貝氏體抗磨球墨鑄鐵熱處理工藝研究

1、 圖 5 滲氧層硬度與 O/Ti 原子比的關(guān)系Fig. 5 Relationship between hardness of oxygen permeationlayer and O/Ti ratio有相當(dāng)?shù)挠捕人?, 約為 20GPa 左右 。 5。這主要因?yàn)槊嫘?立方結(jié)構(gòu)的 TiO 中 Ti 2O 鍵較強(qiáng)之故 。 除此之外 , 滲氧層 也因氧的固溶其硬度值明顯提高 。 鈦硬度低緣于 c 0/a 0的值 較小 7。 氧固溶于 2Ti 晶格的八面體間隙 , 使晶胞沿 c 2軸膨 脹 。 采用 XRD 計(jì)算溶氧層的晶格常數(shù) :a 0=012954nm , c 0=014821nm , c 0/

2、a 0 11632; 而 基 體 2Ti 的 晶 格 常 數(shù) :a 0=012948nm , c 0=014676nm , c 0/a 0 11586; 在 ASTM 數(shù)據(jù) :a 0=012950nm , c 0=014585nm , 001554出 , 離子滲氧使鈦的 c 0/a 3 結(jié)論離子轟擊一方面減少了高價(jià)氧化物的存在 , 另一方面由 于氧離化加劇 , 使?jié)B氧過(guò)程得以促進(jìn) 。因此等離子滲氧處理 可以為鈦提供一個(gè)致密的 、 高硬度的 、 抗磨耐蝕的表面改性 層 。參考文獻(xiàn) :1 基金 N H. 金屬與合金的電化學(xué)熱處理 M .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1987.2 Xu Zhong. D

3、ouble G low Plasma Surface Alloying Technique. US :47332539,1985205228.3 K iyoshi Kusabiraki ,Noriaki Kuroda. High 2Temperature Oxidationof Pure Titanium in CO 2and Ar 210%CO 2AtmospheresJ.Oxid.Met ,1997,48:289.4 高本輝 , 崔素言 . 真空物理 M .,1983. 5 Bally A , Hones P. Properties of fcc1+X by SputteringJ.Sur

4、f. ,1082109 Li 2Mechanism of Ion BombardmentJEngineering ,1987, (3 :310.7 Budinski K E. Tribological Properties of Titanium Alloys J .Wear ,1991,151:203.孫玉福 , 劉新田 , 趙靖宇(鄭州大學(xué)北區(qū) 材料工程學(xué)院 , 河南 鄭州450002摘要 :研究了淬火介質(zhì) 、 奧氏體化溫度和回火溫度對(duì)貝氏體抗磨球墨鑄鐵組織與性能的影響 。選擇了合理的熱處理工藝 , 獲得 了優(yōu)良的性能 , 使其硬度達(dá) 5055HRC , 沖擊韌度 a K =815J/cm

5、 2, <80mm 磨球沖擊疲勞壽命 (落球試驗(yàn)的跌落次數(shù) 達(dá) 2萬(wàn) 次以上 。關(guān)鍵詞 :熱處理工藝 ; 抗磨球墨鑄鐵 中圖分類號(hào) :TG143. 5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :025426051(2002 0320037203Study on H eat T reatment Process of Wear 2resistant B ainitic Nodullar C ast IronSUN Yu 2fu ,L IU Xin 2tian ,ZHAO Jing 2y ü(Material Engineering Institute ,North Area ofZhengz

6、hou University ,Zhengzhou He nan 450002,China Abstract :In this paper ,the influence of quenching medium ,austenitizing and tempering temperature on the struc 2ture and properties of the wear 2resistant bainitic nodullar cast iron has been studied through experiments. By ap 2plying reasonable heat 2

7、treatment process the excellent properties have been obtained. The hardness :5055HRC , the impact toughness a K =815J /cm 2,and the impact fatigue life of <80mm mill ball has reached over 20000times (dropping times of dropping ball experiment .K ey w ords :heat 2treatment process ;wear 2resistant

