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        納米顆粒變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵組織和性能的影響

        2015-11-02 09:26:42陳永生
        黑龍江科技大學學報 2015年2期
        關鍵詞:鑄態(tài)鑄鐵碳化物

        陳永生,齊 凱

        (黑龍江科技大學 材料科學與工程學院,哈爾濱 150022)

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        納米顆粒變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵組織和性能的影響

        陳永生,齊凱

        (黑龍江科技大學 材料科學與工程學院,哈爾濱 150022)

        為提高高鉻鑄鐵的韌性和耐磨性能,以15CrMo2Cu1為研究對象,研究納米顆粒變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵組織、硬度、韌性、耐磨性的影響。對變質(zhì)處理前后高鉻鑄鐵的硬度和韌性進行實驗。結(jié)果表明:鑄態(tài)未變質(zhì)的組織中,M7C3型碳化物粗大,變質(zhì)處理后,碳化物尺寸變小,形狀由粗大板條狀變?yōu)樾K狀;熱處理后,變質(zhì)高鉻鑄鐵硬度平均值可達HRC64.15,沖擊平均值可達12.7 J/cm2,提高了耐磨性。

        高鉻鑄鐵,納米顆粒變質(zhì)劑,力學性能

        高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、高錳鋼、鎳硬白口鑄鐵之后發(fā)展的第三代耐磨白口鑄鐵,在建材、電力、礦山、冶金等行業(yè)中得到了廣泛應用[1-3]。高鉻白口鑄鐵是一種新型抗磨材料,國內(nèi)學者對高鉻鑄鐵的研究起步較晚,國外已經(jīng)在礦山大直徑球磨機襯板和大型粉碎機錘頭[4-6]上成功應用。

        高鉻鑄鐵屬于脆性材料,在提高韌性和耐磨性方面,主要采用微合金化、熱處理、變質(zhì)處理和孕育處理等[7-9]技術方法。目前,關于添加納米顆粒變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵影響方面的研究文獻較少,筆者通過添加納米顆粒變質(zhì)劑的方法,試圖改善碳化物的形貌以及碳化物的大小和分布,并探索熱處理工藝,以獲得較高耐磨性和優(yōu)良沖擊韌性的高鉻鑄鐵。

        1 實驗材料與方法

        實驗材料為生鐵、廢鋼、高碳鉻鐵,鉬鐵,純銅以及納米顆粒變質(zhì)劑等,原料化學成分質(zhì)量分數(shù)見表1。

        表1 實驗材料化學成分

        將配置好的實驗原料依次放入ZG-2感應熔煉爐中熔煉,將納米顆粒變質(zhì)劑放入包底,利用沖入法進行變質(zhì)處理,然后澆注試樣,所有試樣都在濕砂型中鑄出。試樣的化學成分見表2。

        表2 高鉻鑄鐵成分

        熱處理在KSL1600X箱式爐中進行,熱處理溫度為980 ℃,保溫1 h,空冷,回火溫度250 ℃,保溫1 h,空冷。沖擊實驗在JB30A 型沖擊實驗機上進行,試樣尺寸為 10 mm×10 mm×55 mm,將沖斷后的試樣研磨,制成金相試樣,觀察顯微組織,硬度實驗在HR150洛氏硬度計上進行,顯微組織觀察由ZEISS金相顯微鏡完成。在MMS-2A 型屏顯式摩擦磨損實驗機上作磨損實驗,磨損試樣尺寸為10 mm×10 mm×6 mm。

        2 實驗結(jié)果與分析

        2.1變質(zhì)處理對鑄態(tài)組織形貌的影響

        變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織影響的對比照片見圖1。從圖1a可以看出,未變質(zhì)的的鑄鐵組織中,碳化物粗大,呈大的板條狀碳化物。加入變質(zhì)劑后,如圖1b所示,粗大板條狀碳化物斷開,轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉膲K狀碳化物。

        圖1高鉻鑄鐵鑄態(tài)的SEM照片

        經(jīng)過變質(zhì)處理后,碳化物的形態(tài)、分布發(fā)生了明顯變化,組織細化,碳化物更加細小。這主要是由于納米顆粒變質(zhì)劑的熔點低,不僅可以凈化鐵液,還可以增加過冷度,改變了高碳鉻鐵中碳化物的形核及生長條件,限制了其生長的各向異性,產(chǎn)生細化晶粒的作用所致。納米顆粒變質(zhì)劑還可以作為異質(zhì)形核質(zhì)點,有利于形成塊狀或細小的板條狀碳化物[10]。

        圖2是鑄態(tài)高鉻鑄鐵未變質(zhì)與變質(zhì)處理后的XRD圖譜。從圖譜中可以看出,變質(zhì)與未變質(zhì)的高鉻鑄鐵中都存在M7C3型碳化物的峰,說明變質(zhì)劑的加入,改變了碳化物形態(tài),而不能影響碳化物類型。

        2.2變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵性能的影響

        變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵硬度的影響見表3。從表3中可以看出,熱處理后,經(jīng)過變質(zhì)處理的高鉻鑄鐵硬度最高,平均可以達到HRC64.15。與未變質(zhì)處理相比,變質(zhì)處理的高鉻鑄鐵硬度值較高,這是因為變質(zhì)處理后,組織細化導致。經(jīng)過熱處理后,熱處理態(tài)高鉻鑄鐵的硬度值高于鑄態(tài)高鉻鑄鐵硬度值,說明隨著溫度的升高,基體組織逐漸均勻化,二次碳化物析出導致基體硬度升高。

