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 凿削式磨料磨损 凿削式磨损的产生主要是有磨料中包含大块磨粒，而且具有尖锐棱 角，对材料表面进行高应力和伴随冲击作用，使材料表面撕裂出很大的 颗粒或碎块，使被磨材料表面形成较深的犁沟或深坑，经常在运输或破 碎大块磨料时发生。典型实例如鄂式破碎机的齿板等。 1 1 1 2 磨料磨损机理 磨料磨损是一种严重的金属失效形式。关于磨料磨损机理，目前尚 没有完全一致的意见。随着试验机的改进，观察手段的发展，人们对磨 料磨损机理提出了很多见解，丰富和发展了这方面的知识。这方面的研 究与模拟此类工况的试验机的发展紧密相关。揭示金属材料磨料磨损机 理，确定它与材料的物理、机械性能之间的关系，对研制耐磨材料，合 理选择抗磨措施有着重要的意义。 归纳起来主要有微观切削机理、多次塑变的犁沟机理、疲劳机理 和微观断裂机理1 5 】。 1 微观切削机理 在三十年代t o n n ，3 a 证y e 6 t 3 】就持有这种观点，他认为磨料磨损是磨料 在金属表面上切下微切屑造成的。磨粒在材料表面的作用力分为法向力 和切向力两个分力。法向力使磨粒压入表面引起材料表面塑性变形，并 形成压痕；切向力使磨粒向前推进，使材料表面产生微切削而磨损。当 磨粒形状与运动方向适当时，磨粒如同刀具一样，在表面进行切削。但 这种切削的宽度和深度都很小，因此切削也很小，所以称之为微观切削。 近年来的工作表明，这种切削一般可分为螺旋形、带状和c 型三类，其 共同的特征是一面较光滑，有规则的条沟，另面有滑动台阶，边缘平 直，并有卷曲，确为具有合适攻击角的磨料，产生显微切削的结果。 2 多次塑变磨损机理 在磨料磨损中，当磨粒滑过被磨材料表面时，除了切削以外，大部 分把材料推向两边或前缘，这些材料的塑性变形很大，但却没能脱离母 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 体，在沟底及沟槽附近的材料也有较大的变形。犁沟时可能有一部分材 料被切削而形成切屑，一部分则未被切削丽在塑变后被推向两侧和前 缘。犁沟或犁皱后堆积在两侧和前缘的材料以及沟槽中的材料，在受到 随后的磨粒作用时，可能把已堆积的材料压平，也可能使已变形的沟底 材料遇到再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料产生加工硬化或 其他强化作用最终剥落而成为磨屑。 3 疲劳磨损机理 疲劳磨损是因表面层微观组织受到周期载荷作用而产生疲劳裂纹 而产生磨屑的。目前对疲劳磨损机理仍存在着不同的观点，它们的破坏 形式和条件等都在不断地讨论之中。 4 微观断裂磨损机理 有些材料尤其是脆性材料，可能是断裂机理占主要地位。h e r b o g e n 最早把磨损中脆性碎屑的形成和断裂韧性联系起来。他认为当磨粒在脆 性材料表面划过时，切削几乎不发生，这时碎屑的产生是由于磨粒压入 金属表面时，压痕周围产生裂纹并连接而产生剥落的。人们的研究证实 了，脆性材料在硬磨粒压入表面时，压痕四角带有明显的表面裂纹，这 些裂纹向材料内部伸展，无出口裂纹，当这些裂纹相互交叉并扩展到表 面时，就形成脆性碎裂的磨屑。脆性材料的压痕断裂，其外部条件决定 于载荷大小、磨粒的形状和尺寸以及周围环境等，其内部条件决定于材 料的硬度和断裂韧性等。 综上所述，材料在磨料磨损过程中材料的去除主要有两种机制【5 】： 1 由塑性变形机制引起的去除过程 当被磨材料具有一定的塑性时，主要会发生两种主要的材料去除过 程。如图1 1 。 一类是磨粒的运动方向和棱角有利于切削时，将对金属表面产生显 微的切削作用，图1 2 即是这种切削过程的模型； 另一类是如果磨粒棱角不够锐利，或是刺入表面的角度不适合切削， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 将使材料表面产生犁沟变形，图卜3 是磨粒推挤材料的模型，磨粒具有 负前角，不能切削材料，只能推挤材料或犁沟材料而变形。 塑陛瓣功隆起 凶 j竺 i l 句槽 ( a ) ( b ) 材料因塑性变形发生去除的两种机制 ( a ) 犁沟( b ) 微观切削 图卜2 显微切削模型 每惦 农 形 匡 图1 3 磨粒推挤材料模型 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 2 由断裂机制引起的去除过程 这种去除过程在脆性材料中显得特别重要。如陶瓷碳化物和玻璃 等。