8、 nodullar cast iron作者簡(jiǎn)介 :孫玉福 (1958111, 男 , 河南?？h人 , 副教授 , 碩士 , 系主 任 , 主要從事鑄造合金及新型抗磨材料和耐熱材料的教學(xué)和科研工 作 , 發(fā)表論文 10余篇 , 曾獲河南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng) 1項(xiàng)、 三等獎(jiǎng) 3項(xiàng)。 聯(lián)系電話 :037123886791收稿日期 :2001204206 貝氏體球墨鑄鐵是一種優(yōu)良的抗磨材料 , 它在成分設(shè)計(jì) 上使用以錳 、 硅為主 , 鉬 、 硼為輔的合金元素 , 避免了使用易造 成污染地下水的鉻元素 , 有綠色耐磨材料之稱 。在性能上具 有較高的硬度和沖擊韌度及抗沖擊疲勞性能 , 綜合性能較高 ?？捎糜?/p>

9、制造球磨機(jī)磨球 、 襯板 、 顆粒飼料壓制機(jī)壓模 、 榨油機(jī) 榨軸等耐磨件 , 具有良好的應(yīng)用前景 。熱處理是貝氏體球鐵 生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié) , 其工藝的合理性不僅影響該材 料的組織和性能 , 而且還影響耐磨件的使用壽命和產(chǎn)品的技 術(shù)經(jīng)濟(jì)性 , 所以對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行研究十分必要 。1 試樣及耐磨件的制備111 化學(xué)成分的設(shè)計(jì)在該種球墨鑄鐵的成分設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中 , 主要從以下73金屬熱處理 2002年第 27卷第 3期幾個(gè)方面考慮 。 其碳當(dāng)量 W C +3(W Si +W P 選在共晶點(diǎn) 附近 , 使其具有良好的鑄造性能 , 鑄造缺陷少 , 獲得健全鑄件 ; 鑄態(tài)下保證石墨球化 ,

10、組織中碳化物數(shù)量 <3%; 合理選 用有關(guān)合金元素 , 以保證用水玻璃水溶液淬火介質(zhì) , 在連續(xù) 冷卻條件下材料的淬透性 , 獲得基體以貝氏體為主的球墨鑄 鐵 。 為了保證鑄態(tài)組織中的碳化物 <3%, 在試驗(yàn)中我們發(fā) 現(xiàn) , 硅和錳正確匹配是避免鑄態(tài)下產(chǎn)生碳化物的關(guān)鍵 , 當(dāng) Si 為 216%, Mn 為 210%時(shí) 鑄 態(tài) 下 即 產(chǎn) 生 碳 化 物 ; 當(dāng) 硅 為 310%, 錳為 310%時(shí)鑄態(tài)下僅有少量碳化物 ; 若將硅提高到 312%, 鑄態(tài)下基體無(wú)碳化物 。我們知道 , 硼是強(qiáng)烈提高淬透 性的元素 , 但它也是一個(gè)反石墨球化的元素 , 試驗(yàn)表明 , 當(dāng)鎂 元 素 和

11、稀 土 元 素 的 含 量 總 和 =01065%01075%, 硼 < 0105%時(shí)球化良好 , 若硼提高到 01078%時(shí) , 石墨呈蠕蟲(chóng)狀 , 和文獻(xiàn) 1報(bào)道結(jié)果基本一致 。該球墨鑄鐵的設(shè)計(jì)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) , % 為 :315318C ; 215315Si ;115310Mn ;012015Mo ;010103B112 試樣及磨球的制備11211 ,G B3180 1982×20mm ×100mm ; <80mm 的磨球 , 進(jìn)行熱處 理后用線切割機(jī)床加工出 10mm ×10mm ×55mm 試樣 。 11212 硬度試樣的制備 一種

