（材料加工工程专业论文）高铬铸铁稀土复合变质处理的研究.pdf

錾! i 堡些三垒竺! ! 尘竺! ! ：兰竺篁兰 高铬铸铁稀复合变质处理的研究 摘要 本文利用数码金相显微镜、扫描电镜( v - v ：zs i r i o n ) 、摆锤式冲击试验机、 洛氏硬度计、橡胶轮式磨损试验机等分析手段，采用刈比实验的方 上分别考 察了稀土( r e ) 、稀土镁( r e m g ) 、稀上钳( r e a i ) 、稀l ：一删一钒饮( r e b v - f i ) 变质处理刈高铬铸铁组织、巾击韧性、硬度、删磨性等性能的影响规 律。结果表明采用r e 、r e m g 、r e a l 、r f b v - t i 作为变质刺进行变质处 理可使高铬铸铁的组织、硬度、冲击韧性、删磨性等性能得到提高。高铬铸 铁加入r e 变质后其组织明显细化，碳化物由网状向断网状和块状转变。当 r e 加入量为o 6 时变质效果比较明显。铸念未变质的高铬铸铁组织c p 品粒 比较粗大，碳化物呈粗大网状和粗大板条状分布：采用r e m g 变质后喇状 碳化物断丌，变成为细的鱼骨状，对基体的割裂作用大大减小，基体的连续 程度增加。当r e m g 加入量为i 5 时变质效果明显。采用r e a i 变质后组 织中残余奥氏体量明显减少，初尘奥氏体显著细化，碳化物由柙大板条状向 细板条状、菊花状转变。当a 1 加入量为o 3 、r e 加入量为o4 时，变质 效果比较好。采用r e b v 一1 j 作为变质剖的高铬铸铁组织中残余奥氏体量减 少，碳化物山粗大网状向断网状、氏条状、板状、孤立分卉j 的小i 牙j j 典状转 变， 通过对r e 、r e m g 、r e - a 1 、r e - b v - t i 四种变质剂变质效果的综合分 析可知，r e - b v - t i 四元复合变质处理列高铬铸铁的组织、冲击韧性、硬 度、埘磨性的改善最为明显，且当其加入量f , jr e l b 0 5 v 1 一t i l 时材料的综 合性能最佳，此时硬度h r c 达到最大值6 22 ，铸念和热处婵态的冲m 协r i ： 分别为8 1 0 4 j m 2 和9 1 0 4 j m 2 。 关键词 高铬铸铁；复合变质处理：稀土：变质剂 坠尘篓些三垒兰：! 兰竺! ；耋：竺篁兰 s t u d yo fr ec o m p o u n d m o d i f i c a t i o nt r e a t m e n to n t h eh i g hc h r o m i u mc a s ti r o n a b s t r a c t t h i sa r t i c l es t u d i e st h ee f r e c t so fr e r e m g r e a la n dr e b v t io n s t r u c t u r e ，t o u g h n e s s ，h a r d n e s s ，a n dw e a rr e s i s t a n c eo f h i g hc h r o m i u mc a s ti r o nb y c o n t r a s te x p e r i m e n t s a n a l y s i sm e t h o d ss u c ha ss c a n n i n ge l e c t r o nm i cr o s c o p e ( s e m ) ，d i g i t a lm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，h a m m e ri m p a c tm a c h i n e ，h a r d n e s s m e a s u r ea p p a r a t u s ，w e a ra n dt e a rt e s t i n gm a c h i n ea r eu s e dt o i n v e s t i g a t et h e m e c h a n i cp e r f o r m a n c eo fh i g hc h r o m i u mc a s ti r o nb ym o d i f i c a t i o n t h er e s u l t s s h o wt h a t r e r e m g r e a la n dr e b - v - t i cani m p r o v et h es t r u c t u r e t o u g h n e s s ，h a r d n e s s ，a n dw e a rr e s i s t a n c e o fh i g hc h r o r n i u mc a s ti r o n ，t h e s t r u c t u r eo fh i g hc h r o m i u mc a s ti r o ni sf i n ew h e nr ei s i n p u t t e d c a r b i d e c h a n g e sf r o mn e tt of r a c t u r en