当载荷较大，磨料尖锐以及材料的断裂韧性与硬度的比值越低时， 材料越趋向断裂，材料的硬度决定了磨料颗粒可能压入的深度。如果压 痕深度大于产生断裂的临界深度时，材料因断裂机制产生的去除过程就 会优先发生。 在磨料磨损过程中，无 塑性变形及断裂两种机制。 一种磨损机制会占主导地位 制向另种机制的转换。在 制和断裂机制综合作用的结 很多人的工作都已证明 况下可能同时或相继存在几 量也会发生变化。 1 1 1 3 磨粒磨损简化模型 论是塑性材料 只是由于磨损 。而且，常常 实际工况中， 果。 ，实际条件下 种机理，并随 或脆性材料，都可能同时发生 环境条件及材料特性不同，某 随条件的变化发生一种磨损机 材料的去除往往是塑性变形机 的磨料磨损很复杂，在一种工 条件的变化，机理的类型和数 在许多著作中都采用拉宾诺维奇在1 9 6 6 年提出的磨粒磨损简化模 型，见图l 一4 ，并导出定量计算公式 3 1 1 4 l 。模型计算假设条件：磨粒 磨损中的磨粒简化为一个圆锥体；被磨材料简化为不产生任何塑性 变形的刚体；磨损过程视为简单的滑动过程。 图1 4磨粒磨损的简化模型 利用这个简单模型，可以很容易计算出在一个圆锥体的磨料颗粒作 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 用下，滑动一定距离所磨损掉的材料体积( 阴影部分) 。即， 矿；= 1 2 * - x - 三：，x l ( 1 - 2 ) 1 式中 矿一一磨损掉的体积； ，一一磨粒圆锥体的半径； 石一一磨粒压入金属材料的内深度； 上一一滑动距离。 由于磨料压入金属材料内的深度，取决于压力的大小和材料硬度的 比值，所以 z = r t g o 2 = p h 式中 口一一磨料圆锥体夹角； p 一一法向载荷； 日一一材料的硬度； 令磨粒磨损系数 则 此式表明 载荷成正比， 在实际的 多。因为在磨 多磨粒在起作 有冲击的作用 力情况、磨粒 管如此，这个 v l = p x l - i t g o 如，= t g o x v l = k 如p h y 咀b r 等 ( 1 3 ) ，在一定磨料条件下，单位距离内滑动磨损体积与施加的 而与材料的硬度成反比。 磨料磨损过程中，磨损机理往往要比这种简单模型复杂得 损过程中所发生的现象是十分复杂的，不是单个的而是许 用；材料经常会发生塑性变形；磨损过程中还常常会伴随 、受环境温度、湿度、腐蚀介质的影响以及外部载荷、施 硬度、相对运动、迎角与材料的组织和性能等等影响。尽 简化的磨粒磨损模型仍然具有理论价值和实际意义。当前 辽宁工程技术大学硕士学位论文 许多研究者都在此模型基础上加以修正，为使它更完善，更符合实际而 工作。 1 1 1 4 凿削磨损研究的发展 矿用材料的凿削磨损在磨料磨损中占有比较重要的地位 5 1 。凿削磨 料磨损，是指在磨损过程中，硬的磨料在高冲击力作用下，使多棱角的 磨料在与材料表面接触的瞬间，切入表面而产生屑片，造成材料表面损 失的现象。 基于对凿削磨粒磨损过程和磨损表面的观测，通常认为磨粒在外力 作用下以一定的角度与材料表面相接触，此时作用在磨粒上的力可分为 垂直于材料表面的分力和平行于材料表面的分力，垂直分力使磨粒压入 材料表面，平行分力则使压入表面的磨粒作切向运动，在材料表面产生 擦伤或显微切削运动，结果在材料表面留下磨痕。 凿削磨损方面的研究与模拟此类工况的试验机的发展紧密相关。作 为实验室评价材料及研究磨损机理的磨料磨损试验机已发展成数十种。 其中带有高能冲击特性的冲击磨损试验机也人为地分为七大类。我们认 为从试验目的和主要特征可分为两大门类，即磨料为多颗粒的动载试验 机和单颗粒动载试验机。由于多颗粒的试验不便于深入研究磨粒切入时 材料表面的去除机制，故近年来倾向于研究单磨粒的磨损行为。很多研 究者从能量消耗角度，来研究和解释磨损过程，并采用动态单磨粒磨损 测试，认为这样更具有系统性。瑞典的b r y g g m a n 等人在这方面做出了 较突出的贡献f ”。他们利用冲击试验机改装的单摆试验机，对试样一次 凿削磨损过程中的能耗进行测量，以此来衡量材料的耐磨性。经与现场 实际工作情况的比较，发现这种方式评价材料更为接近实际1 6 。 1 1 1 5 凿削磨损条件下使用材料的研究 常用于磨料磨损条件的金属材料有高锰钢、碳索钢、合金钢和耐磨 合金白口铸铁等多种钢材 r l 。其中尤以高铬白口铸铁，因其有高硬度且 兼有一定的韧性，最为耐磨，近几十年来有了更加广泛的应用。