钒对高铬铸铁组织及性能的影响 毕业设计论文.doc
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1、 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,冲击实验进行性能检测。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
2、磨损; Abstract Because 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 resistan
3、ce 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 compone
4、nt for casting, then by using optical microscope, scanning electron microscope, on the sample tissue morphology, chemical composition, phase composition are analyzed, finally, hardness test friction and impact test, performance testing. The results show that, the structure of high chromium iron is m
5、ainly 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. 目 录摘 要IA
6、bstractII第1章 绪论11.1 课题的目的、意义11.1.1 课题的目的11.1.2 课题的意义11.2 课题背景11.2.1 课题背景11.3 文献综述11.3.1 高铬铸铁11.3.2 组织结构11.3.3 各元素的作用21.3.4 高铬铸铁的性能21.4 本领域存在的问题21.5 高铬铸铁的研究现状2第2章 实验方法32.1 实验材料32.1.1 合金成分32.1.2 造型工艺32.1.3 熔炼与浇注32.2 实验方法32.2.1 热处理32.2.2 测试样的冲击韧度值32.2.3 测试样的洛氏硬度值32.3 断口形貌观察32.4 金相组织观察4第3章 实验结果及讨论53.1 钒
7、对高铬铸铁组织的影响53.1.1 高铬铸铁的铸态组织53.1.2 高铬铸铁的热处理态组织53.1.3 结果分析53.2 断口形貌分析63.3 冲击韧性63.3.1 钒含量对冲击韧性的影响73.3.2 冲击韧性图73.3.3 结果分析73.4 洛氏硬度73.4.1 钒含量对洛氏硬度的影响73.4.2 洛氏硬度图73.4.3 结果分析7结论11致谢12参考文献13不要删除行尾的分节符,此行不会被打印第 28 页佳木斯大学本科毕业设计(论文)第1章 绪论1.1 课题的目的、意义高铬铸铁是本世纪三十年代发展起来的一种新型耐磨材料,因含有较高的铬,因此它具有较高的硬度和较小的硬度梯度、高的耐磨性、高的回
8、火稳定性和抗腐蚀性。目前已广泛应用于冶金、建材和电力等行业,并取得了显著的效果,在矿山行业也显示了诱人的应用前景。所以提高高铬铸铁的硬度和冲击韧性一直是各位学者的工作方向。 1.1.1 课题的目的本课题根据钒能改变共晶碳化物的类型、改善碳化物形态,从而使铸铁韧性及耐磨性提高为依据,设计和制订了热处理工艺。为使高铬铸铁具有优越的性能,研究热处理工艺与成分、冷却速度与组织、硬度和冲击韧性之间的关系,并在理论上给予一定的分析。 1.1.2 课题的意义高铬铸铁在磨损场合具有重要的优越性,已经在国民经济的各个行业中得到了重要的应用。这主要是因为高铬铸铁在经过适当的热处理工艺和合金变质处理以后获得强韧的基
9、体组织和高硬度的M7C3碳化物(HV=13001800).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碳化物并使高铬铸铁的硬度和韧性达到良好的配合,提高耐磨性,一直是国内外研究的主要课题。本课题主要研究在控制高铬铸铁基本成分的基础上,通过加入不同量的钒元素,经适当的热处理工艺后,高铬铸铁中碳化物的形态、数量、分布硬度以及耐磨性能与组织结构之间的关系。 1.2 课题背景1.2.1 课题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
