合金元素对铬系耐磨铸铁组织和性能的影响

合金元素对铬系耐磨铸铁组织和性能的影响

最初，使用研磨石的锤子头采用了高锰钢材料，硬度低，依赖于破碎过程中的硬化效果。然而，由于矿石的锋利角度，硬化效果并不理想，因此使用周期较短。近年来许多企业采用合金钢-铬系耐磨铸铁复合锤头,其寿命是同型号锰钢锤头的2.5倍以上。用于复合锤头的铬系白口铸铁,经过适当的成分控制及热处理工艺,碳化物由网状分布的(Fe,Cr)3C转换变为(Fe,Cr)7C3型,呈孤立杆状分布,分散的孤立杆状碳化物嵌镶在坚硬的马氏体基体上,有很好的抗磨性且韧性也较好。铬系耐磨铸铁主要的合金元素是铬、钼、铜等,其中Cr/C是影响白口铸铁组织与性能的重要因素,合金含量高、碳化物含量大,硬度高但韧性差;降低碳含量及合金元素含量来减少碳化物数量会牺牲耐磨性,如何确定适用于复合锤头的铬系铸铁成分,获得强度与耐磨性同时兼顾的材质是本研究的关键。1测试方法1.1硅、锰和铬的作用C:提高碳含量能增加碳化物的数量,从而提高耐磨性,不利的是牺牲了韧性,同时降低了淬透性。含碳量较高时,要精确控制开箱温度及热处理时的升温速度和冷却速度,以防开裂。Cr:增加铬含量能增加碳化物的数量,从而提高耐磨性,但同时也降低了韧性。Cr/C的变化引起碳化物结构、形态、分布的变化,显著地影响铬白口铸铁的组织与性能。Cr/C≥3.5,组织中将出现孤杆状M7C3型碳化物,而溶于奥氏体中的铬可以改变基体相变性质。通过调整铬碳比、冷却速率、热处理制度等,可使奥氏体转变产物成为所需要的室温基体组织。Si:硅减小共晶反应温度范围,缩小固-液两相共存区,使共晶碳化物变得较为细小,分布更为弥散化。在不同的冷速下冷却的铸件,基体硬度均随含硅量的提高而上升。由于硅对基体和碳化物两者的硬度都有影响,因而,提高硅量会使铸件宏观硬度提高。硅能显著提高奥氏体及其转变产物的弹性极限、屈服强度、屈服比以及疲劳强度。Si/C比在0.165～0.175时达到良好的综合力学性能。Mn:随着含锰量的提高,有利于铸态基体组织由细珠光体改变为奥氏体。锰既进入碳化物又溶入金属基体,锰对稳定奥氏体有效,当锰和钼联合使用时,对提高淬透性有很好的效果。锰在一定程度上影响碳化物晶态,经X射线分析,这些碳化物是溶有少量锰的(Fe,Cr)7C3碳化物。锰提高铬系耐磨铸铁的回火抗力,随含锰量的增加,回火硬度降低,而且达到回火硬度所需的时间增加。铬、锰含量较高的奥氏体组织具有较高的韧性、塑性和加工硬化性质,在冲击载荷或压应力作用下,容易诱发生成马氏体使工件表面形成硬化层,提高抗磨能力。调整铬系耐磨铸铁的铬碳比、硅锰比(提高硅含量)、控制合适的加锰量,还可以通过热处理(铸件奥氏体化后空冷)手段制造出具有奥氏体-贝氏体组织的铬系耐磨铸铁,这种铬系耐磨铸铁的综合力学性能和抗磨能力都是很好的。Mo:在铬系铸铁加入1%～6%Ni,能提高其淬透性,但成本较高,用Cu、Mo等代替Ni,降低成本而不降低其性能。钼是能够有效地提高钢铁材料淬透性的合金元素,钼含量一般应根据含铬量、铬碳比和铸件厚度而定。在含铬量相同的情况下,铬碳比较高时,钼量可相应减少。铬系耐磨铸铁厚壁零件往往需要添加钼,如15-3型铬系耐磨铸铁,含钼最多达3%,可使壁厚达120mm的铸件淬成马氏体。Cu:铜的作用与镍类似,铜在奥氏体中的溶解度,大约在2%左右,铜能提高铬系铸铁的淬透性和硬度。钼和铜作为提高淬透性的合金元素,复合加入时在推迟转变孕育期、提高材料的淬透性方面,比单独加钼有更好的效果。1.2无缺口冲击试样实验采用Lq34正交试验,其中C、Cr、Si、Mn为变量元素,Mo、Cu含量取确定数值,实验经过两组正交试验,最末一组试验成分如表1所示。