近年来， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 通过加入合金元素和适当的热处理工艺等方式进一步提高铬铸铁韧性， 并使其韧性与高硬度实现最佳配合，以使高铬铸铁在凿削磨损中具有更 好的耐磨性，一直是广大科研工作者研究的方向和热门话题。 1 2 高铬铸铁 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。高铬铸铁己被誉为当代 最优良的抗磨料磨损材料，并日益得到广泛应用8 1 。 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f e ，c r ，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 、c r 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。根据需要，通过热处理，形 成以马氏体为主的多相组织 9 1 。 对于凝固后的碳化物类型，从图1 5 ，1 6 可以看出：1 高碳低铬时， 容易出现m 3 c 型碳化物；2 低碳高铬时，容易出现m 4 c ；3 碳和铬配合 在三角区中，则可以得到m 7 c 3 。工业上应用的高铬铸铁含碳量一般为 2 4 ，含铬量为1 1 一2 5 。因此高铬铸铁的凝固组织中的初晶碳化 物和共晶碳化物主要是由m 7 c 3 型。 高铬铸铁是含铬量在1 2 2 8 之间的铬系白口铸铁，由于铬的大 量加入使得白口铁中的m 3 c 型碳化物变成m 7 c 3 型碳化物。这种合金碳 化物很硬( h v l 3 0 0 18 0 0 ) ，赋予了高铬铸铁良好的耐磨性。另一方面， 在凝固过程中m 7 c 3 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。通过热处理工艺还可以获得所需要的基体组织，退 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 火后便于机加工，高铬铸铁的这些特点进一步扩大了其应用范围。 图1 5f e - cr _ c 系液相面1 7 图1 - 6f e - c r - c 系简化的室温切面 i 2 1 高铬铸铁中的碳化物 最早对铁铬碳合金进行研究是从1 8 9 2 年由f o s m o n d 3 】开始的。他 第一个指出了复杂碳化物的存在。w t o f a u t e 等对铁一铬- 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4 0 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1 ：3 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m 7 c 3 ， m 2 3 c 6 和m 3 c 。碳化物都是硬质相，对合金的抗磨能力起重要的作用， 其中m 7 c 3 型碳化物的抗磨性能最好。当合金含铬量大于1 1 ，c r c 3 5 时，它在微观组织中形成的碳化物主要为m 7 c 3 型，显微硬度高达 辽宁工程技术大学碰士学位论文 火后便于机加工，高铬铸铁的这些特点进一步扩大了其应用范围。 图1 5f e c 卜c 系液相面【7 j 图l - 6f e - c 卜c 系简化的室温切面 1 2 1 高铬铸铁中的碳化物 最早对铁铬碳台金进行研究是从18 9 2 年由f o s m o n d 3 1 开始的。他 第一个指出了复杂碳化物的存在。w t o f a u t e 等对铁一铬一碳状态图进行了 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。 碳化物是自口铸铁中的重要组成相，所占体积分数高达4 0 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 明显的金属特性一金属光泽，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自口铸铁的性能。 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。高铬自口铸铁可能出现的碳化物类型有m ，c 3 ， m ：，c s 和m ，c 。碳化物都是硬质相，对合金的抗磨能力起重要的作用， 其中m ，c ；型碳化物的抗磨性能最好。