钒铁变质处理对高铬白口铸铁组织和性能的影响

1、 钒铁变质处理对高铬白口铸铁组织和性能的影响刘兆方, 刘忆,王楠,杨雪飞辽宁工程技术大学材料科学与工程系,辽宁阜新(123000E-mail:lzypeking摘要:高铬白口铸铁的脆性严重降低了其使用寿命,为了改善高铬白口铸铁组织,提高综合性能,本文研究了钒铁变质处理对高铬白口铸铁组织和性能的影响。实验结果表明:钒铁可以使白口铸铁晶粒细化,碳化物形态改善,可提高硬度和耐磨性,适当的钒铁可获得较好的冲击性能,延长其使用寿命。关键词:高铬白口铸铁;变质处理;钒铁0. 引言从60年代开始应用至今,高铬铸铁己经是世界公认的优良抗磨材料,在采矿、电力、建筑、筑路、冶金、水泥、化肥工业等行业应用十分广泛1

2、。高铬铸铁作为一种优良的抗磨材料,其优良的耐磨性倍受国内外学者和用户的重视。但是高铬铸铁毕竟属于脆性材料,韧性较差,许多工况下,耐磨性和韧性不能达到良好的配合而导致使用寿命较短。国内外研究的共同特点是应用各种手段,力图改变碳化物的形态及分布,以达到改善力学性能的目的,结果并不十分理想。近些年来许多研究者提出采用复合变质来提高韧性,韧性增加的同时却使得成本大幅度的提高。本课题的指导思想是采用我国资源丰富的钒来改善碳化物形态的同时,细化基体组织,改善晶界冶金状态,以期在保证耐磨性的前提下,达到提高韧性的目的。在试验中,控制高铬铸铁的基本成分,通过依次递增变质剂钒铁的含量,研究钒铁对高铬铸铁的变质效

3、果。本课题紧密结合生产实际中存在的问题,致力于提高高铬白口铸铁的韧性,延长耐磨件的服役寿命。这无疑会使高铬铸铁的应用范围大大拓宽,具有良好的应用前景。1. 试验方案1.1化学成分高铬白口铸铁成分范围(质量分数:C:2.6%3.2%,Cr:13%,Mn:01%,Si0:3%0.8%,Mo:0.8%,Ti:0.1%,RE:0.9%试样材料中钒含量如下: 编号0# 1# 2# 3# 4# 含钒量0 0.4 0.6 0.8 1.01.2试样制备及热处理工艺试样采用的原材料有废钢、废石墨电极、钼铁、钛铁、钒铁、铬铁以及稀土硅铁等。用20kg酸性中频感应炉熔炼,出炉温度在14001450之间2。出炉前加纯

4、铝屑脱氧。铸造采用湿砂型铸造方法,由于高铬铸铁线收缩量大,与铸钢接近,一般在1.5%2.0%之间,故-1- 可以采用与钢相似的冒口补缩工艺。浇铸温度控制在13501400,钒、钛以及稀土采用包内冲入法。铸件在浇铸后,30分钟后开箱清砂。热处理工艺如图1,图2所示。 图1 退火工艺曲线Fig.1Annealing process of liner plate图2 “淬火+回火”工艺曲线 Fig.2 Quenching and temperingof liner plate2. 金相组织观察及力学性能测试在XJL-02型立式金相光学显微镜上观察金相组织。分别用JB30A 冲击实验机进行冲击韧性测试

5、;用HR-150形洛氏硬度实验机测硬度;用ML-10型磨料磨损实验机作磨损试验,并在TG328A 型分析天平上进行称重。试样均采用标准试样.3. 实验结果及分析3.1对变质前后金相组织的分析 (a 高铬白口铸铁的铸态是初生奥氏体+共晶碳化物。钒铁变质处理后,高铬白口铸铁共晶碳化物的形态、大小、数量、分布都发生了改变,使碳化物断网孤呈孤立状存在。当未进行钒变质处理时,图3(a 中碳化物呈长条状、片状等带有尖角的形状,并且较粗大。当钒含量为0.4%时,图3(b 中碳化物的尖角被钝化,呈扁球状、短粗棒状,较均匀地分布在基体中。当钒含量为0.8%时,图3(c 中碳化物较图3(b 更加圆钝,呈细小的球状

