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低铬合金耐磨球墨铸铁的研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/12     浏览次数:    
低铬合金耐磨球墨铸铁的研究
  黄勇 , 樊发珍
  武汉水利电力大学机械系, 湖北武汉
  摘要:研究了成分、 热处理的淬火介质、 淬火和回火工艺对低铬合金耐磨球墨铸铁的组织与性能的影响。 结果表明低铬合金耐磨球墨铸铁具有良好的显微组织和力学性能, 尤具优良的耐磨性。 其耐磨性是 45 #钢的 3.5 倍, 而成本与钢相近。
  关键词:低铬合金铸铁;球墨铸铁 ;耐磨铸铁;化学成分 ;热处理 ;显微组织 ;力学性能
  中图分类号:TG143.9 文献标识码:A 文章编号

  高铬钼耐磨铸铁在工业上已得到一定应用,但为了节省铬钼元素。降低生产成本,并获得较好的力学性能与使用性能,笔者研究了低铬合金耐磨球墨铸铁及一种新型的淬火介质和热处理工艺。


1.试验材料和方法

  试验材料在熔炼后期,加入铁水重量1.2%的稀土硅铁镁作为球化剂在浇包内进行球化处理,待球化反应完毕后,加入1%孕育剂。用处理好的铁水浇注试样,试样的设计成分为(%):3.2~3.6C,2.2~~1.2Mn,0.2~残=0.04。试样的淬火介质为XS水溶液密度为1.25t/m3)。

  热处理的试样表层磨去2mm以上后,进行金相分析及硬度测定。抗弯强度试样为Υ30mm×。冲击试样为20mm×20mm×110mm,无缺口,不加工。磨损试验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行,磨料为20~30目石英砂,试验时间为8h,干磨损。最后在BS-350扫描电镜上观察表面磨损形貌。


  2.试验结果及分析

 低铬合金耐磨球墨铸铁铸态组织低铬合金耐磨球墨铸铁凝固时,在高温状态下奥氏体基体中溶入碳、铬、锰等元素,因此比较稳定即Ms点较低)。试样在砂型中冷却时,奥氏体中碳和合金元素以碳化物形式从奥氏体中析出来,但析出过程不足以使Ms点上升至室温以上,因此冷却至室温时不可能得到马氏体基体组织。由于试样断面尺寸小(12mm×25mm),故冷速快,试样材料中量为3.9%~4.5%,Mn+Cr量为1.2%~。因此,球墨铸铁的第一阶段石墨化不完全其组织:奥氏体+少量渗碳体+石墨,同时第二阶段无石墨化,基体为珠光体。所以,试样的铸态组织为:珠光体+少量渗碳体+石墨。图1为低铬合金耐磨球铁铸态组织。

  图1低铬合金耐磨球铁铸态组织(2%硝酸酒精侵蚀)400×低铬合金耐磨球墨铸铁的热处理为了获得马氏体基体铸铁,提高低铬合金耐磨球墨铸铁硬度及耐磨性,必须进行热处理。试验时选用水溶性淬火介质(密度为1.25t/m3)。该介质在奥氏体不稳定区(650~550℃)冷速为350~400℃而在奥氏体转变区(300~200℃)冷速达200~℃/s,淬火介质的冷却能力介于水和油之间。试样在淬火介质中冷却后得到马氏体基体组织,材料变形和开裂小,并能获得比油淬时更高的硬度。低铬合金耐磨球墨铸铁热处理后硬度见表1。