e ta n dn u b b i nf o r m t h ee f f e c t0 fr o o d i f i c a t i o n t r e a t m e n ti so b v i o u sw h e nq u a l i t yf r a c t i o no fa d d i n gr ei so 6 t h es i z eo t l g r a i ni sl a r g e ra n dt h ec a r b i d ed i s t r i b u t e sl a r g en e ta n dt h i c kl a t hi nc a s ts t r u c t u r e o f h i g hc h r o m i u mc a s ti r o nw i t h o u tm o d i f i c a t i o n ；a d o p t i n gr e - m gc a nb r e a kt i r e c a r b i d en e ta n dm a k ec a r b i d et h i n n e r d i s s e v e r i n ga c t i o no fb a s e m e n tb e c o m e s s m a l l e ra n dc o n t i n u i t yo fb a s e m e n tb e c o m e ss t r o n g e rt h ec o r n p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a li st h eb e s tw h e nq u a l i t yf r a c t i o no fa d d i n gr e - m gi s i 5 t h ea m o u n to fr e s i d u a ia u s t e n i t eo b v i o u s l yr e d u c e sa n dt h e s i z eo f a u s t e n i t eg r e a t l yf i n ea f t e rm o d i f i c a t i o n c a r b i d ec h a n g e sf r o mt h i c kl a t hf o r mt o f i n el a t hf o r ma n dc h r y s a n t h e m u mf o r m ；t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h e m a t e r i a li st h eb e s tw h e nt h eo p t i m u mq u a l i t yf r a c t i o no l 、a d d i n ga iis03 a n d t h a to t 、a d d i n gr ei s0 4 m o d i f i c a t i o nt r c a t m e n ! o fr e b v r i jc a bd c c l c a s el h c c o n t e n to fr e s i d u a la u s t e n i t ei nt h es t r u c t u r eo fh i g hc h r o mi u i y ic a s t ；r o n t h e c a r b i d ec h a n g et h i c kn e tt of r a c t u r en e t ，l o n gs t r i p ，b o a r da n di s o l a t e dn u b b i n t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h em o d i f i c a t i o ne f f e c t so fr e ，r e - m g ，r e a 1a n dr e b v t i ，r e s u l t ss h o wt h a ti m p r o v e m e n to ft h es t r u c t u r e ， 竺尘堡些三；垒耋三兰竺! ；兰篁丝兰 h a r d n e s s ，i m p a c tt o u g h n e s s ，w e a rr e s i s t a n c eo ft h eh i g hc h r o m i u mc a s ti r o ni st h e b e s to b v i o u s ；w h e nt h eq u a l i t yf r a c t i o no fa d d i n gr e - b - v t ii s1 o5 ，1 1 r e s p e c t i v e l y ，t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a li s t h eb e s ta n d t h eh a r d n e s sc a nr e