熱變形后的冷卻方式對白口鑄鐵組織與性能的影響

1、熱變形后的冷卻方式對白口鑄鐵組織與性能的影響劉建華史增洪張瑞軍楊慶祥王愛榮宋誠忠張煒星摘要對經(jīng)40%熱度變形后不同冷卻方式白口鑄鐵的組織與性能進行觀察,并對其進行了分析,所得結(jié)果對白口鑄鐵的應用具有重要的指導意義。關鍵詞熱變形白口鑄鐵冷卻方式組織性能INFLUENCE OF COOLING MODE AFTER HOT DEFORMATION ONSTRUCTURE AND PROPERTIES OF WHITE CAST IRONLiu JianHuaShi ZhenghongZhang RuiJunYang QianXiangWang AiRongYangShan UniversitySh

2、ong ChengzongZhang WeixinQing Huangdao Plate Co.Ltd of Capital Iron and Steel Corp.Synopsis The structure and properties of white cast iron which was cooled in different modes of cooling after 40% hot deformation are observed,measured and analyzed.Results indicate that it is of great significance fo

3、r applicafion of the white cast iron.Keywordshot deformation white cast ironcooling modestructureproperty1引言白口鑄鐵具有很高的強度、硬度、耐磨性,因而作為耐磨材料被廣泛的應用在水泥、礦山、電力等行業(yè)。由于白口鑄鐵中共晶碳化物以連續(xù)網(wǎng)狀分布,其脆性較大,使其應用受到限制。為了提高白口鑄鐵的綜合機械性能,有人提出用鍛造,軋制等塑性加工方法,使其網(wǎng)狀碳化物破碎,以提高其韌性,近年來人們對白口鑄鐵的鍛造性及影響因素做了大量研究,1、2、3,結(jié)果表明,白口鑄鐵是可以塑性加工,但對其變形后的組織與性

4、能的認識仍不充分,尤其是變形后的冷卻方式對其影響尚未見詳細報道。本文對此進行了探討,為進一步挖掘白口鑄鐵的應用潛力,提供有價值的參考數(shù)據(jù)。2實驗材料與方法2.1實驗材料實驗材料為亞共晶白口鑄鐵,其成分見表1,經(jīng)250kg感應電爐溶煉,澆注成55×60mm圓棒試樣。表1化學成分/%(wt)CSiMnCrPS2.350.610.851.210.0310.0382.2實驗方法將試樣放在RJK813電阻爐內(nèi)加熱到1000保溫40min,在400kg空氣錘上進行平砧間單向鐓粗變形,其變形量為40%,試樣變形后采用以下4種冷卻方式:(1)空冷至820淬入1.2%SST101淬火介質(zhì)中冷卻后再經(jīng)2

5、002h回火；(2)風冷(鼓風機吹風);(3)空冷；(4)變形后放入850電阻爐內(nèi)隨爐冷卻。用NEOPHOJ21光學顯微鏡和KYKY1000B掃描電鏡觀察鑄態(tài)與上述各試樣的金相組織。用計點法4對顆粒狀碳化物的百分含量進行計算。沿垂直于試樣變形方向?qū)㈣T態(tài)和上述各試樣截取尺寸為:10×10×55mm,無缺口沖擊試樣并打洛氏硬度。在MPW萬能磨拋機上進行磨損試驗,其試樣尺寸為:10×10×20mm,外加載荷為1.1kg,磨料為180號剛玉水砂紙,行程為292.5和585m。用萬分之一精度的光電天平測量失重量。(硬度,沖擊韌性,耐磨性的數(shù)據(jù)為取三次試驗結(jié)果的平均

6、值)。用掃描電鏡觀察沖擊斷口和磨損面的形貌。3實驗結(jié)果與分析3.1金相組織白口鑄鐵經(jīng)變形后,網(wǎng)狀共晶碳化物得以破碎,隨冷卻方式不同,其組織也存在差異,其特征,SST101冷卻的試樣,組織為破碎的碳化物+少量顆粒狀碳化物+回火馬氏體,其它幾種方式冷卻的試樣組織為:破碎的碳化物+較多的顆粒狀碳化物+珠光體。其中風冷的顆狀碳化物數(shù)量最少,爐冷的最多。其結(jié)果見圖1、表2。經(jīng)高倍掃描電鏡對基體珠光進行觀察,發(fā)現(xiàn)空冷試樣中層片狀珠光體的尺寸范圍為4.36m,爐冷試樣中層片狀珠光體的尺寸范圍為0.832.2m。見圖2,可見爐冷的珠光體球化較充分。圖1不同冷卻方式下白口鐵金相組織400×a鑄態(tài)bSS