当合金含铬量大于j i ，c r j c 3 5 时，它在微观组织中形成的碳化物主要为m 7 c 3 型，显微硬度高达 3 5 时，它在微观组织中形成的碳化物主要为m 7 c 3 型，显微硬度高达 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 l h v l3 0 0 1 8 0 0 ，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 4 j ，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 2 2 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 【l 0 1 。 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m 。c 3 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，合金自口铸铁的组织 与性能要发生重要的变化，当铬含量大于lo 1 2 时，碳化物的形态 从m 3 c 型转变成m 7 c 3 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c r c 对其组织和性能有很大的影响。试验结果表明：随着c r c 增加，共晶 碳化物的形貌经历了连续网状一一片状一一杆状等连续程度减小的过 程，共晶碳化物的类型也经历了m 3 c 一一m 3 c + m 7 c 3 一一m 7 c 3 的变化过 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 程，这无疑提高了高铬铸铁的韧性。此外，基体晶粒随着c r c 的增加 变的细小。文献指出，c r c 大于5 能获得大部分的m 7 c 3 型碳化物，因 而采用优选值c r c = 5 。 碳化物质量分数【12 】： w ( k ) = w ( c ) 1 2 3 3 + w ( c r ) 0 5 5 一1 5 2 ( 一1 ) 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5 0 消耗于形成m 0 2 c ，2 5 进入 碳化物，2 5 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。铝强化了奥氏 体脱稳反应，有效提高马氏体转变点m 。，是提高淬透性的有效元素， 同时细化晶粒。铝是贵重元素，故其加入量一般不超过3 ，本试验m o 的加入量控制在0 8 以下。 钨；钨和铝有相近似的特性，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m 。，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h3 1 ：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m ；，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，h v 。2 4 0 0 。 钛【3 儿1 4 1 ：钛是活泼元素之一，它与氮、碳、氧都有较强的结合力， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 它与硫的结合力也强于铁，钛与碳、氮形成的t i c 、t i n ，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t i c 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( 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o 3 0 8 。 锰：锰具有扩大奥氏体相区，降低马氏体转变温度m 。作用，增加奥 氏体含量，降低淬火后的硬度，而且过量的m n 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 2 3 高铬铸铁的热处理工艺 热处理是高铬铸铁生产中必要的工序 g l 。 铸件在铸型中的凝固与冷却受到许多因素的影响，如不均匀壁厚， 不相同的散热条件，浇注后型内铁水温度的差异等，铸件各部分的铸造 组织难达到均匀一致，凝固过程中还会发生溶质偏析等。