a c ht h em a x i m u m - 6 2 2 h r c ；i m p a c tt o u g h n e s so fc a s ts t a t e a n dh e a tt r e a t m e n ts t a t ec a nr e a c h8 x10 4 j m 2a n d9 x10 4 , l m 2r e s p e c t i v e l y k e y w o r d sh i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ；c o m p o u n dm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t ；r a l e a r t h ：m o d i t i e r 哈匀：滨理丁人学l 学蝴卜学位沦史 第1 章绪论 会属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一。自从人类使用机器代许r 工劳动以来，如何延长机器的使用寿命，减少零件的縻损，始终足人们火心的 问题之一，讲多人为此进行了长时间的探索和研究。统计资料表i j ：以：尖； 【的 机器零件中，大约有7 5 - - 8 0 是会属磨损，供给机器的能最人约有3 0 5 0 消耗在摩擦和磨损中川。零件磨损失效后，不但需要耗费人力、物力去更 换配件，也使设备在更换零件期阳j 不能生产产品，影响设备固有能力的发挥。 山此可见，金属磨损是关系到国民经济的重要问题。在科技高速发展的今天， 国民经济的各个部门都对机械设备的耐用性、可靠性和精度提出了更r 哥的要 求。因此，研究会属材料磨损现象，探讨影响磨损的各种因素，提高会崩的俐 踌能力，研制新型抗磨合余，已成为摆在科技工作者面日口的重要课题。 i i 耐磨金属材料的发展现状 掘统计，国内每年消耗金属耐磨材料约达3 0 0 万吨以上应用摩擦磨损理 论防止和减轻摩擦磨损，每年可节约1 5 0 亿美元- ”。近年来针刈砹备磨损f j 0 具体工况和资源情况，研制出多种新型耐磨材料。主要有改性商锰钢、中锰 钢、超高锰钢系列，高、巾、低碳耐磨合金钢系列，铬系抗磨白口铸铁系列， 锰系、硼系抗磨白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁，不同方法生产的双 金属复合耐磨材料，表面技术处理的耐磨材料等。随着耐磨材料行业的发展进 步，我国酬磨材剃铸件的标准化工作取得了显著成绩：8 0 年代以柬先后发们j 实 施了g b 3 l8 0 8 2 中锰抗磨球墨铸铁件，g b t 1 3 9 2 5 1 9 9 2 铸造高镐钢余 | 标 准，g b t 5 6 8 0 一1 9 9 8 高锰钢铸件标准，g b t 1 7 4 4 5 一1 9 9 8 铸造磨球标准， g b t 8 2 6 3 1 9 9 9 抗磨白口铸铁件标准pj 。酬磨材料国家标准的贯彻使越来越多 的企业参照国标组织生产，对提高我国耐磨铸件质量的整体水平起到了积极作 用。 1 i 1 高锰钢、中锰钢、超高锰钢 高锰钢主要应用在高冲击负荷下的各种火型破碎机易损件，如破醉机颚 板、大型破碎机锤头、挖掘机铲齿、铁道辙叉等。针对在冲击负荷小或低应力 磨损条件下不能充分加工硬化而不耐磨的问题，发展了合会化改性高锰制，奥 氏体硬化中镐钢、低锰钢。针对结构复杂，易产生裂纹的特殊铸件，研制出 了低碳高锰钢以满足市场需要。高锰钢熔炼发展了吹氩气、吹氮气，炉外精 炼等工艺，提高了钢的纯净度。采用悬浮浇注、表面台余化、爆炸硬化等 n 施 提高耐磨性。 高锰钢铸件热处理一般为缓慢升温( 5 0 8 0 。c h ) 至06 5 0 ，保温1 h 后以 1 0 0 1 2 0 h ，升温到1 0 5 0 ，保温2 3 h 后水韧处理忆列于合余化高锰 钢、超高锰钢淬火温度一般提高到1 0 8 0 t 1 2 0 ，保温时f 、日延长到3 4 h 。许 多单位近年米采取先在9 5 0 保温2 h1 1 - 火坝热处耻，细化纽钐：，冷i j3 0 0 乙j 一一 再淬火的工艺，使耐磨性得到提高| ? 【。 中、小铸造厂采用浇注后温度降到1 l o o 时入水，能够节省能耗，但要控 制铸件入水时间，对复杂铸件不宜采用。近年来我国许多单位对中锰钢、超商 锰钢进行研究1 。实践表明，高锰钢经过调整化学成分，加入固溶强化元素 合会化，经过调整和改变热处理工艺，可充分发挥优点，克服缺点。 i 1 2 耐磨合金钢 在抗磨料磨损场合应用的合会钢，一般是锰系合会钢和铬系合金钢。合金 元素对抗磨合会钢的有益作用，主要表现在以下几个方面：一是通过不同的方 式强化固溶相和改变固溶相的转变性质；二是形成颦硬耐磨的化合物，这些化 合物能起抗磨损的骨架作用”。针对高锰钢的缺点，结合工况条件成我吲资源 状况，研制出了多种酬磨合会钏。这些例磨合金钏具仃优良的强剀性、州麟限 和耐蚀性，被称为“三耐合金”。此类合金成本不高，适于制造各类耐廓铸f q - ， 各类酬磨合会钢通过调整化学成分和热处理均能达到较理想的硬度和韧性。 