6、弥散地分布在基体中。当钒的含量为1.0%时,图3(d 中碳化物增多,长大。从图3各图中,-2- 3.2对机械性能影响的分析3.2.1对硬度和耐磨性的影响 图4 钒量对硬度的影响 Fig.4 Hardness variation as a function of V 从图4、图5势。钒含量的增大对硬度和耐磨性影响具有相似性。 3.2.2钒变质处理对冲击韧性的影响图6中,高铬白口铸铁冲击韧性与钒含量的关系曲线出现了峰值。钒含量小于0.8%时,随钒含量的增加,冲击韧性提高;钒含量为0.8%时,达到峰值;钒含量大于0.8%时,随钒含量的增加,冲击韧性下降。 3.3试验结果分析钒的变质处理对高铬白口铸铁

7、晶粒有良好细化效果。这是由于钒是强碳化物形成元素,可以与碳形成VC ,VC 是高熔点相在凝固初期,弥散形核,从而增加形核质点,达到细化晶粒的目的1。VC 显微硬度可达到21902236HM ,VC 在基体上固溶析出,强化硬化高铬白口铸铁的基体3 。在热处理过程中,钒降低碳在奥氏体中的扩散系数,VC 是难溶碳化物,其稳定性强,弥散分布在奥氏体基体中,阻碍奥氏体晶粒的长大,显著降低奥氏体晶粒的长大速度,防止奥氏体粗化。-3- 钒还可以降低奥氏体的稳定性,提高Ms点,提高淬透性,使奥氏体转变为马氏体,从而确保高硬度,增加耐磨性。钒的另一种作用是取代共晶碳化物中部分铬,降低铬在碳化物中的含量,增加基体

8、中铬的固溶度,促使连续冷却转变曲线右移。高铬白口铸铁的冲击韧性受碳化物数量、形态及其分布、基体组织、晶粒度等的影响4。钒对冲击韧性的影响具有两面性。有利的一面是:钒改善了碳化物的形态、大小,细化了基体的晶粒,有利于提高冲击韧性。不利的一面是:钒促使马氏体的形成,钒含量大于0.8%时,钒促使二次碳化物的析出,马氏体含量增多,冲击韧性k 下降。综合钒对冲击韧性的利弊,在采用V-Fe对高铬白口铸铁变质处理以提高冲击韧性时,V含量在0.8%时为宜。4 结论(1钒铁加到一定量可改善高铬白口铸铁碳化物形态,使其晶粒细化,奥氏体发生转变。(2钒铁变质处理对高铬白口铸铁的硬度及耐磨性的影响十分显著,加入量为0

9、.8%时硬度可提高22%,耐磨性提高4%,冲击韧性提高20%,超过此量,导致冲击韧性急剧下降。-4- 参考文献1 王仲珏,孙萍.成分设计在高铬白口铸铁磨球改性处理上的应用J.机械工程师,2005,(7:88-89.2 张进孝.复合变质高铬铸铁J.长安大学报,2002,22(4:82-84.3 贺同正.合金高铬铸铁及其应用M.北京:冶金工业出版社,1999;564Guesser W L, Foundry, 1985,113(0;50Influence of modification of V-Fe on the structure and properties of high-chromium

10、white cast ironLiu Zhaofang,Liu Yi,Wang Nan,Yang Xuefei Department of Material Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin,Liaoning (123000AbstractTo improve the structure and properties of white cast iron withhigh-chrominm,influence of modification of V-Fe on the structure and pro

11、perties of high-chromium white cast iron was studied.The experimental results show that after the modification of V-Fe,the grain is fined ,carbide morphology can be improved ,and good hardness and resistance to abrasion can be improved.Adequate V-Fes quantity can achieve good impact toughness.Keywords:High-chromium white cast; Modification;V-Fe作者简介:刘兆方,男,辽宁工程技术大学材料科学与工程系学生;刘忆,女,辽宁工程技术大学材料系副主任,硕士研究生、教授、硕