因此，需要通 过热处理来改善这种状况【15 1 。 高铬铸铁需要强韧的基体组织和坚硬碳化物之间的配合，以提高零 件的抗磨能力。铸造组织一般是不能满足这一要求的，需要通过热处理 来改善基体组织的性质和碳化物的形状、大小、数量和分布，充分发挥 材料的抗磨潜力。 总之，热处理是改变高铬铸铁组织和性能的重要手段。作为一种抗 磨材料，热处理可使高铬铸铁的抗磨性能和力学性能达到合理匹配，从 而改善零件的使用性能，提高零件的可靠性l 1 6 l 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 1 2 3 1 淬火 高铬铸铁要获得良好的耐磨性都要经过淬火处理，而淬火处理的加 热温度的选择是至关重要的。加热至奥氏体化高铬铸铁所需的温度，保 温1 h 或更长时间，以完成奥氏体转变成分均匀化以及二次碳化物的析 出。在9 7 0 淬火的高铬铸铁经低温回火( 2 4 0 ) 后，基体组织为马氏体和 定量的残余奥氏体，且应力部分被释放，从而具有良好的耐磨性 17 l 。通 常淬火温度选取到9 2 0 1 0 0 0 。 1 2 3 2 冷却 虽然高铬铸铁有良好的淬透性，但是因高铬铸铁含有大量的铬，使 得它的导热性变差，当冷却速度较大时，铸件中容易产生陡峭的热梯度， 马氏体相变将发生在不同时刻，而且会导致高铬铸铁淬火后的冲击韧性 变差。 因此在实际生产中，一般采用冷却速度较弱的空冷，避免铸件中出 现裂纹。 1 2 3 3 回火 即使在空气中冷却的高铬铸铁铸件，其中仍然存在较大内应力，应 尽快进行回火处理。淬火后的马氏体高铬铸铁一般在2 0 0 2 6 0 回火。 在这个温度范围内回火可以改善高铬铸铁的韧性，提高铸件在冲击载荷 下工作的可靠性。 1 2 4 改善高铬铸铁的使用性能的途径 高铬铸铁抗磨件主要的失效原因是磨损和断裂。因此衡量高铬铸铁 的使用性能的指标主要是抗磨料磨损能力和抗断裂能力。高铬铸铁的使 用性能不仅与碳化物的硬度、大小、形状、数量以及分布有关，而且与 基体组织的组成、强韧性和合金元素含量等也有很大的关系。 ( 1 ) 选择合适的基体组织 在实际生产中，应该根据高铬铸铁在不同工况下的磨损特点和受力 状态合理选择基体组织。试验研究 6 1 表明：在中低应力磨料磨损中马氏 辽宁工程技术火学硕士学位论文 1 5 体基体显示良好的抗磨损能力；而在高应力磨料磨损条件下，则应该选 择奥氏体作为高铬铸铁的主要基体组成相。 ( 2 ) 改善碳化物类型、数量、形状和分布 铸铁组织中碳化物类型为孤立状的m 7 c 3 型时，碳化物硬度高，对 基体割裂程度小，有利于提高高铬铸铁的性能。为了获得孤立状的m 7 c 3 型碳化物，避免出现连续网状的碳化物，必须严格控制铸铁中c r c 1 1 8 】。 碳化物的数量越多，材料的硬度越高，而影响碳化物数量的因素主 要是含碳量。随着碳含量的提高，碳化物变多，硬度随之增加，但是脆 性也增大。 改变碳化物的形状和分布的途径中，较常采用的方法是变质处理。 通过对铁水进行变质处理，控制碳化物生长过程，稳定碳化物的组织和 形状，同时也起到细化晶粒的作用。常用的变质剂有v 、t i 、b 、n b 、 r e 、r e s i 、z n 等，这些变质剂可以单独加入或几种配合复合加入都能 细化共晶碳化物，提高铸铁的冲击韧性。 1 2 5 高铬铸铁在制造衬板上的应用 我国球磨机，搅拌机等衬板绝大多数用高锰钢，灰铸铁，普通白口 铸铁作为材质，但其耐磨性较差，使用寿命短，为此许多单位开始选用 高铬铸铁为衬板的材质，通过加入适量元素、合理调整衬板成分和采取 相应的工艺措旆，以大幅度提高衬板的耐磨性。国内资料表明：采用高 铬铸铁水泥磨机衬板后，其磨损量为1 4 7 2 9 t ，高锰钢为6 7 6 5 9 t ，平 均相对耐磨性提高4 5 倍1 1 9 】。尽管如此，国内制造的高铬铸铁衬板目前 断裂或破碎的比例还相当高，制约了高铬铸铁材料的进一步推广使用， 因此，生产前的调查使用用途，预测冲击条件就显得尤为重要，美国成 功的使用高铬铸铁”，就是在此基础上严格控制生产过程并进行优选微 观组织及合金变质处理，以充分发挥高铬铸铁耐磨性能，减少失效的发 生。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 1 3 本课题研究的意义 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 m 7 c 3 型碳化物( h v = i3 0 0 1 8 0 0 ) 。