10、、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
11、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。1.3 文献综述1.3.1 高铬铸铁高铬白口抗磨铸铁(以下简称高铬铸铁)是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。它以比合金钢高得多的耐磨性,和比一般白口铸铁高得多的韧性、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,而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。 高铬铸铁属金属耐磨材料、抗磨铸铁类铬系抗磨 铸铁的一个重要分支,是继普通白口铸铁、镍硬铸铁而发展起来的第三代白口铸铁。早在1917年就出现了第一个高铬铸铁专利。高铬铸铁一般泛指含Cr量在11-30%之间,
12、含C量在2.0-3.6%之间的合金白口铸铁。我国抗磨白口铸铁国家标准(GB/T8623)规定了高铬白口铸铁的牌号、成分、硬度及热处理工艺和使用特性。其典型成分及工艺如下表:表1-1 高铬铸铁的牌号及化学成分(GB/T 8623)%6牌号 CMnSiNiCrMoCuPSKmTBCr122.0-3.32.01.5 2.5 11.0-14.03.0 1.2 0.10 0.06 KmTBCr15Mo2.0-3.32.01.2 2.5 11.0-18.03.0 1.2 0.10 0.06 KmTBCr20Mo2.0-3.32.01.2 2.5 18.0-23.03.0 1.2 0.10 0.06 KmT
13、BCr262.0-3.32.01.2 2.5 23.0-30.03.0 1.2 0.10 0.06 表1-2高铬铸铁的硬度(GB/T 8623)牌号 铸态或去应力处理 硬化态或硬化态去应力处理 软化退化态 HRCHBWHRCHBWHRCHBWKmTBCr12464505660041 400 KmTBCr15Mo464505865041 400 KmTBCr20Mo464505865041 400 KmTBCr26464505660041 400 表1-3 高铬铸铁件热处理规范(GB/T 8623)7 牌号 软化退火处理 硬化处理 去应力处理 KmTBCr12920-960C保温1-8h,缓冷至
14、700-750C保温4-8h,冷至600C以下出炉空冷或炉冷 920-980C保温2-6h,出炉空冷 200-300C保温2-8h,出炉空冷或炉冷 KmTBCr15Mo920-960C保温1-8h,缓冷至700-750C保温4-8h,缓冷至600C以下出炉空冷或炉冷 920-980C保温2-6h,出炉空冷 200-300C保温2-8h,出炉空冷或炉冷 KmTBCr20Mo960-1000C保温1-8h,缓冷至700-750C保温4-10h,缓冷至600C以下出炉空冷或炉冷 960-1020C保温2-6h,出炉空冷 200-300C保温2-8h,出炉空冷或炉冷 KmTBCr26960-1060C
15、保温2-6h,出炉空冷 美国高铬铸铁执行标准为ASTMA532M,英国为BS4844,德国为DIN1695,法国为NFA32401。俄罗斯在前苏联时期曾研制了12-15%Cr、3-5.5%Mn,壁厚达200mm的球磨机衬板,现执行OCT7769标准8。特别值得一提的是在近一个世纪里,曾为抗磨白口铸铁做出了卓越贡献的美国克莱梅克斯(Climax)钼业公司。1928年该公司首先发明了镍硬铸铁,把抗磨铸铁科技推向了一个空前高度。1974年为纪念国际GIFA,在杜赛尔多夫展览会上展示了名为“神秘1号”和“神秘2号”9。即经典的高铬抗磨铸铁153(Cr15Mo3)和1521(Cr15Mo2Cu),现如今
16、克莱梅克斯公司执行高铬铸铁标准如下:表1-4 美国Climax钼公司规定的高铬铸铁成分(质量分子数) %成分 牌号 12-115-315-2-1 20-2-1 超高碳 高碳 中碳 低碳 C3.0-3.53.6-4.33.2-3.62.8-3.22.4-2.82.8-3.52.6-2.9Cr11-1414-1614-1614-1614-1614-1618-21Mo0.5-1.02.5-3.02.5-3.02.5-3.02.4-2.81.9-2.21.4-2.0Cu1.0-0.5-1.20.5-1.2Mn0.5-0.80.7-1.00.7-1.00.5-0.80.5-0.80.6-0.90.6-0