1 1 3 耐磨白口铸铁 国外耐磨白口铸铁的发展分为普通白口铸铁、镍硬铸铁和高铺白jj 铸铁 ( 至今已发展成系列化和标准化，进行工业化大批量生产) 三个阶段荚刚， 本及欧洲各国2 0 世纪初就”始采用镍硬铸铁日前已发展到镍硬4 4 ，铬含量 山2 提高到9 ，镍由4 5 提高到6 o ，共品碳化物m 、c 霜4 变成m 7 c3 型，蒯磨性能显著提高，铸念厚截面即可获得马氏体组织，硬度在h r c 6 2 以 上，并且具有一定韧性，主要应用于辊式的磨环和磨辊，可铸念使用这对数 吨重不便热处理的大铸件很有意义。因镍价格高，国内很少采用，有人研制 中铬铸铁等新型耐磨材料以取代它。国外使用最多的是高铬铸铁。( 一晏川j 磨球、衬板、锤头、泵件上) ，根据不同工况选用不同成分以取得盟籍纤济设 益。7 0 年代以前，我困l | i 4 磨白口铸铁的研究与应用主要为普通白ij 铸铁、低合 金铸铁及抗磨球銎铸铁。国外大型磨机衬板，辊式磨辊采用高铬f l | 口铸铁耐磨 性能优异，因此国内一些单位在8 0 年代研究高铬白口铸铁在固产砹静卜= 的庖 用进入成熟阶段。 近2 0 年来，国内对铬系白口铸铁的研究不断深入，从合金化碑论到，： 一艺都取得突破性进展，获得了大量成果。低铬、中铬、高铬、超高铬磨球、 衬板、锤头，高铬渣浆泵过流件，以及高铬铸铁与钢双金属复合铸造衬扳、磨 辊、轧辊等都已达到国际先进水平。1 9 8 5 年以来，我国铬系合令白r l 铸铁、镍 铬台会白口铸铁已制定国家标准，1 9 9 9 年进行了修订| j “。酬磨白li 铸铁技术已 与固际接轨。为提高高铬白口铸铁的酬磨性和使用可靠性，存高铬铸铁巾加 3 5 的钒，形成高硬度的v c 星型碳化物“”l ；n 小专家提加删。曳变“ 铬铸铁的碳化物形态，少量硼形成高硬度的硼化物，显著提高其州绻。阼= 。 1 2 高铬铸铁的应用及国内外研究现状 高铬铸铁被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，目前已在国内外j 一泛使 用。在建材、采矿、选矿、冶金、电力、耐火材料、农机、砖瓦制造、机械1 程和筑路机械等农 _ 领域中，都可看到它良好的使用效果。高铬铸铁盟型的使 用有：球磨机磨球、衬板，磨煤机的打击板，抛丸机的叶片，还有就是用来做 高铬铸铁轧车 6 。 近十年来，国内外材利利学工作者对高铬白口铁的化学成分，变质处理， 热处理工艺，组织结构以及这些因素与高铬白旧铁的硬度、刑磨阻和冲击韧i 的关系进行了大量的研究，取得了讷：多研究成果。 佟庆平等人”7 1 研究了铬禽量对高铬白口铁组织的影响。研究表明，铬晌含 阜决定了共晶碳化物的类型，铬的含量高有利j 二生成m 7 c ，型共品碳化物，、 铬禽量应达到1 1 以上，c r c 比大于6 时可使共晶碳化物全部转嵌为m 7 c 3 型 共晶碳化物。 丌1 村朗等人；的研究结果证明，为使商铬白jl 铁获得最高的舰皮，其c r c 比应在7 左右：c r c 小于6 ，高铬自口铁的硬度则急剧下降。 mr a d u l o v i 等人研究了钒对高铬l | 口铁断裂 i 】性和刚牌性的影i l 肌他们 发现，增加钒含量会使高铬白口铁的组织变得更细，即奥氏体枝晶臂叫距乖】 m 7 c 3 碳化物的尺寸变小，加入1 1 9 v ，韧性提高约2 0 ，削磨性增加1 0 。 哈尔演理_ 厂人学t 学坝j 学位论文 c rl o p e r 等人12 0 1 在f e c c r n b 高铬白t a 铁中加入少景铁j 再发现饮州碳 化物的形态和分卸鄙有显著的改变，因为钛在枝品形成自口就存熔体t t 形成7 f i c 和t i c n 颗粒。 m r a d u l o v i c 等人”研究了稀土元素对白口铁组织和性能的影响，e 们 明，稀土通过改变高铬白1 2 1 铁的显微组织改变了力学性能。他们发现，优化的 稀土元素加入量为0 13 o 2 6 ，其耐磨性提高1 0 而不改变断裂韧- 件。 r 村朗等人”研究了淬火温度对高铬白川铁硬度的影响，并发现在13 5 0 k 缸右的温度进行淬火，可使c 3 c r 2 6 合金的硬度达到h r c 6 4 以 。 黄四亮o ”仔细研究了高铬白口铁的化学成分( 2 3 9 2 7 9 c ，j ( j 2 8 c r ) ，淬火温度( 9 0 0 1 1 2 0 。c ) ，淬火介质( 风，油) 以及乜l 火温度( 2 0 0 2 6 0 。c ) 对高铬白口铁冲击韧性的影响，结果表明，淬火的最高硬度不但勺化学 成分，淬火温度有关还与冷却介质密切相关；化学成分柑f 刊，油淬比空淬得 到的硬度更高：铬含量升高，获得最大硬度的淬火温度升高；小于5 0 0 。c 回火 并不明显改变高铬白口铁的硬度和冲击韧性。 徐志明等人? 。研究了高铬白口铁的亚临界处理，他们的研究结祟表明，铸 态奥氏体高铬白e l 铁在5 3 0 6 0 0 。c 进行亚i 临界处王坐，奥氏体在冷上过程叶| 卑变 为马氏体，使高铬白口铁的硬度大大提高。 c p t a b r c t t 等人| “l 研究了去穗处理( 即高温淬火和弧临界处理对两剃，高铬 铸铁硬度和耐磨性的影响。