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m 7 c 3 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。 本课题紧密结合阜新矿山机械厂搅拌机衬板生产实际中存在的问 题，在控制高铬铸铁基本成分的基础上，通过加入钒，钛微量稀土，及 改变钒的加入量，来研究变质处理与适当的热处理工艺后，高铬铸铁中 碳化物的数量，形态，分布的改变及对耐磨性的影响。同时利用自制的 单颗粒凿削磨损试验机系统，对实际工况模拟简化，可以采集磨料磨损 过程中动态力的信息，并通过力的曲线简便、准确地反映出高铬铸铁组 织中碳化物对耐磨性的影响的规律，对揭示高铬铸铁材料的磨损机理有 一定意义，对检测和表征高铬铸铁及其它材料磨损特性具有一定的使用 价值。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 2 材料的制备及试验方案 2 1 试样成分设计 高铬铸铁的组织和性能与它的成分有很大关系，选择成分时，必须 依据下列两个条件【1 6 】： ( 1 ) 碳化物的含量、种类、形状； ( 2 ) 基体组织的调整。 舍金元素中对碳化物的含量、种类、形状起主要作用的是c 和c r ； 与基体组织有关的元素，有淬透性生成碳化物的元素，如c r 、m o 、m n 、 v 等。 改变碳化物的形状和分布的途径中，较常采用的方法是变质处理。 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，从而使碳化物孤立程度更加明显， 分布更加均匀，通过变质处理，减小碳化物的块度，使碳化物团粒化， 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 m 7 c 3 时，由于这种碳化物硬度高对基体的割裂程度小，有利于提高高 铬铸铁的性能。为了获得孤立的m 7 c 3 型碳化物，避免出现连续网状的 碳化物，必须严格控制铸铁中的c r c 。 表2 1 试样的实际化学成分 表2 - 2 试验中钒的加入量 注：实验中0 8 试样为原工厂试样 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 2 2 试样冶炼与浇注 本实验采用工业生产原料：废碳素钢，废旧石墨电极，高碳铬铁， 钼铁，锰铁，钒铁，钛铁和稀土硅合金。试验中铸造选用湿砂型。全部 试样都在2 0 k g 中频感应控制炉中熔炼，加料顺序为废钢一钼铁一铬铁一 钛铁一锰铁一石墨电极，熔炼温度控制在1 4 5 0 1 5 0 0 1 2 0 l 。采取高温 出炉，出炉温度在1 4 8 0 ，低温浇注，浇注温度以不产生裂纹等缺陷的 最低温度为佳，即在1 3 5 0 1 4 5 0 之间。选用湿砂型铸造，在砂型内冷 却1 0 h 后开箱清砂。浇注试样尺寸为1 2 r a m x1 2 r a m 18 0 m m ，磨削到要 求的光洁度后，进行热处理。 2 3 试样热处理工艺 所有的热处理试验都是在高温箱形电阻炉中进行。为了避免氧化脱 碳的影响，处理后的试样表面至少磨去1 m m 检验硬度和金相组织。 本实验中高铬白口铸铁在铸态时的洛氏硬度就可达5 0 h r c 以上， 采取退火工艺，目的是降低硬度，为切削加工创造条件。退火工艺曲线 如图l 所示： p 划 赠 时间，h 图2 1退火工艺曲线 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 退火后组织如图所示：高铬白口铸铁退火后的组织结构主要是变异 莱氏体+ 珠光体+ 二次渗碳体。 图2 2 退火后组织 2 3 1 淬火试验 高铬铸铁在铸态和热处理态都具有很好的耐磨性，但在实际工作过 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， 常常处理成马氏体基体，使基体本身更耐磨，更好的支持碳化物。本试 验淬火温度选取了9 6 0 。 2 3 2 回火试验 回火是铸件淬火后必不可少的后续工序，回火温度取2 6 0 ，使铸 件淬火后的温度趋于稳定化。 舀 舞 时同 h 图2 - 3 “淬火+ 回火”工艺曲 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 0 2 4 显微组织的观察 2 4 1 金相组织的观察 对铸态和热处理后的试样均采用常规的金相制备方法，即对试样粗 磨、水磨、砂纸研磨、抛光，根据需要分别用4 硝酸酒精和氯化铁 2 5 9 、苦昧酸5g 、盐酸2 m l 配得的溶液进行腐蚀片刻，在x j l 一0 2 型立 式金相光学显微镜上观察金相组织，并照相。