  表1低铬合金耐磨球墨铸铁的硬度热处理工艺铸态

  从热处理试验可以看出,低铬合金耐磨球铁在℃加热和保温时,奥氏体均匀化,使基体保持适当的碳和合金元素,以保持足够的淬透性,并使点提高,所以试样加热至880℃保温2h后,在XS水溶液中冷却后得到较高碳量的马氏体,其宏观硬度为淬火后室温组织为马氏体、少量渗碳体、石墨及少量残留奥氏体。
  低铬合金耐磨球铁经淬火后,金相组织中基体为马氏体和少量残留奥氏体。为了减少内应力,稳定组织和提高韧性,以及把淬火时形成的残留奥氏体转变为马氏体,必须进行回火。
  对热处理后试样的金相观察看出,经淬火的低铬合金耐磨铸铁在220℃回火时,马氏体中分解出细小碳化物,使马氏体含碳量较淬火时含碳量减少,硬度有所下降,因球铁中含硅量较高,硅能大大推迟碳化物聚集及转变过程,所以低温回火时具有一定的回火稳定性,因此经220℃回火获得的基体组织为回火马氏体,此时铸铁中残留应力和脆性降低,但仍保持着铸铁淬火时的高硬度和高耐磨性。
  对淬火球墨铸铁试样进行350℃以上回火,则金相组织中马氏体基体向屈氏体、索氏体转变,所以宏观硬度显著下降。
  低铬合金耐磨球墨铸铁的力学性能从表2可以看出,低铬合金耐磨球墨铸铁的冲击韧性铸态高于热处理态,而宏观硬度及抗弯强度则低于热处理态,这与低铬合金耐磨球墨铸铁铸态和热处理态的金相组织有关。低铬合金耐磨球铁的铸态组织以珠光体为基体,并分布有细小圆整球状石墨和少量分布的条状、块状碳化物,故材料的硬度和抗弯强度较低,冲击韧性较好;经淬火和回火后,获得马氏体为主的基体组织,较铸态下珠光体为主的组织宏观硬度和抗弯强度有所提高。
  表2低铬合金耐磨球铁力学性能处理状态σα·铸态℃×2hXS淬火+220℃×1.5h回火低铬合金耐磨球铁抗磨料磨损的耐磨性从低铬合金耐磨球铁试样磨损表面(图2)可以图2低铬合金耐磨球铁磨损表面硝酸酒精侵蚀)600×看出,在磨损试验条件下,磨粒处于不固定的自由滚动,并以一定的角度撞击磨损表面并产生挤压,从而使磨损表面剥落。
  磨粒一方面使表面产生显微裂纹,继之裂纹扩展并使碳化物崩落,另一方面由于磨料撞击使之磨损面的基体先行磨去产生微裂纹。磨料反复撞击,裂纹扩展,基体表面剥落,使碳化物凸出于基体而易于折断、崩落从而失去碳化物相的抗磨作用。几种材料抗磨损的耐磨性见表3。
  表3几种材料的耐磨性试样热处理状态磨损失重/gβ钢正火耐磨球铁880℃×2hXS淬火+220℃×1.5h回火耐磨球铁880℃×2hXS淬火+220℃×1.5h回火高铬钼铸铁980℃×2h空淬+300℃×2h回火注:β---相对耐磨性由磨料磨损机理可知,当(HM基体/HM磨料时,该组织就具有较高耐磨料磨损抗力,故马氏体基体的铸铁具有较高耐磨性。由于低铬合金耐磨球铁中碳化物硬度较高(HV1000),所以石英砂磨料不易切入碳化物,因此,在磨料作用下磨损面的碳化物凸出于基体,起到抵抗磨料磨损保护基体作用,金相组织中少量奥氏体存在则起支承基体给组织以一定的韧性,可使基体碳化物与磨料接触时以一定的缓冲阻止显微裂纹扩展,从而提高材料的抗磨损能力。
  由上述可知,低铬合金耐磨铸铁经880℃×淬火+220℃×1.5h回火处理,在马氏体基体上分布着少量网状碳化物组织,因此显微硬度和宏观硬度较高,而且有一定的韧性,故耐磨性较好。

  低铬合金耐磨铸铁可行性分析取Υ30mm×试样,经880℃×2h,XS淬火后,在试棒上截取一段测定其宏观硬度,结果全部淬硬。然而对壁厚>30mm件还需加入0.3%~0.5%的钼或铜。低铬合金耐磨球铁的成本是高铬钼铸铁的1/2~1/3,其经济效益显著。低铬合金耐磨球铁和高铬钼铸铁两者冲击韧性、硬度和抗弯强度相近,因此低铬合金耐磨球铁在力学性能方面可以满足使用要求。


3.结论

  低铬合金耐磨球铁在880℃×2hXS淬火℃×1.5h回火可得到以马氏体为基体组织的优良抗磨材料。

  低铬合金耐磨球铁Υ30mm~Υ40mm试样经880℃淬火可全部淬透,若欲淬透更大直径试样则需加入0.3%~0.5%Mo或Cu。
  用酸性中频炉熔炼的低铬合金耐磨球铁的耐磨性为ZG45钢的3.5倍,其成本与ZG45钢相近。低铬合金耐磨球铁也可用冲天炉熔炼,其制造成本更低。

  低铬合金耐磨球铁有较好的韧性(αk值为很高的硬度(HRC58)和抗弯强度。因此,可应用于受冲击力较大的磨煤机磨球等铸件上。


  参考文献〔1〕宋余九.金属材料的设计·选用·预测〔M〕.北京:机械工业出版社〔〕石德柯.材料科学基础〔M〕.北京:机械工业出版社〔〕黄勇.马氏体耐磨球磨铸铁的研究〔J〕.机械工程材料~〔〕赫石坚.现代球磨铸铁〔M〕.北京:煤炭工业出版社〔〕刘宗昌.钢件的淬火开裂及防止方法〔M〕.北京:冶金工业出版社


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