稀土變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵錘頭組織和耐磨性能的影響

1、Vol.26No.1安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第26卷第1期January2009J.of Anhui University of Technology(Natural Science2009年1月文章編號(hào):1671-7872(200901-0032-03稀土變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵錘頭組織和耐磨性能的影響湯帥,斯庭智,張慶安(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002摘要:探討在相同試驗(yàn)條件下,稀土變質(zhì)劑加入量對(duì)高鉻鑄鐵錘頭組織、硬度和耐磨性的影響。結(jié)果表明,加入稀土變質(zhì)劑能細(xì)化組織,鑄態(tài)錘頭的碳化物由魚骨狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀,熱處理態(tài)錘頭的碳化物由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀。加入稀土變質(zhì)劑能提高錘頭的

2、硬度和耐磨性,當(dāng)加入量高于0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)硬度和耐磨性提高的程度減小。關(guān)鍵詞:高鉻鑄鐵;稀土變質(zhì)劑;顯微組織;硬度;耐磨性中圖分類號(hào):TF325.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AInfluence of RE Modification on the Hardness and Wear Resistance ofHigh-Chromium Cast Iron HammerheadTANG Shuai,SI Ting-zhi,ZHANG Qing-an(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma&#

3、39;anshan243002,ChinaAbstract:The influences of RE modification on the microstructure,hardness and wear resistance of high-chromium cast iron hammerhead were investigated.The results showed that the microstructure of high-chromium cast iron was refined by the addition of RE modification.The shape of

4、 the carbides of as-casted hammerhead changed from fish-bone to bulk,while that of the heat-treated hammerhead changed from strip to particle.The hardness and wear resistance of high-chromium cast iron were both improved by the addition of the RE modification.However,the increase degree reduced when

5、 the addition content is higher than0.3%(weight fraction.Key words:high-Chromium cast iron,RE modification;microstructure;hardness;wear resistance高鉻鑄鐵是一種良好的耐磨材料,適用于各種高應(yīng)力磨料磨損的工況條件,廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、采礦及礦產(chǎn)品加工等行業(yè)。高鉻鑄鐵錘頭有較高的硬度,但韌性偏低,不能用于制造高沖擊力、高應(yīng)力狀態(tài)下的中、大型錘頭,應(yīng)用受到很大限制1,2。一般采用提高C,Cr含量或者懸浮鑄造等方法實(shí)現(xiàn)高鉻鑄鐵在錘頭上的應(yīng)用3-5。但是C,

6、Cr含量增加導(dǎo)致碳化物數(shù)量提高,在高鉻鑄鐵中出現(xiàn)粗大的初生碳化物,韌性急劇下降,在鑄造生產(chǎn)時(shí)因裂紋缺陷導(dǎo)致廢品率提高4;懸浮鑄造工藝較復(fù)雜,設(shè)備成本高5。我國擁有豐富的稀土資源,稀土材料廣泛應(yīng)用于冶金和材料工業(yè)。稀土變質(zhì)劑能改善鑄鐵碳化物的形態(tài)與分布,是不降低其強(qiáng)度且能提高其韌性的最簡(jiǎn)便有效的方法6-8。稀土變質(zhì)處理后,鑄鐵凝固出現(xiàn)過冷,初生奧氏體在較大過冷度下結(jié)晶,形核率提高,細(xì)化了初生奧氏體。另一方面,變質(zhì)元素可吸附在碳化物的生長(zhǎng)界面,促進(jìn)碳化物的孤立和分枝。通過稀土變質(zhì)劑和熱處理的聯(lián)合作用,鑄鐵的組織進(jìn)一步細(xì)化,性能進(jìn)一步提高7,9-10。本文重點(diǎn)探討稀土變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵錘頭鑄態(tài)和熱處理

7、態(tài)組織的影響,以及對(duì)熱處理材料硬度和耐磨性的影響。1試驗(yàn)材料和性能測(cè)試收稿日期:2008-09-09作者簡(jiǎn)介:湯帥(1985-,男,江西九江人,碩士生,研究方向:新型鋼鐵材料。.第1期圖1高鉻鑄鐵錘頭的熱處理工藝表1錘頭的化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%試樣C Cr Mn Si P S Mo Cu 稀土變質(zhì)劑1#2.9200.80.5<0.035<0.035 1.00.50.02#2.9200.80.5<0.035<0.035 1.00.50.33# 2.9200.80.5<0.035<0.035 1.00.50.5實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成份如表1。熔煉設(shè)備為50kg 中頻感

8、應(yīng)熔煉爐,采用水玻璃砂造型,用砂輪切割機(jī)切除冒口。鑄件采取的熱處理工藝如圖1所示:加熱到550并預(yù)熱0.5h ;加熱到960,保溫2h 出爐后空冷至室溫;于260回火2h 出爐后空冷至室溫。采用線切割的方法切取金相和性能測(cè)試試樣,試樣尺寸均為12mm ×12mm ×60mm 。高鉻鑄鐵拋光試樣清水沖洗、吹干后,用4%(體積分?jǐn)?shù)硝酸酒精溶液腐蝕,放在光學(xué)顯微鏡下觀察組織形貌并拍照。采用洛氏硬度計(jì)測(cè)量熱處理態(tài)高鉻鑄鐵錘頭硬度。在砂紙上將試樣表面的氧化層磨光,然后進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí),試樣平放在洛氏硬度計(jì)的載物臺(tái)上,選取相互間隔5mm 以上的位置,共測(cè)量7個(gè)值,除去最大值和最小值,將