12、是在濕砂型中鑄出 <40mm ×30mm 試塊 ; 第二種是在 <80mm 磨球熱處理后用線切割機(jī)床 加工出 10mm ×10mm ×70mm 硬度分布檢測(cè)試樣 。11213 磨球的制備 用濕砂型四球工藝鑄出 <80mm 磨球 , 以備熱處理后測(cè)試有關(guān)性能 。11214 鐵水的熔煉及球化孕育處理 鐵水用中頻感應(yīng)電爐 熔煉 , 主要原材料為生鐵 、 廢鋼和各種鐵合金 。 球化處理采用 沖入法 , 球化劑用 FeSiMg8Re7, 球化劑加入量為 116%。孕 育處理采用包內(nèi)一次孕育和澆注時(shí)二次隨流孕育 , 孕育劑為 FeSi75, 加入量為 114

13、%。 其試樣和磨球的最終化學(xué)成分見(jiàn)表 1, <80mm 磨球的鑄態(tài)組織如圖 1。表 1 試樣的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) , %T able 1 Chemical composition of the samples(w t % C Si Mn P S Mo B Mg 殘 Re 殘 032圖 1 <80mm 磨球的鑄態(tài)組織 ×500 Fig. 1 As 2cast structure of <80mm mill ball ×500 2 淬火介質(zhì)的選擇 要想在連續(xù)冷卻條件下獲得貝氏體基體 , 要求冷卻介質(zhì) 在淬火過(guò)程中有比較慢的冷卻速度 。根據(jù)文獻(xiàn) 2和初步試 驗(yàn)

14、表明 :水玻璃水溶液淬火介質(zhì)淬火時(shí)在工件表面形成由水 玻璃包圍的蒸氣膜 , 工件淬火冷卻速度比較緩慢 , 當(dāng)轉(zhuǎn)入對(duì)流 階段后 , 工件表面附著一層水玻璃 , 工件冷卻也比較緩慢 。所 以試驗(yàn)中 , 選用模數(shù) 23的水玻璃分別配制成密度 = 1110、 1115、 1120、 1125、 1130g/cm 3的淬火介質(zhì) , 奧氏體化溫 度初定為 880 , 用 20mm ×20mm ×100mm 的沖擊試樣和 <40mm ×30mm 的硬度試樣進(jìn)行淬火試驗(yàn) , 結(jié)果如圖 2所示 , 從圖中可明顯看出 , 當(dāng) =11151120g/cm 3時(shí)可獲得滿意的 結(jié)果

15、。圖 2 淬火介質(zhì)密度對(duì)硬度和沖擊韌度的影響Fig. 2 E ffect of the density of quenchant on hardness and impact toughness 試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn) , 淬火介質(zhì)的溫度對(duì)熱處理的效果也有明 顯的影響 , 淬火介質(zhì)最佳使用溫度為 3080 , 若溫度過(guò)低 , 則試樣會(huì)出現(xiàn)裂紋 , 溫度過(guò)高 , 則硬度偏低 。另外 , 淬火介質(zhì) 與淬火工件的比例也是一個(gè)重要參數(shù) , 試驗(yàn)表明 , 合適的比例 為 (58 1。 若淬火介質(zhì)太少 , 則淬火介質(zhì)溫度急劇上升 , 影 響試樣硬度 。3 奧氏體化溫度的選擇及其對(duì)組織和 性能的影響 將淬火介質(zhì)的密度

16、配成 11151120g/cm 3, 溫度控制在 3080 , 分 別 將 沖 擊 試 樣 、 硬 度 試 樣 在 860 、 880 、 900 、 930 進(jìn)行奧氏體化 , 保溫 115h , 淬火后測(cè)定其沖擊韌 度和硬度 , 其結(jié)果如圖 3。 由圖 3看出 , 奧氏體化溫度在 890 910 時(shí) , 硬度和沖擊韌度將獲得良好配合。 從 860900 , 隨 奧氏體化溫度升高 , 硬度和沖擊值均上升 , 這是因?yàn)殡S奧氏體 化溫度的升高 , 奧氏體中含碳量和合金元素固溶量就越多 , 提 高了奧氏體的穩(wěn)定性 , 因而提高淬透性 , 使獲得的奧氏體和 馬 氏體增加 ; 但若溫度過(guò)高 (91093