试验共九组成分,浇注温度为1400±50℃左右,每组试样浇注成3个基尔试块,用线切割加工成尺寸为10mm×10mm×50mm的无缺口冲击试样;试验在液晶显示全自动摆锤冲击试验机上进行;冲击试验后的试样测试洛氏硬度,最后磨制金相试样,用XJP-100型光学显微镜进行金相组织分析。熔炼是在SX-4-12型15kg中频感应炉内进行,每炉按5kg配料;浇注温度测温仪为:KSY-6D-16。1.3做好铸件的加工和火炬的制备热处理工艺如图1所示,所有试样采用同一工艺,加热过程升温速度小于200℃/h,在600℃保温1h,使铸件(试样)温度均匀化,并防止升温过快造成铸件开裂,再缓慢升温至930℃,保温2.5h,最后采用空气淬火(空冷),因为马氏体本身具有较大的脆性,所以淬火后的工件通常都残留有较大的内应力,因而淬火后需要进行回火处理,回火温度为300℃,保温3h,经适当的回火就可以获得强度和韧性优良配合的综合使用性能。2试验结果及分析2.1锰与铬的相互作用合金元素成分不同的铬系耐磨铸铁,经过不同的淬火工艺,所得冲击试样经过两组正交试验,最后一组结果和硬度值如表2所示。通过正交试验极差表2及硬度极差分析图2看出,影响材料硬度的主要元素是碳含量,并且随着碳、铬含量的增加,铬系耐磨铸铁的洛氏硬度值在逐步升高,耐磨性则增加。同时可以看出,当碳含量为1.5%以后硬度不再增加,铬含量9%以后,硬度增加值减小,而硅、锰对硬度影响不明显。通过正交试验极差表2及冲击韧度极差分析图3可以看出,所有化学元素都对冲击韧度有影响,碳含量1.5%时韧性最佳,铬含量的增加会严重削弱材料的韧性指标,这当然是由于碳化物含量随着铬含量的增加而迅速增加,碳化物的量逐渐增多,在增加耐磨性的同时降低了韧性。资料显示,当Cr/C值≥5时,碳化物形态多为孤杆状M7C3型,能够一定程度上减小对基体的割裂作用,提高材料的韧性,所以确定铬含量9%。锰在铬系耐磨铸铁凝固过程中的主要影响,是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固范围,随着锰含量提高,铬系耐磨铸铁初生奥氏体细化且数量增加,相应的减少了共晶组织的尺寸;同时锰在一定程度上影响碳化物晶态;锰提高铬系耐磨铸铁的回火抗力,随着含锰量的增加,最高回火硬度有降低的趋势,而且达到最高回火硬度所需的时间增加。锰含量较高的奥氏体组织具有较高的韧性。但由于锰也是碳化物形成元素,含量不宜过大,所以含锰量取1.3%～1.5%为宜。硅含量的增加适当提高材料的韧性,这是因为硅减小共晶反应温度范围,缩小固-液两相共存区,使共晶碳化物变得较为细小,分布更为弥散化,适量后其作用不再增加,所以硅含量以1.1%为宜。综合考虑以上因数,确定最佳试验成分为1.5%C、9%Cr、1.1%Si、1.3%Mn,显然该组成分不在上述九组试验方案中,所以对该成分进行了验证试验,由该成分浇注的试样,经检测其硬度平均值为58HRC、冲击韧度平均值为8.2J/cm2。2.2碳化物的变化将冲击试验冲断后的试样磨制成金相试样,采用硝酸酒精腐蚀,在XJP-100型光学显微镜400倍下观察,金相组织如图4。根据正交试验分析,碳含量和铬含量是决定合金性能的主要因素,金相分析针对碳含量和铬含量的变化对组织和性能的影响展开。图4a、b和c中成分对应正交试验中第2组、第5组和第8组。可以看出,随着碳含量的增加(铬含量均为9%),碳化物析出的数量明显增多,同时当碳含量达2.5%时,碳化物甚至出现类似于网状结构,因此材料硬度提高、韧性下降;图4d、b和e中成分分别对应正交试验第4组、第5组和第6组,可以看出随着铬含量的增加(碳含量均为1.5%),碳化物也明显增多,但碳化物的形态越来越细小、均匀,这正是性能方面硬度提高而韧性下降的原因。图4f是验证试验化学成分试样得到的组织,显然其碳化物数量适中而形貌主要为孤立分布的碳化物,