研究结果表明：去稳处理川以提高高铬铸铁f 1 , 0 硬度 j n m i , t 磨性( 用榴予石和刚玉作磨料) ，但高铬铸铁中的残余奥氏体的含量仍在9 以上；弧i 临界处理可以提高高铬铸铁的硬度，并把残余奥氏体的含量降低到 5 以卜，但却使耐磨性( 用榴子石和刚玉作磨料) 下降。 工文4 等人r 。“发明了种以铸态屈氏体为据体的高铬铸铁磨球，其特_ i 足 在高铬铸铁中加入适量的硅，使磨球在铸造后的冷却过程中转变为屈氏体，然 后经4 0 0 消除应力后再使用。 1 3 高铬铸铁变质处理的研究现状 郭铁波? 卒人l 、：l 研究了稀土元素对高铬铸铁中碳化物的影响，斤埘加稀j 不加稀上的高铬铸铁试样的连续冷却转变( c o d 曲线进行了洲定。锣 究结果表 明，稀土元素能破碎高铬铸铁q 1 的碳化物，使碳化物山网状、妖条状向岛状、 块状过渡。 杨文涛i 。研究了稀土元素列高铬铸铁抗磨损及抗冲击- 、剥落一i t h e - 的影响， i l f i 尔滨删t 人学t 学坝l j 学化论殳 结果表明，加，入o 3 的混合稀土时，其抗磨损、抗剥落、脆断性能最佳，其 原因主要是由于稀土具有变质央杂物、净化铁水及改善碳化物与基体界i 酊状况 的作用，从而使裂纹萌生与扩展阻力增大。 张f 换等人：_ _ 。】为了改善高铬白i _ j 铸铁的韧性，加入适量稀七合余进行变质 处理。结果表明，稀土能使共晶碳化物形态及分和明显改善，并使基体组织显 著细化。经热处理后稀土高铬白口铸铁的冲击韧性值稳定在8 1 5 1 0 4 j m ! ， 取得了令人满意的试验结果。 祭紫瑞等人。“采用稀上镁合会变质处理，同时通过多元合余化7 挎制铬碳 比，改善了高铬铸铁的组织与性能。试验结果表明，在高铬铸铁中添加适量的 稀土镁，可明显地细化其组织，改善碳化物的分布形态，使其铸态机械性能达 到或超过n i h a r d i 号水平，在p h = 6 的弱酸性介质c p ，其冲蚀磨损率比n i h a r d l 号低3 0 ，且成本较低，表明新研制的高铬铸铁具有广泛应剧i u 景。 刘根生等人l “| 研究了采用r e ，a l 复合变质剂对含硼高铬铸铁变质处理杉 响。试验结果表明：采用r e 和a i 合理搭配，并加入适当的量对岔硼高铬铸 铁进行变质处理后，其铸念组织中碳化物的分布和形貌明显改善，材料的综合 性能得到显著提高。 ，矗絮琴研究了r e ，a l 复合变质处理对微量、多元低铬门 j 磨铸铁绍 织和性能的影响。试验结果证明，该合金经过r e ，a 】复合变质处理( 热处j ：_ ) 后，可以显著地改变碳化物的形态和分御，碳化物彻底断网，高弥敞度粒化， 使碳化物孤立和尖角钝化，使力学性能得到显著提高。 张进孝1 1 ”通过添加不同含量的v ，r e 合金元素，对普通高铬铸铁进行复 合变质处理，研究其显微组织、机械性能及抗磨性，得出：经v ，r e 复合变 质的高铬铸铁，可使碳化物转变为孤立的块状，冲击韧性和抗磨性均提高，当 含0 2 5 v ，o 7 r e 时，a k 值约提高6 0 ，抗磨性约提高2 倍。 徐久军等人m 1 采用r e b 复合变质处理低合金白口铸铁取得了满意的效 果。试验结果表明：在低合金白口铸铁中添加适量的r e b 复合变质荆，川使 其网状碳化物呈孤立的块状或片状，弥散而均匀分如，马氏体显仃所增加，e 性能达到或超过n i h a r d l 号水平，且变质工艺简单。 苏勇等人”i 进行了b 、v 、t i 和r e 刈高铬铸铁的变质处理结果衷h ， 多元变质处理使高铬铸铁性能有较大提高，经变质处理后其冲击韧性与俐磨性 有显著提高，硬度略有提高。热处理后性能有较大改善。装机使用证叫，经多 元变质剂处理的高铬铸铁磨球的嗣磨性比未经处理的磨球提高l o 3 0 。 哈尔 宽理t 人学r 学坝 学位硷史 1 4 选题的意义和内容 1 4 1 选题的意义 高铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白f _ i 铸铁。+ 已比 普通铸铁其有高得多的韧性、高温强度、耐热性和耐磨性等，已被誉为当代最 优良的刚磨损材料，并得到j “泛的应用l “【”i 。 在实际生产中，材料的磨损过程是比较复杂的，复杂的t 况条件埘村半1 提 出了多种要求，特别是耐磨件，经常是同时要求耐磨损、唰冲击平u 【州腐蚀，防1 此鹰针对这些要求玎发褶适应的高铬铸铁。为充分合理的利用铬、碳支其他合 会元素的作用，j f 发、完善和规范高铬铸铁侄耐磨件上的应用，必须剥1 i 同十4 料的高铬铸铁的组织、结构、各种力学性能以及热处理工艺进行系统的研究， 以便获得在较高的冲击磨损条件下对高铬铸铁的应用，加深对变质刺使用条什 的理解，以便于高铬铸铁的应用得以合理推广。 高铬白口铸铁由于其优良的刚磨性能而倍受重视，国内外对高饼hff 铸铁 的研究f 在小断深入。目前，高铬白口铸铁已成为矿山、水泥、电力等j l ：_ p 部 门重要的刷磨材料，但其使用寿命并非十分理想，关键在于其抗磨性与l _ l ：l j 性住 不同的工况条件下尚未达到很好的配合。本文的指导思想是在改善高铬白口铸 铁共品碳化物形态的同时，细化其基体组织，改善晶界状态，从而达到提高高 铬铸铁综合性能的目的。 