9、剩下的5個(gè)值平均。在磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試試樣的耐磨粒磨損性能。對(duì)磨材料為石英砂,磨損時(shí),將試樣預(yù)磨10min ,每隔10min 測(cè)量1次質(zhì)量,取平均磨損失重作為評(píng)價(jià)材料耐磨性能的依據(jù)。2結(jié)果與討論2.1顯微組織高鉻鑄鐵中,鉻是主要合金元素。含鉻量在6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同以下時(shí),碳化物為M 3C 型(M 為Fe,Cr 及其它合金元素,其硬度較低(維氏硬度約為1000,呈連續(xù)網(wǎng)狀分布,易于脆斷。含鉻量超過12%(Cr/C>4時(shí),碳化物主要為M 7C 3型,此種碳化物呈桿狀或片狀,斷續(xù)狀分布,硬度較高(維氏硬度約為1600,能大大改善鑄鐵的耐磨性和韌性11。根據(jù)表1可知,文中高鉻鑄鐵中的碳化物應(yīng)

10、為M 7C 3型,這有利于提高材料的綜合性能。高鉻鑄鐵錘頭鑄態(tài)組織(如圖2均為奧氏體+碳化物+少量馬氏體。由圖2可知,稀土變質(zhì)劑的加入使魚骨狀碳化物(1#試樣向塊狀轉(zhuǎn)變(2#試樣,并且其加入量增加,碳化物進(jìn)一步細(xì)化(3#試樣。主要原因是共晶碳化物的長(zhǎng)大擇優(yōu)取向(0001方向。稀土變質(zhì)劑中的表面活性元素在凝固時(shí),有選擇地偏聚在碳化物擇優(yōu)長(zhǎng)大方向,阻礙液相鐵水中的Fe,C,Cr 原子在擇優(yōu)方向的正常生長(zhǎng),降低了碳化物0001方向上的長(zhǎng)大速度。同時(shí)奧氏體伸入液相中的過冷區(qū)生長(zhǎng)并逐漸形成包圍0001方向碳化物的外殼,進(jìn)一步阻礙0001方向碳化物的生長(zhǎng),使碳化物在其它方向增長(zhǎng)成塊狀或分枝12。湯帥等:

11、稀土變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵錘頭組織和耐磨性能的影響33高鉻鑄鐵錘頭經(jīng)熱處理后顯微組織如圖3所示。其組織均為回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體,組織較鑄態(tài)明顯細(xì)化,說明熱處理對(duì)細(xì)化高鉻鑄鐵錘頭組織具有一定的作用。熱處理態(tài)1#試樣組織較粗大,條狀碳化物呈斷續(xù)狀分布,對(duì)基體有一定的割裂作用。2#試樣較1#試樣組織細(xì)化,雖然有少量的條狀碳化物但大多數(shù)為顆粒狀。3#試樣的組織進(jìn)一步細(xì)化,碳化物基本為顆粒狀。由此可知,稀土變質(zhì)劑的加入細(xì)化了基體的組織,改變了碳化物的形態(tài)和分布。這對(duì)材料的硬度和耐磨性產(chǎn)生積極的影響。 2.2硬度和磨損性能稀土變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵錘頭硬度的影響如圖4所示。不加稀土變質(zhì)劑時(shí),1#試樣的洛氏硬

12、度HRC63;當(dāng)稀土變質(zhì)劑加入量為0.3%時(shí)(2#試樣,洛氏硬度為HRC66;當(dāng)稀土變質(zhì)劑加入量為0.5%時(shí)(3#試樣,洛氏硬度為HRC67。說明加入稀土變質(zhì)劑可以提高高鉻鑄鐵的硬度,但稀土變質(zhì)劑添加量超過0.3%時(shí)硬度增加的幅度減小。由此可知,組織細(xì)化與硬度的變化關(guān)系是一致的。稀土變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵錘頭磨粒磨損性能的影響如圖5所示,隨著稀土變質(zhì)劑含量的增加,高鉻鑄鐵的磨粒磨損損失量逐漸降低。未加稀土變質(zhì)劑時(shí)(1#試樣,每10min平均磨粒磨損損失量為34mg;當(dāng)稀土變質(zhì)劑加入量為0.3%時(shí)(2#試樣,每10min平均磨粒磨損損失量為32mg;耐磨性提高了5.9%。3#試樣每10min平均磨粒磨

13、損損失量為31mg,稀土變質(zhì)劑的進(jìn)一步增加對(duì)材料耐磨性改善程度減小。說明稀土變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵錘頭的硬度和耐磨性的影響規(guī)律基本一致。3結(jié)論(1加入稀土變質(zhì)劑使高鉻鑄鐵錘頭中碳化物形狀由魚骨狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變。(2高鉻鑄鐵錘頭熱處理后的組織均為回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體。添加稀土變質(zhì)劑能細(xì)化基體組織,碳化物由條狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變。(3稀土變質(zhì)劑能提高高鉻鑄鐵錘頭的硬度和耐磨粒磨損性能,1#,2#和3#試樣的洛氏硬度分別為HRC63,66和67。2#試樣較1#試樣的耐磨性提高了5.9%。但稀土變質(zhì)劑含量繼續(xù)增加,耐磨性改善程度減小。(下轉(zhuǎn)第38頁(上接第34頁參考文獻(xiàn):1李茂林,毛靜波.國內(nèi)外錘頭耐磨材

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