高铬铸铁中碳化物的形态对力学性能的影响预案.docVIP

高铬铸铁中碳化物形态对力学性能的影响 1.1课题的目的和意义 1.1.1课题的目的 高铬铸铁里的碳化物形貌直接决定了其力学性能的好坏。本文通过研究不同成分、不同热处理工艺的高铬铸铁的组织与硬度、冲击韧度和耐磨性能的关系，解释了高铬铸铁不同的碳化物分布产生不同的力学性能的现象机理；并指出，Cr/C 为 4～8 时能得到呈不连续的块状、棒状分布的 M7C3，合金组织和性能较好；高铬铸铁在 1000℃×3h淬火+350℃×3h回火的热处理工艺下，可以获得理想的组织，块状、曲面板条状碳化物不连续的分布在硬度和韧性都能较好的回火马氏体基体上，合金的整体力学性能优异。钒还可以细化和改善高铬铸铁共晶碳化物的形态。钒可以限制共晶体转变的液态空间，树枝晶间的液体被分割成更小的空间，相应的共晶碳化物生长空间变窄，在最后凝固的铁液中存在着一些悬浮的钒的碳氮化物，他们有可能形成结晶核心，加速细化作用。碳化物作为高铬铸铁组织中的第二相对高铬铸铁的性能有明显的的影响。由于高铬铸铁热处理后显微组织为隐晶马氏体加共晶碳化物，所以钒含量的变化对硬度没有明显的影响。钒细化组织的作用很明显，所以加入钒可以提高高铬铸铁的冲击韧度，而随着钒含量的增加，基体析出的二次碳化物也将增加，高铬铸铁的夹杂物随之增加，这削弱了相之间的结合力，对冲击韧度不利，所以当钒含量超过 0.8% 时，高铬铸铁的冲击韧度开始下降。钒可以细化组织，碳化物颗粒被不断细化，而且碳化物的形态也变得圆钝，在磨粒冲击力作用下，应力集中程度小，减少碳化物颗粒松动脱落的几率，从而也提高耐磨性；同时钒的碳化物 V2 C硬度很高，可达 2 700～2 900 HV ，为优良的耐磨质点，可提高高铬铸铁的耐磨性。当磨粒切削形成的刻痕或沟槽比较大时, 以至一次滑动通过时，就可以把那些小的碳化物颗粒“犁”出去，这时碳化物颗粒没有起到硬质质点阻止磨粒切削的作用。只有当碳化物颗粒尺寸大于切削痕截面尺寸，或碳化物尺寸大到足以阻碍磨粒的压入和切削，或当碳化物颗粒至少有一个方向的尺寸大于磨粒压入深度时，碳化物颗粒对提高材料的耐磨性才是有贡献的。因此，在磨粒磨损条件下太细小的碳化物对提高材料的耐磨性是不利的。所以当钒含量超过 0.8% 时，高铬铸铁试样的耐磨性会降低。 1.1.2课题的意义 作为耐磨材料不仅要求优良的抗磨粒磨损性，同时要求良好的力学性能，以防止零件在使用过程中断裂。金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，会造成巨大的经济损失，据统计资料，在失效的机械零件中，有 75%～80% 属于磨损造成，供给机械的能量有大约 30%～50% 消耗于摩擦和机械零件的磨损过程中。有资料表明：美国每年由于磨损造成损失约为1120亿美元，而我国约为400亿元。我国用于冶金、矿山、建材、电力等部门的破碎、制粉、排浆等设备的易损件，每年消耗百万吨以上。开发、研制推广新型抗磨材料和先进的耐磨铸件生产工艺具有重要意义。 1.2课题背景 高铬铸铁是一种应用广泛的耐磨材料，适用于各种高应力，中、低冲击载荷磨料磨损的工况条件，广泛应用于机械、冶金、采矿及矿产品加工等行业。材料具有优良的耐磨性能是由于硬质合金显微组织中共晶碳化物的作用。铬、碳含量，变质处理，热处理工艺等决定着高铬铸铁里共晶碳化物的分布形态。当铸铁的含铬量超过10%时，形成M7C3型碳化物，而不是在低铬时形成的M3C型碳化物。高铬铸铁形成的M7C3型碳化物被奥氏体或是它的转变产物所包围，分布形态转变为断续的杆状、块状和颗粒状，而不是一般白口铸铁中的连续状基或是严重影响材料韧性的网状。随着 Cr/C 比的增加，共晶碳化物的形貌经历了由连续网状→片状→杆状连续程度减小的过程，共晶碳化物晶体类型经历由M3C→M3C+ M7C3→M7C3的变化过程。在高铬铸铁中加入稀土，能使As、Bi、Pb、Zn、Sn、Sb等低熔点杂质生成熔点较高的二元或多元化合物，不溶于铁液中而被除去，减少或消除这些夹杂物的有害影响；可以改变铸铁中碳化物的形状、影响铸铁基体中渗碳体的数量、细化铸铁的晶粒度，提高铸铁的强韧性。不同的热处理工艺可以产生不同的组织，进而影响合金的力学性能。 材料的性能取决于组织，变质处理之所以改善高铬合金铸铁的力学性能，这主要是因为作为变质作用的稀土元素其原子半径与 Fe 的原子半径差别较大，在奥氏体相中的固溶度很小，加入高铬合金铸铁中易富集在结晶前沿，导致结晶前沿成分过冷，使共晶体转变过程中奥氏体和碳化物两相的生长速度出现差别，导致共晶奥氏体生长速度超过了共晶渗碳体的生长速度，这就使奥氏体突破共晶碳化物对奥氏体的包围而快速增长，破坏了碳化物网络的连续性，使碳化物由条片状转变为短棒状和菊花状，进一步增强了奥氏体的连续性，从而减小了大片状网状碳化物对基体的削弱作用，使高铬合金铸铁的冲击韧性得到提高