本文着重十高铬铸铁舀：| | | j j 胯件上的应用，因此成分范围的设等晰多山 的研究工作均以此为主要月标。文中数扼均为实验研究实测数扼，并。阻本课题 组多年来丌发的含钨高铬铸铁c r l8 w 2 ( 主要化学成分为18 c r ，2 w ) 和龠 钼高铬铸铁c r l5 m 0 3 ( 主要化学成分为1 5 c r ，3 m o ) 为变质处理研究刘 象，对高铬铸铁的变质处理工艺进行系统的研究，在不同的变质剂及变质i 艺 条件下找到最佳的变质方案，这对拓宽卜述两种高锵铸铁的麻用范灶仃前篮 的意义。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题的研究内容分为四个方面，分别以r e 、r e m g 、r e a i 、r e b v t i 作为变质剂对高铬铸铁进行变质处理，研究变质剂列高铬铸铁的组织和机械 喻尔演理t 人学t 学坝l j 学位论文 性能的影响，探讨出最佳的变质方案，如下所示： ( 1 ) r e 对含钨高铬铸铁c r l 8 w 2 变质效果的影响。 ( 2 ) r e m g 剥含铜高铬铸铁c r l 5 m 0 3 变质效果的影响。 ( 3 ) r e a 1 对含钨高铬铸铁c r l8 w 2 变质效果的影卿。 ( 4 ) r e b v _ t i 对含钼商铬铸铁c r l5 m 0 3 变质效果的影响。 喻尔滨耻t 人学1 ：学倾l 学位沦文 2 1 引言 第2 章实验方案的确定 本实验采用含钨商铬铸铁c r l8 w 2 和含钼高铬铸铁c r l5 m 0 3 进行变质处 理，分别考察r e 、r e a i 对含钨高铬铸铁c r l 8 w 2 组织和机械性能的影响， r e m g 、r e b v _ t i 对含钼高铬铸铁c r l5 m 0 3 的组织和机械性能的影响。变化 变质剂加入量，采用对比实验的方法考察各种变质剂及其加入曼利变质效果的 影响规律，通过对组织性能分析优选变质剂种类及其加入量。 2 2 实验材料 2 2 1 实验原料 本实验主要原判为生铁、铬铁、钨铁、锯铁、废铜，原利的化。学成分见_ ( 2 1 。实验用的四种变质剂分别为r e 、r e - m g 、r e a i 、r e - b - v - t i 。 表2 1 实验原料化学成分表( ) t a b l e2 - lc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a t e r i a l ( ) m ns i ps cm o t ic rr ew 生铁 02 l l6 4 0 0 8 40 0 3 6 40 8 铬铁 l9 6 00 2 6 00 3 780 06 09 6 钨铁 o6l0o 0 60 1o 824 7 00 钼铁 o6 200 3 60 0 900 8 65 6 _ 8 3 废锕 l00 2 混合稀十 304 4 o 302 25 2 2 2 配料计算 本实验以含钨高铬铸铁c r l8 w 2 和含钼高铬铸铁c r l 5 m 0 3 为研究对象 竺篓至些! 垒兰三兰丝：! ! 兰堡篁兰 对这两种高铬铸铁的配料要分别进行，其中对含钨高铬铸铁c r l8 w 2 的配荆力 案如下所示： 根捌原材料生铁、铬铁、钨铁，废铡的化学成分，圈定c l 利w 的质耐分 数分别为1 8 和2 ，通过调整元素的含量，主要是调整碳和硅两种元素，使 它们都处在各自允许的范围内。每炉浇注1 0 m m x l o m m 5 5 m m 的标准冲击试 样1 2 个，1 0 m m x 2 5 m m x 5 5 m m 的磨损试样1 个，经计算选定何炉2 k 2 白- 半1 ， 按此计算如下： 2 k g 炉料中铬铁的含铬量为：2 k g x l 8 = 0 3 6 k g ，铬铁n ，j 岔铬量为 6 09 6 ，因此所需铬铁量为：o3 6 k g 0 6 0 9 6 = o5 9 1k q 。 2 k g 炉料中钨铁的含钨量为：2 k g x 2 = 0 0 4 k g ，钨铁的含钨量为7 0 0 ， 凼此所需钨饮量为：o 0 4 k g 0 7 = 0 0 5 7 k 口。 在铬铁、钨铁量都定下来的情况下，得到所需生铁和废钢总量为：2 k g 一 05 9 1 k g o 0 5 7 k g = 1 3 5 2 k g 。 调节生铁和废钢在这1 3 5 2 k g 中所占的比例，从而使含碳和含 量都得到 合f 甲数值。经计算选定：生铁：0 3 k g ；废钢；1 0 5 2 k g 。 最后得到高铬铸铁的设计含碳量为：2 8 ；合硅量为：1 1 。