7、T101冷卻c風冷d空冷表2顆粒狀碳化物析出量%(wt)SST101冷卻風冷空冷爐冷5.6516.7421.2524.87圖2白口鐵基體組織a空冷b爐冷白口鑄鐵經(jīng)熱變形在奧氏體內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯等缺陷處,誘發(fā)析出尺寸約為0.002m的顆粒狀碳化物2、5。在隨后冷卻過程中,由于溫度降低,溶解在奧氏體中的碳原子將以碳化物(Fe3C)形式析出,其析出的方式將優(yōu)先依附在已有的顆粒狀碳化物表面上,即使當溫度低于共析點,碳原子仍以上述形式析出6。這樣就使顆粒狀碳化物周圍發(fā)生貧碳而形成鐵素體,即發(fā)生了球化現(xiàn)象。因為殘留的顆粒狀碳化物數(shù)量有限,遠離已有碳化物區(qū)域的碳原子要想依附其表面析出,又受到擴散距離的限制,

8、這部分區(qū)域?qū)⒅饕云瑺钪楣怏w形成機制進行。因此冷卻速度越慢,碳原子擴散越充分,形成顆粒狀數(shù)量越多,基體球化越充分。3.2性能測試3.2.1硬度由實驗結(jié)果表3可見,冷卻方式對其硬度影響較大。其中SST101冷卻的試樣硬度最高,爐冷的硬度最低。其主要原因是SST101冷卻的其基體為馬氏體,而其它幾種方式冷卻的基體組織為珠光體,因珠光體的硬度較馬氏體低。冷卻速度越慢,其球化越充分,其硬度越低。3.2.2沖擊韌性經(jīng)變形后的試樣的沖擊韌性明顯高于鑄態(tài),變形后的冷卻方式對其韌性也有影響,其中,風冷、空冷、爐冷之間差別不大，見表3。表3不同冷卻方式的硬度(HRC)與沖擊韌性(ak)值性能冷卻方式鑄態(tài)SST1

9、01冷卻風冷空冷爐冷HRC44.563.550.54432akJ.cm-22.103.854.504.554.62鑄態(tài)白口鐵中的共晶碳化物以連續(xù)狀存在,對其基體起著分割作用,當受到?jīng)_擊時,在碳化物尖端易產(chǎn)生應力集中,形成裂紋7,隨后裂紋沿碳化物與基體的界面處擴展,導致脆性開裂。而白口鑄鐵經(jīng)高溫熱變形后網(wǎng)狀碳化物得以破碎,形成孤立的塊狀,使基體的連續(xù)性得以保護,當受到?jīng)_擊時,有緩沖作用,從而減輕了應力集中現(xiàn)象。另一方面,基體析出的細小粒狀碳化物阻礙位錯的運動,對裂紋的擴展起著阻礙作用8。從斷口形貌圖3可見,鑄態(tài)斷口特征為典型的脆性斷裂,變形后的斷口特征則出現(xiàn)部分準解理,同時在一些微小區(qū)域因產(chǎn)生塑

10、性變形而形成撕裂嶺。 圖3斷口形貌a鑄態(tài)b空冷從實驗結(jié)果可見,影響沖擊韌性的主要因素是組織中的共晶碳化物的形態(tài)與分布,而冷卻方式相對作用小些。冷卻方式對韌性的影響主要是因冷卻方式不同所得到的基體組織差異所致。3.2.3耐磨性圖4為不同冷卻方式的耐磨性,由實驗結(jié)果可見,其耐磨性的大小順序為,SST101冷卻風冷空冷鑄態(tài)爐冷。經(jīng)分析筆者認為,基體的硬度低于碳化物,其相對耐磨性較碳化物差,在磨損過程中基體組織相對較易磨損,使碳化物凸出表面,凸出的碳化物將受到磨粒的沖擊,經(jīng)反復沖擊下因碳化物與基體的塑變能力不同,所以在碳化物與基體的界面處易產(chǎn)生裂紋,當裂紋擴展到一定的程度形成塊狀剝落,基體硬度越低其與

11、碳化物匹配越差,產(chǎn)生剝落傾向越大,即抗切削能力越差,切削失重越大,因為SST101冷卻的硬度最高,所以其耐磨性最好。圖4不同冷卻方式下的耐磨性從結(jié)果可見鑄態(tài)與空冷中的共晶碳化物以孤立的塊狀分布,使基體的連續(xù)性得以保護,以反復沖擊引起的集力集中及疲勞裂紋的萌生與擴展都起著緩沖與阻礙作用,同時基體上彌欺分布的硬度較高的粒狀碳化物對基體的磨損也起著一定的保護作用。從磨損形貌圖5可見,變形后的白口鑄鐵的磨損特征為:切削溝槽和少量的小塊剝落,且梨溝兩側(cè)有明顯的塑性變形,SST101冷卻的試樣磨損面的切削溝較平淺,且剝落塊也較少。而鑄態(tài)的磨損特征為梨溝與大塊剝落?？梢姲卓阼T鐵的耐磨性不僅與其硬度有關,同時也決定于其的韌性和碳化物的形狀、大小及分布。圖5磨損面形貌600×a鑄態(tài)bSST101冷卻白口鑄鐵作為耐磨材料