17、.9Si0.5-0.80.3-0.80.53-0.80.3-0.80.3-0.80.4-0.80.4-0.9S0.050.050.050.050.050.050.05P0.100.100.100.100.100.060.06空冷时不出现珠光体的最大断面(mm2)-7090120200 200硬度HRC铸态 60-6751-5650-5444-4850-5550-54淬火 62-6760-6558-6360-6760-67退火 40-4436-4235-4040-4438-43 注:碳含量为下限时,大断面中可能出现贝氏体。 1.3.2 组织结构普通白口铸铁的共晶组织一般为莱氏体形:A - Fe3
18、C ,渗碳体在A 的枝晶间的孔隙中发芽生长,形成了以渗碳体为基础的蜂窝状的莱氏体组织。高铬铸铁组织中,随Cr 含量的增加,片状的(Fe ,Cr) 3C 向三角形的(Cr ,Fe) 7C3 转变,引起了共晶团形态发生了根本的变化。共晶A 在共晶区域(A + M7C3 + L) 内以共晶碳化物M7C3 为领先相,以初生A 为结晶界面成核长大,并保留了碳化物晶体的锥体形状,最终组织为Cr 的碳化物以紧密的层状或纤维状分布在A 或A 的转变产物中,呈现菊花的放射状共晶团构成10。 (1) 铸态组织:高铬铸铁在铸态时组织为(Cr ,Fe) 7C3 和金属基体组成,由于成分和冷却速度的不同,金属基体可以是
19、铁素体、奥氏体或马氏体以及它们的混合组织。高铬铸铁中含Cr 高,使碳化物非常稳定,即使在十分缓慢的冷却时,也不可能产生石墨化。高铬铸铁的碳化物析出过程非常缓慢,就导致了凝固时形成的A 常常过饱和C 和Cr ,并且非常稳定,当温度降到1 175 时,出现了四相包晶反应平台,但在此平台温度以下,仍然得到A 相和碳化物相11。继续冷却时,Cr 的碳化物不断从A 中析出,减少了A 中的合金含量和稳定性。当达到共析转变温度范围(760595 ) 以下时,不稳定的A 依据冷速可以转变成珠光体、贝氏体或马氏体。然而,既使在高温时碳化物的析出也是很慢的,在中等冷速、室温时仍可能有显著数量的过饱和A残留。高铬铸
20、铁的铸态组织为A + M,碳化物为菊花状的M7C3 型。残余奥氏体数量较多。在组织中有许多类似夹杂物的黑块,经高倍组织观察,发现仍然是初生的A 相的转变产物,里边有析出的颗粒状碳化物,可能是先期转变组织发生自回火的结果。(2) 热处理组织:高铬铸铁要想获得全M 组织,只有经过热处理才能达到。高铬铸铁的热处理有高温热处理、亚临界热处理等12。高温热处理组织:高温热处理是将其加热到A 化温度以上保温,然后空冷的热处理。通过A 化温度以上保温使原转变的产物再回转变成A ,同时从A 中析出细的次生碳化物,动摇A 的稳定性,从而确保全部或大部分A 转变为M 这种理想的组织。高温热处理的组织中,基体组织为
21、M和少量残余奥氏体,另布有细颗粒二次碳化物。 亚临界热处理组织:亚临界热处理为加热到400600 保温,基体中首先析出细小的特殊碳化物,使A 中C 及其它合金元素下降,提高了Ms 点,在随后的冷却过程中,A 转变为M,产生二次淬硬现象,使残余奥氏体减少,硬度提高。亚临界热处理特别适用于铸态为A - M基体的厚大件。亚临界热处理后的组织中可见A 逐步转变为M13。1.3.3 各元素的作用高铬铸铁的组织和性能实际上取决于铬和碳的含量, 高碳低铬碳化物为M3C, 低碳高铬碳化物为M23C6,碳与铬适当配合则可得M7C3。M7C3的硬度达12001 800 HV, 六方晶系。这种碳化物孤立分布, 呈杆
22、状和片状, 对基体的割裂作用较小, 铸铁的韧性较好。碳量决定碳化物数量。提高含碳量, 增加碳化物数量, 提高耐磨性。但基体中固溶合金元素减少,使基体得不到强化, 引起淬透性降低。据马乌利科夫等人的研究, 高铬铸铁含碳量与耐磨性的关系 (如图1所示): 淬火态耐磨性优于铸态, 无论是淬火态或铸态, 耐磨性先是随含碳量增加而提高, 含碳量达到3%时耐磨性最佳, 进一步提高含碳量耐磨性逐渐低。 图1-1耐磨性与碳含量的关系铬量决定碳化物类型,高铬铸铁具有优越的耐磨性主要是显微组织中含有较多的M7C3碳化物。在碳化物与耐磨性的关系中,耐磨性也是先随碳化物量增加而提高,当碳化物量增加到30%时,耐磨性的
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