实验选用的 含钨高铬铸铁c r l8 w 2 的化学成分见表2 - 2 ，经计算所得的实验个炉的配料嗨 址表2 3 农2 2 含钨高t 各铸铁c l l 8 w 2 卡硬化学成分表( ) t a b l e2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a t e r i a l 【j 化学元素 c r lw c s if e 化学成分1 8 l 2 2 81 ，1 余 表2 - 3 实验中各炉的配料单( k g ) t a b l e2 - 3l o a d i n gd i s t r i b u t i o no f e x p e r i m e n t ( k g ) 原利生铁 废钢铬铁钨铁 重鼙0 31 0 5 2 o5 9 l o 0 5 7 对含钼高铬铸铁c r 】5 m 0 3 的配料方案如下所示： 根据原料尘铁、铬铁、馏铁、废钢的化学成分，固定c r m o 的龠量，腰 景分数分别为15 ，3 ，在此基础 ：调掺元豢的含精，i i 篮址似干 鹏种 元素，使它们郜处在各自允许的范围内。每炉浇汴1 0 m m 1 0 m m x 5 5 m m 的冲 击试样1 2 个，1 0 r a m 2 5 r a m 5 5 m m 的磨损试样1 个，经计算选疋何炉2 k g 炉 喻1 ：演心r 人学t 学i 芋论业 料，按此汁算如r ： 2 k g 炉料中铬铁的含铬量为：2 k g x l 5 = 0 3 k g ，铬铁的含铬量为 6 09 6 ，因此所需铬铁量为：o 3 k g 0 6 0 9 6 = o 4 9 k g 。 2 k g 炉料中钼铁的禽铜量为：2 k g x 3 = 0 0 6 k g ，锱铁的含钒量为 5 68 3 ，凼此所需铝铁量为：o0 6 k g 0 5 6 8 3 = o 1 k g u 在铬铁、钥铁量都定下来的情况下，得到所需生铁和废钢总量为：2 k g o 4 9 k g o 1 1 k g 。1 4 k g 。 调节生铁和废钢在这1 4 k g 中所占的比例，从而使含碳和含硅量都得到合 理数值。经计算选定：生铁：1 4 k g ；废钢：o 4 2 k g 。 最后得到高铬铸铁的设计含碳量为：2 _ 8 ：含砖量为：11 。实验选用的 禽铞高铬铸铁c r l 5 m 0 3 的化学成分见表2 4 ，经计算所得的实验个炉的自出：【 见表2 5 。 表2 - 4 含钼高铬铸铁c r l 5 m 0 3 主要化。7 - 成分表( ) t a b l e2 - 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a t e r i a l ( ) 化宁元素i c rm o c i s i f e 化学成分i i 5 328i ii l余 表2 - 5 实验中各炉的配料单( k g ) t a b l e2 - 5l o a d i n gd i s t r i b u t i o no f e x p e r i m e n t ( k g ) 原料生铁废钢 l 铬铁 i 且铁 重鼍 1 4 o 4 2 1 0 4 9 o1 2 3 实验设备 实验所用的没备有：兀r 丌3 6 0 型高频感应电炉、s x - 4 - 1 0 高温箱彤电阻 炉、b x m 4 1 系统会相显微镜、扫描电子显微镜( f e is i r i o n ) 、h r 一15 0 a 洛氏 硬度计、j b n 3 0 0 b 摆锤式冲击试验机、m l s 一2 2 5 型湿砂橡胶轮式磨损试验 机。 2 4 实验方法 将高铬铸铁放入f i f f l 3 6 0 型高频感应电炉中熔炼，分别采用r e 、r e - 吣力：滨j 掣l 人学t 学卿! l 学位论史 行变质处理，浇铸出冲击试样和磨损试样，并使用s x ，4 1 0 高温箱形电阻炉对 试样进行热处理。时比考核铸态变质处理与热处理态变质处理对高铬铸铁组织 和性能的影响。利用h r 一15 0 a 洛氏硬度计、j b n 一3 0 0 b 摆锤式冲击试验机、 m l s 一2 2 5 型湿砂橡胶轮式磨损试验机对变质处理后的试样进行硬度、冲击韧 性、耐磨性测试，同时采用数码会相显微镜( b x m 4 1 ) 、扫描电镜( f e i s i r i o n ) 等分析方法，研究r e 、r e m g 、r e a 1 、r e b v - t i 对高铬铸铁n 勺品 微组织结构和冲击韧性、硬度、耐磨性等性能的关系，并探讨出最佳的变质方 案。各组硬度、金相组织和断 扫描取自冲击试验后的试样，且在相同位置。 2 4 1 熔炼及变质处理 炉料在f i f j _ 1 3 6 0 型1 0 k g 高频感应炉中进行熔炼，用热电耦测出铁水温 度，使铁水出炉温度控制在15 5 0 1 6 0 0 。c ，变质剂采用包内冲入法加入冲入 铁水后搅拌镇静l m i n 左右后，扒渣浇注，浇注温度控制在1 4 5 0 l5 0 0 ，浇 注1 0 m i n x 】0 m m x 5 5 m m 的冲击试样1 2 个、1 0 m m x 2 5 m m 5 5 m m 的磨损试样1 个。 2 4 2 热处理工艺 为了进一步研究变质处理对热处理后高铬铸铁组织及性能的影响，本实验 选择1 0 m m x l o m m x 5 5 m m 的3 个铸念试样进行1 0 0 0 。c 淬火+ 3 0 0 。c 低温回火处 理。热处理采用s x 4 。1 0 高温箱形电阻炉，热处理工艺见图2 1 。 幽2 - 1 热处理i 、艺曲线 f 譬2 一lh e a ! l r e a l m e n tg r a p h l l 时间( h ) 2 4 3 性能测试与组织形貌观察 2 4 3 1 硬度测试方法硬度实验在t h 3 0 0 型洛氏硬度计上进行。