钒对高铬铸铁组织及性能的影响毕业设计论文(编辑修改稿)

钒对高铬铸铁组织及性能的影响毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

空冷时不出现珠光体的最大断面(mm2) 70 90 120 200① ＞ 200 硬度HRC 铸态 6067 5156 5054 4448 5055 5054 淬火 6267 6065 5863 6067 6067 退火 4044 3642 3540 4044 3843 注： ① 碳含量为下限时，大断面中可能出现贝氏体。 组织结构 普通白口铸铁的共晶组织一般为莱氏体形 :A Fe3C ,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 含量的增佳木斯大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 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 (760～ 595 ℃ ) 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 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 400～ 600 ℃ 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 转变佳木斯大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 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 M[13]。 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 1200～ 1 800 HV, 六方晶系。 这种碳化物孤立分布 , 呈杆状和片状 , 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） : ① 淬火态耐磨性优于铸态 , ② 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 11 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，耐磨性的提高就不明显了。 碳化物含量（质量分数）可用下式估算： 碳化物含量（质量分数）（ %） =【 W（ C）】 +【 W（ C）】 %[14] 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 铬除与碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奥氏体中提高淬透性，当碳量不变增加铬量，或铬量不变降低碳量，均能使淬透性提高。 硅： 硅是钢铁材料中的常存元素，从几个方面影响高铬铸铁的凝固组织。 硅减少共晶反应温度范围，缩小固 液两相共存区，使共晶碳化物变得较为细化，分 布更为弥散化。 含硅 2% 以上的高铬铸铁，大部分共晶碳化物趋于孤立状态。 另外，硅使共晶含量降低，导致碳化物增加。 硅固溶于奥氏体或铁素体中，产生固溶强化作用。 对高铬铸铁中的奥氏体转变产物的硬度测定表明 : 硅特别有助于提高马氏体型转变产物的硬度。 在不同的冷速下冷却的铸件中，基体硬度均随含量的提高而上升。 硅的固溶强化作用强于锰、镍、铬、钨钼、钒。 能显著提高奥氏体中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。 这些强度性质的改善，对于提高材料的抗磨能力是有益的。 溶于奥氏体中的硅可减少铬的溶解量。 因而，亚 共晶高铬铸铁含碳量较高时，共晶碳化物的含铬量增加。 这对于既有 M7C3型碳化物，又有 M3C 型碳化物的高铬铸铁来说，将使 M3C 型碳化物增加 [15]。 选用含硅量较高的高铬铸铁时，还应注意的一个问题是 : 硅会使材料的脆性转变温度提高。 特别是制造承受冲击载荷的零件更应注意这个问题。 一般铬系抗磨材料的含硅量是 % ～ %。 锰： 在高铬铸铁中锰既是常存元素也是有用的合金元素，锰对高铬铸铁凝固过程的主要影响是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固温度范围。 由于锰对凝固过程的这些影响，使含锰较高的高铬铸铁初生奥氏体 枝晶细化，数量增加，相应地减少了共晶组织的尺寸。 锰还可以提高高铬铸铁的回火抗力。 随含锰量的增加，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。 