电子显微组织观察是在型 号为s s x 5 5 0 扫描电子显微镜( s e m ) 上进行的，对典型的形貌进行拍 照，加速电压为10 k v 。 2 4 2 显微硬度的测定 为确定试样组织中的碳化物的类型，在h x 2 0 0 显微硬度计上进行 显微硬度的测定。将待测试样的横截面预磨、抛光后，在加载1 0 0 9 ， 加载时间2 0 s 的条件下测量显微硬度。显微硬度计算公式为： h y ；1 8 5 4 p ( d x 3 0 8 ) 2 式中：p 载荷重量( g ) ，d - 压头所打菱形压痕对角线长度( m i l l ) 。 2 4 3x 射线衍射分析 为了分析高铬白口铸铁中的基体和碳化物的类型，将试样在线切割 机上切取1 5 r a m 1 0 m m 5 r a m 的小方块，经粗磨、水磨，抛光后，在 x 、p e r tp a n a l y t i c a lx 射线衍射仪上进行相分析。 2 4 4 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( s e m ) 下进行断口观察。 2 5 试样力学性能的检测 2 5 1 硬度试验 试验所用的硬度计为h r 15 0 t 型洛氏硬度计。从做完冲击试验的试 样中随机抽取根进行硬度检测。在试样的不同部位测量三点，取其平 均值为高铬铸铁的硬度值( h r c ) 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 2 5 2 冲击韧性试验 试验采用j b 3 0 a 型冲击试验机，试样热处理后经磨床研磨成1 0 m m 1 0 m m 5 5 m m 无缺口的摆锤式冲击试样，每组两根，如图： 2 5 5 _ 图2 2 冲击式样 试验中得到的冲击功a k 除以试样的截面积，换算成j e r a 2 ，并求其 平均值，此值为高铬铸铁的冲击韧性( a k ) 。 2 5 3 磨损试验 磨损试验采用m l 1 0 型砂纸磨损试验机，试样尺寸为中2 5 x 6 ，采 用粒度为2 4 0 目耐水砂纸作为对磨材料。试验先预磨试样，然后在精度 为万分之一的t g 3 2 8 a 型光电分析天平上称重。试验中施加的载荷为 3 k g ，行程为7 0 m m ，共计1 0 次，试验后再在分析天平上称重。耐磨性 用相对耐磨性表示，相对耐磨性b = 标样的失重，试样的失重。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 实验结果及分析 3 1 钒含量对高铬铸铁组织形态的影响 3 1 1x 射线衍射图谱： 旦 c 了 o o 卫 c ： o c ) 图3 1x 射线衍射结果( 铸态) 2 0 图3 - 2x 射线衍射结果( 热处理态) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 1 为v 含量为0 8 的铸态试样x 射线衍射图谱，可以看出， 存在奥氏体相，生成c r 7 c 3 ，f e 3 c ，m 0 2 c ，t i c 和v 2 c 等化合物；图3 - 2 为该试样热处理后x 射线衍射图谱，奥氏体大部分转变成马氏体，同时 还有c r 7 c 3 ，m 0 2 c ，t i c 和v 2 c 等化合物生成。 3 1 2 金相组织 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 3 。当含c r 大于1 2 时，高铬铸铁的共晶碳化物主要是m 7 c 3 型共晶碳化物，所以高铬铸铁的铸态组织为奥氏体加m 7 c 3 型碳化物及 少量马氏体组成，碳化物呈美丽的菊花状和条块状。高铬铸铁若想获得 马氏体组织，必须得通过热处理来实现d s 。 ( a )加入0 8 钒4 0 0 ( b )加入l - 0 钒4 0 0 图3 3钒钛高铬铸铁铸态试样的显微组织 ( a )未加钒( b ) 加入0 6 钒 4 0 0 辽宁工程技术大学硕士学位论丈 ( c ) 加入0 8 钒x4 0 0( d ) 加入1 0 钒x 4 0 0 图3 4钒钛高铬铸铁热处理后试样的显微组织 图3 - 4 是未加钒和加不同含量的钒变质处理试样热处理后的组织， 其组织均为马氏体+ 碳化物+ 弥散分布的二次碳化物9 1 。由图