        圖2 鑄態(tài)高鉻鑄鐵XRD圖譜

        Table 3Hardness of high chromium cast ironbefore and after heat treatment

        工藝方法HRC123456平均值變質(zhì)55.155.254.053.253.254.154.13未變質(zhì)53.651.152.552.951.551.952.25變質(zhì)+熱處理64.563.265.862.664.664.264.15未變質(zhì)+熱處理60.560.460.261.461.161.160.78

        變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵沖擊韌性的影響見表4。與未變質(zhì)鑄態(tài)相比,變質(zhì)后鑄態(tài)高鉻鑄鐵沖擊韌性變化不大。但經(jīng)過熱處理后,變質(zhì)后的沖擊韌性有所提高,沖擊值由10.03變?yōu)?2.7 J/cm2,提高約26%。這是由于正火處理后,組織更加均勻,M7C3碳化物更為細小,分布較好的原因。

        高鉻鑄鐵進行滑動磨損實驗,對磨環(huán)為GCr15鋼(硬度為HRC 63),線速度為1 m/s,時間60 min,壓力200 N。圖3為不同狀態(tài)下商鉻鑄鐵的磨損量。從圖3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),變質(zhì)后高鉻鑄鐵的磨損量明顯低于未變質(zhì)處理的高鉻鑄鐵,且變質(zhì)處理后高鉻鑄鐵的磨損量基本保持不變。這是由于變質(zhì)處理后,細化了M7C3碳化物的尺寸并使其分布得更均勻,基體與碳化物的結(jié)合強度更高,因此,變質(zhì)高鉻鑄鐵具有較高的硬度,耐磨性提高。

        表4高鉻鑄鐵試樣熱處理前后沖擊韌性值

        Table 4Impact toughness of high chromium castiron before and after heat treatment

        工藝方法沖擊韌性/J·cm-2123平均值變質(zhì)鑄態(tài)10.69.69.910.03未變質(zhì)鑄態(tài)8.99.18.88.93變質(zhì)+熱處理13.012.412.712.70未變質(zhì)+熱處理10.59.89.810.03

        圖3 不同狀態(tài)下高鉻鑄鐵的磨損量

        Fig.3Wear extent of high chromium cast iron under different conditions

        3 結(jié) 論

        (1)納米顆粒變質(zhì)處理后,高鉻鑄鐵組織細化,M7C3型碳化物尺寸減小,形態(tài)發(fā)生改變,由粗大板條狀變?yōu)樾K狀,分布得更加均勻。

        (2)納米顆粒變質(zhì)處理可以改善高鉻鑄鐵的力學性能,熱處理后的硬度平均值可以達到HRC 64.15,沖擊平均值提高了26%,可以達到12.7 J/cm2,磨損量最小,耐磨性也是最佳。

        [1]付曉虎.Re變質(zhì)高鉻鑄鐵組織與性能的研究[D].長沙:中南大學,2012:1-15.[2]王均.合金元素對高鉻耐磨鑄鐵凝固組織和亞臨界硬化行為的影響[D].成都:四川大學,2003.

        [3]楊誠凱,李衛(wèi).含碳量對過共晶高鉻鑄鐵顯微組織與耐磨性的影響[J].鑄造,2012,61(12):1393-1396.

        [4]王梁.稀土變質(zhì)高鉻鑄鐵性能研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2014(12):58-59.

        [5]李夢.高鉻鑄鐵復合錘頭熱處理組織和性能的研究[D].西安:西安工業(yè)大學,2013:1-7.

        [6]任慶平,王國仁.高鉻鑄鐵復合錘頭的鑄造與熱處理研究應用[J].鑄造技術,2010,31(4):407-410.

        [7]劉國宇.鉻系耐磨鑄鐵的研究與展望[J].水利水電機械,2003,25(1):31-34.

        [8]宛農(nóng),董建新,謝錫善.15Cr系高鉻鑄鐵組織特征的熱力學分析[J].鑄造,2005,54(4):351-355.

        [9]尹衛(wèi)江.熱處理及釩-鈦合金對高鉻鑄鐵碳化物形態(tài)和力學性能的影響[D].包頭:內(nèi)蒙古科技大學,2012.

        [10]馬國睿.稀土鎂對高鉻鑄鐵變質(zhì)效果的研究[J].哈爾濱理工大學學報,2005,10(4):33-40.

        (編輯徐巖)

        Study on effect of nanoparticles inoculants on microstructures and properties of high chromium cast iron

        CHEN Yongsheng,QI Kai

        (School of Materials Scieace &Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

        This paper is aimed at studying the effects of nanoparticles inoculants on the microstructure,hardness,impact toughness,and wear resistance of the 15CrMo2Cu1 using SEM,X-ray diffraction,Rockwell hardness tester and pendulum impact testing machine and wear and abrasion test machine.The results show that as-cast high chromium cast iron without modification contain coarse M7C3carbide,which tends to become smaller after modification,allowing the morphology change from the coarse lath to the block of smaller size;the modified alloy subjected to heat treatment has an average hardness of up to 64.15HRC,and the average impact toughness of up to 12.7 J/cm2,contributing to a definite decrease in the wear weight loss and a significant improvement in the wear-resisting property and the impact toughness.

        high chromium cast iron; nanoparticles inoculants; mechanical properties

        2015-02-11

        陳永生(1987-),男,黑龍江省哈爾濱人,碩士,研究方向:金屬材料,焊接材料,E-mail:chenyongsheng111@126.com。

        10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.019

        TG143.3

        2095-7262(2015)02-0206-03

        A

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