对不 司变质 剂加入量的试样分别选取一个铸念和一个热处理后的1 0 m m x l o m m 5 5 m m 的 小试样，对热处理后的试样要进行表面打磨，去除氧化皮，以保证测试精度， 在距试样端面5 m m 处分别耿3 个点，进行测试，取其平均值。 2 4 3 2 冲击韧性测试方法采用型号为j b n 3 0 0 b 摆锤式冲亡| 亍试验机对 1 0 r a m 1 0 m m x 5 5 m m 的试样进行冲击性能测试。每组试样分别耿3 个铸态，3 个热处理后的试样，进行测试，耿平均值。 2 4 3 3 耐磨陛测试方法磨损实验在m l s 一2 2 5 型湿砂橡胶轮式磨损试验机l 进行，其原理为利用转动的橡胶轮带动与水混合的矿砂、砂石、泥砂等磨料产 生磨手员，从而实现对材利的喇磨性能测试。实验用磨损介质为石英砂和水，配 比为15 0 0 9 砂子：1 0 0 0 9 水。在相同加载量( 1 7 0 n ) 和相同转数( 2 5 0 0 转) 的 条件下，考察不同组分试样的失重量，以此来考察试样相对耐磨性。 2 4 3 4 金相组织的观察方法采用冲击实验后的试块，在断ii 面j ：做令州观 察。将断【l 面先经砂轮扣磨，冉由砂纸磨成光面后在抛光机j ：抛光，川7 t 门 稀硝酸酒精溶液进行腐蚀。铸态试样的组织观察是通过o l y m p u s ( b x m 4 1 ) 数 码令相显微镜来完成的。热处理后的金柏是在扫描电镜( f e is i r i o n ) j 观察 的，其制备过程同上。 2 4 。3 5 断口形貌的分析方法从摆锤式冲击断裂试样上截取断口部分，截墩的 长度要适当，并保持断口清洁，防止氧化，然后在扫描电子显微镜( f e is i r i o n ) f 进行断口观察，分析其形貌。 2 5 本章小结 本章确定了实验方案，含钨高铬铸铁c r l 8 w 2 采用r e 、r e a i 作为变赝 剂：含钼高铬铸铁c r l5 m 0 3 采用r e m g 、r e v - t i b 作为变质剂，并对吱验 厅法和实验于段进行了系统的阐述。 呛尔演删t 人学l 学坝i 学位j _ 龟史 第3 章r e 对高铬铸铁变质效果的研究 3 1 引言 高铬铸铁属于脆性材料，在受到较大冲击载荷作用下的磨料磨损中，会发 生较严重断裂现象，大大限制了它的应用范围。”，因此如何改善高铬铸铁韧 性，扩大它的应用范围一直是广大材料工作者努力解决的课题。高馅铸铁m 既- 较差，主要是组织中的碳化物以连续的网状分布，加入r e 元索，利j 1 碳化物 的形状及分布的改变l 。基于这一原理，本文验采用r e 变质以及r e 变质。j 热处理的复合作用来改变碳化物的形状及分伟，达到提高其综合力学性能的目 的。本文从改善高铬铸铁中碳化物的形貌出发，研究了r e 元素的作用并结 合热处理进行探讨，其结果对进一步丌发高铬铸铁的应用有一定的实际意义。 3 2 实验内容 本实验熔体的配料按表2 3 所示，采用r e 作为变质剂对含钨高铬铸铁 c r l8 w 2 进行变质处理，通过改变r e 的加入量来考察变质处理刘含钨高铬铸 铁c r l 8 w 2 组织，断口以及性能方面的影响。r e 变质剂加入量如表3 1 所 可o 表3 1 实验的方案设计( ) t a b l e3 - 1d e s i g ns c h e m e o f e x p e r i m e n a l i o n ( ) 试样编号 12 3 45 6 r e 加入姑 00 2o 4 0 6 0 810 3 3 实验结果分析 3 3 1 组织形貌分析 3 3 1 1 变质处理对c r l 8 w 2 铸态金相组织的影响图3 1 是变质处理对含钨高 铬铸铁c r l 8 w 2 铸态组织影响的对比照片，山图可见：其中图a 是未加入r e 哈尔演世l 一人学t 学蛔l j 学位论土 的高铬铸铁的铸忿组织，其余是加入r e 的高铬铸铁铸态组织，ur e 的加入 ar e 加入鼙o ：b r e 加入鼙02 ；cr e 加入最o 4 ：dr e 川入b ( 16 er e 加入茸o 8 ；f r e 加入h l - 1o 幽3 1r e 变质处理对含钨高铬铸铁c r l8 w 2 铸态组绂的影响 f i g3 - 1e f f e c to f m o d i f i e dt r e a t m e n to nc r l8 w 2h i g hc h l o i y l i u i y ic a s ti r o n 1 4 啃尔淀理t 人学i 学坝1 学位论史 量逐渐增加。从图a 可以看出铸态组织由奥氏体+ 共晶碳化物组成，其中的共 晶碳化物是以连续的网状碳化物分布。经变质后高铬铸铁组织中仞生奥氏体显 著细化，形态也发生明显的改变，绝人多数成为较细小的等轴f ；i l ，j 1 仃少数细 小枝状晶存在。见图b 随着r e 加入量增加，使得先共；锅舆氏体的倒彼；| j * ： 细化，其网状碳化物许多部分出现断丌现象，并使长打状碳化物成块状分 和，变质效果明显。见图d 由于r