17、0 以上 , 硬度和沖擊韌圖 3 奧氏體化溫度對(duì)硬度和沖擊韌度的影響Fig. 3 E ffect of austenitizing temperature onhardness and impact toughness83金屬熱處理 2002年第 27卷第 3期 度均下降 。 另外 , 過(guò)高的奧氏體化溫度 , 使淬火應(yīng)力增加 , 淬 火裂紋傾向增大 。 奧氏體化溫度的確定 , 還應(yīng)考慮鑄態(tài)組織的狀況 , 若鑄態(tài) 組織中存在較多的碳化物 , 應(yīng)適當(dāng)提高奧氏體化溫度和延長(zhǎng) 保溫時(shí)間 , 促進(jìn)碳化物的分解 , 減少淬火后組織中的碳化物 。 試驗(yàn)表明 , 當(dāng)鑄態(tài)組織中存在較多鐵素體時(shí) , 應(yīng)適當(dāng)提高奧

18、氏 體化溫度和延長(zhǎng)奧氏體化時(shí)間 , 使鐵素體溶解并充分使奧氏 體均勻化 , 從而保證淬火后性能 。4 回火溫度的選擇及其對(duì)組織和性能 的影響 將淬火后的試樣進(jìn)行回火處理 , 以消除淬火應(yīng)力 , 穩(wěn)定組 織 , 提高材質(zhì)的綜合性能 。回火溫度分別為 200 , 250 , 275 ,300 和 350 , 對(duì)沖擊試樣 、 硬度試樣保溫 2h , 空冷后 測(cè)定其性能 , 回火溫度對(duì)硬度和沖擊韌度的影響見(jiàn)圖 4, 從圖 中可看出 , 隨著回火溫度的升高 , 硬度下降 , 沖擊韌度略有提 高 。 這是因?yàn)殡S著回火溫度的提高 , 貝氏體中碳的活度增加 , 在貝氏體晶粒內(nèi)析出 碳化物 ,使硬度下降 , ,

19、表明 ,圖 4 回火溫度對(duì)硬度和沖擊韌度的影響Fig. 4 E ffect of tempering temperature onhardness and impact toughness5 磨球熱處理工藝實(shí)踐511 磨球熱處理工藝依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果 , 制定出 <80mm 磨球熱處理工藝為 880920 , 保溫 3h 后在 =1115g/cm 3的水玻璃水溶液中 淬火 , 然后在 250300 保溫 3h 進(jìn)行回火處理 , 經(jīng)以上熱處 理后的磨球的金相組織見(jiàn)圖 5。512 磨球的硬度和沖擊韌度從處理后的磨球上分別取 10mm ×10mm ×70mm 的硬度 和 10

20、mm ×10mm ×55mm 沖擊韌度試樣 , 其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 2。 513 磨球的沖擊疲勞試驗(yàn)取 20個(gè) <80mm 磨球裝入跌落高度 315m 的 MQ 型磨球圖 5 <80mm 磨球熱處理后的組織 ×500Fig. 5 Structure of <80mm mill ball afterheat treatment ×500表 2T able 2 b all洛氏硬度 試樣號(hào)沖擊韌度 / -24913191610511729132052193101130531841119跌落試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行磨球沖擊疲勞試驗(yàn) , 跌落次數(shù)達(dá) 20000次 時(shí)仍沒(méi)有發(fā)生疲勞剝落失效和破碎失效 。6 結(jié)論 (1 試驗(yàn)的抗磨球墨鑄鐵在連續(xù)冷卻條件下可獲得以貝 氏體為主的基體 。 淬火介質(zhì)密度為 =11151120g/cm 3, 溫 度為 3080 的水玻璃水溶液 , 淬火介質(zhì)的量為淬火工件