存在于奥氏体中的锰有推迟铬原子扩散的倾向，这说明锰量越高达到最高回火硬度所需时间也越长的原因。 铬、锰含量较高的奥氏体组织，具有较好的韧性、塑性和加工硬化性质。 在冲击载荷或压应力作用下，容易诱发成马氏体使工件表面形成硬化层，提高抗磨能力。 锰推迟珠光体转变孕育期。 但在一定条件下，对贝氏体转变却有促进作用。 调整高铬铸铁的铬碳比、硅锰比 ( 提高硅含佳木斯大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 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－ 贝氏体组织的高铬铸铁，这种高铬铸铁的综合的机械性能和抗磨能力都是很好的，故这里选取含 Mn: % ～ %。 镊：镍不溶于碳化物，而无限固溶于铁，有扩大铁的奥氏体相的作用，是稳定的奥氏体的主要的合金元素。 在高铬铸铁中，它和铜有相似的作用，有助于降低合金的冷却临界冷却速率，但同时也使 Ms 点降低，含镍量越高， Ms 点越低，含镍量超过 % 时，铸态组织中过冷奥氏体的存在是难以避免的 [16]。 镍降低 Ms 点的作用弱于锰。 镍是比较稀贵的元素，应该注意节约使用。 一般为少量。 高铬铸铁的性能 只有碳化物得到的基体强有力支撑不剥落，软的基体剥落后，硬的质点起到抗磨作用，这种组织才能耐磨。 表 15 淬火温度与硬度的关系 处理方式 宏观硬度（ HRC） 微观硬度（ HV） 基体 碳化物 未变质＋ 950℃ 淬火 56 761 未变质＋ 1000℃ 淬火 789 未变质＋ 1050℃ 淬火 57 766 变质＋ 950℃ 淬火 782 变质＋ 1000℃ 淬火 63 818 变质＋ 1050℃ 淬火 61 791 从上表可以看出变质处理后 1000℃ 淬火时，硬度值最高。 淬火温度较低时，二次碳化物析出较多，平衡奥氏体中 C 和 Cr 含量较少，淬成马氏体时马氏体较软，硬度较低；淬火温度过高时，奥氏体达平衡时的 C 和 Cr 含量较高，使 C 曲线右移，空淬时有部分奥氏体残留，从而使硬度降低；只有淬火温度适中，空淬时才能全部淬成马氏体，得到较高的硬度值。 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 表 16 1000℃ 时淬火试样的硬度和韧度 回火温度 /℃ 250 350 450 550 硬 度（ HRC） 64 61 59 韧度 /Jcm2 由表 16 看出回火温度可维持到 450℃ 左右，之后硬度便开始下降。 淬火后的高铬铸铁具有很高的抗回火性能，这是因为在 450℃ 马氏体分解导致硬度明显下降；同时马氏体及残留奥氏体中析出碳化物，并有部分残余奥氏体分解，导致硬度升高。 二者共同作用致使硬度下降不明显。 冲击韧度在 450℃ 回火时最好， 450℃ 之前回火转变以马氏体分解为主，从而表现为韧度值增加。 450℃ 之后回火转变以残留奥氏体的分解为主，韧性下降[17]。 高铬 铸铁有着广泛的应用： 高铬铸铁在球磨机上的应用。 球磨机是水泥、电力、矿山等行业研磨工序的主要设备，磨球是球磨机主要易损件之一。 磨球既要有高的耐磨性，又要有高的韧性。 它的耐磨性能高低对生产起着极为重要的作用。 因此提高其硬度、抗冲击性、耐磨性能极为重要。 长治钢铁（集团）公司为了改进铸铁球的致密度，减少热裂，通过加入不同的稀土元素，来改善铸铁球的化学成分和均匀性。 并成功用于生产水泥用的球磨机中，显著提高了磨球的耐磨性。 中国铝业广西分公司检厂已研制成功并投入生产了一种磨球，它是用自行研制的特高铬耐磨合金铸铁制成，由 于其具有良好的耐磨性及韧性，用它制作的磨球应用在该公司氧化铝厂原料车间球磨机上，获得了很大的成功。 这种耐磨材料制成的磨球的应用创造出了很好的经济效益，具体可表现为加球量比原来少了一半。 安徽理工大学与淮化集团公司热电厂合作制作的高铬铸铁磨球在淮化集团热电厂 球磨机使用，停机开仓检查无明显破碎变形磨球，破碎率小于 %，使用效果良好 [1]。 在使用高铬铸铁磨球时，必须考虑到实际工况条件。 尤其是与之相配的衬板必须有足够的硬度，否则磨损过快。 如何处理好磨球硬度与韧性、淬透性与合金元素含量这两对矛盾一佳木斯大学本科毕业设计（论文） 第 11 页 直是实际 生产中未解决的难题，通常是硬度高则韧性低，破碎率高；合金元素含量高使淬透性提高，但成本增加。 高铬铸铁在渣浆泵上的应用。 渣浆泵在矿山、冶金、火力发电、煤炭、化工和环保等工矿部门广泛应用于输送高浓度渣浆，其四大过流件如蜗壳、叶轮、前护板和后护板等在工作过程中不但承受物料的冲刷磨损，而且还承受浆料的腐蚀作用，运行工况极其恶劣，因此其过流部件成为冶金矿山行业常见的易损件。 国内外渣浆泵过流部件所用材料主要有不锈钢、高铬铸铁和镍硬铸铁。 高铬铸铁是渣浆泵过流件的理想候选。