高鉻鑄鐵抗磨材料性能的研究

山東科技大學(xué)本科生論文

答辯

2012-06-14等離子表面重熔對KmTBCr12耐磨鑄鐵組織和性能的影響匯報人：xx指導(dǎo)老師：xx教授

xx老師匯報內(nèi)容

一、緒論二、實驗材料及實驗方法三、實驗結(jié)果與分析四、結(jié)論五、參考文獻1緒論1.1、引言1.2、高鉻耐磨鑄鐵的組織和成分1.3、本課題研究的目的及意義1.1引言

磨損是造成機械失效的主要原因之一。為了維持各種機械設(shè)備的正常運行，工業(yè)部門經(jīng)常需要投入大量金屬制造易損件，這方面的金屬消耗量是相當可觀的。金屬磨損問題多年來一直是材料科學(xué)技術(shù)工作者關(guān)注的熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代科技的需求，耐磨鑄鐵的作用越來越重要。耐磨鑄鐵有兩種形式，它是根據(jù)兩種不同的磨損形式劃分的。磨損通常存在兩種不同的形式，一種為干式磨損，如軋輥、球磨機磨球以及噴丸機葉片等工件的磨損；另一種為潤滑磨損，如滑塊、軸承以及機床導(dǎo)軌等工件的磨損。用于前一種磨損形式的耐磨鑄鐵為抗磨鑄鐵，用于后一種形式的耐磨鑄鐵為減磨鑄鐵。鉻系白口鑄鐵就是抗磨鑄鐵的一種。高鉻鑄鐵屬于耐磨鑄鐵中的抗磨白口鑄鐵，它是現(xiàn)今性能最好，應(yīng)用最廣泛的一種合金鑄鐵。但隨著科技的發(fā)展，其耐磨性漸漸跟不上工業(yè)發(fā)展的步伐。進一步提高高鉻鑄鐵的耐磨性能，已成為目前耐磨材料研究的熱點之一。減少金屬磨損，總體上有兩種途徑：一是改善零件的服役條件，盡量減少外界對零件的傷害；二是設(shè)法提高零件材料本身的抗磨能力。為提高材料的抗磨能力，主要通過熱處理工藝、表面技術(shù)來實現(xiàn)。本實驗采用等離子表面重熔處理工藝，改善高鉻耐磨鑄鐵表層組織，優(yōu)化其耐磨性能，同時不改變內(nèi)部基體的組織、成分，探索新工藝對高鉻耐磨鑄鐵組織和性能的影響。1.2高鉻耐磨鑄鐵的組織和成分（1）高鉻耐磨鑄鐵的組織

高鉻鑄鐵的w（Cr）為12%~30%，KmTBCr12、KmTBCr15Mo、KmTBCr20Mo、KmTBCr26都是高鉻白口鑄鐵。高鉻鑄鐵的重要組織特點是基體上均勻分布著M7C3型鉻碳化物，即（Fe，Cr）7C3型合金滲碳體，這種共晶碳化物為六角形桿狀級曲面板條狀,呈斷網(wǎng)狀分布。據(jù)北京工業(yè)大學(xué)子澎教授研究，M7C3型鉻碳化物的硬度為1200~1600HV，其韌性和耐磨性也較好，組織形態(tài)如下圖所示：

圖1-1

高鉻鑄鐵組織形態(tài)（2）高鉻耐磨鑄鐵的成分及所含主要元素的作用本次實驗所用的材料是KmTBCr12，除Fe外，其所含主要元素為C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo、Cu。各元素的作用如下：①碳和鉻的作用：碳:碳是影響高鉻白口鑄鐵韌性最大的元素。由于碳與鐵、鉻、鉬等元素形成碳化物為高硬度相,如果它們呈網(wǎng)狀分布,更會加劇脆性,因此,高鉻抗磨鑄鐵的韌性主要取決于組織中的碳化物數(shù)量、形態(tài)、分布、大小。增加碳量,可增加碳化物的數(shù)量,但會降低韌性和淬透性,熱裂傾向增大。因此碳不能過高,一般認為Cr/C為4~8時,耐磨性較好。鉻:當鉻量超過10%時,則形成M7C3型碳化物,而不是在低鉻所形成的M3C型碳化物。但是,其最重要的變化就是在含鉻量高時形成M7C3型碳化物被奧氏體或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物所包圍。高鉻鑄鐵中的M7C3型碳化物呈斷續(xù)分布的桿狀或塊狀、顆粒狀,而不是呈一般白口鑄鐵中的連續(xù)狀基體或網(wǎng)狀。因此,高鉻鑄鐵在具有高耐磨性的同時,也具有相當?shù)捻g性。另一重要變化則是M7C3型碳化物[即(Cr,Fe)7C3的硬度(1500~1800HV)比M3C型碳化物[即(Cr,Fe)3C]的硬度(1060~1240HV)要高。②合金元素的作用鉬:鉬可溶于碳化物和基體中,溶入基體的鉬能極大地提高淬透性,對厚壁鑄件可抑制珠光體的形成。加鉬能增加相當數(shù)量的M7C3相,并形成高硬度的Mo2C。錳:錳既能進入碳化物又溶解于金屬基體中。錳、鉬聯(lián)用能改變鉬在碳化物和基體中的分配比,顯著提高淬透性。但錳強烈降低Ms點,穩(wěn)定奧氏體。因此,錳含量不宜過多,一般小于1%。硅:硅是非碳化物形成元素,它降低淬透性,有可能出現(xiàn)鐵素相,過多的硅將使韌性下降,并且在磨損過程中出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。但硅可以提高Ms點,減少殘余奧氏體量,并起到脫氧作用,故硅一般被控制在03%~08%。銅:銅可提高淬透性。特別是當銅、鉬共存時,提高淬透性效果更顯著。銅能使碳化物變細和不連續(xù),使基體的被割裂現(xiàn)象減輕,韌性提高。但銅穩(wěn)定奧氏體,延遲二次碳化物的析出。由于銅是非碳化物形成元素,銅的加入量過多時,會在枝晶富集析出,反而對韌性產(chǎn)生不利影響。1.3本課題研究目的和研究內(nèi)容（1）本課題研究目的

本課題研究目的是研究等離子表面重熔對KmTBCr12耐磨鑄鐵組織和性能的影響，以期該實驗對高鉻耐磨鑄鐵表層組織影響較大，進一步提高高鉻耐磨鑄鐵的耐磨性。（2）主要研究內(nèi)容

研究內(nèi)容分為組織和性能兩部分，組織通過物相分析和金相組織觀察來鑒定，而性能是通過硬度和耐磨性來確定，實驗分為顯微硬度實驗和磨粒磨損實驗。2實驗材料及實驗方法1實驗材料2試樣制備及實驗方法2.1實驗材料

本次實驗所用的材料是KmTBCr12，其成分如下表所示表2-1KmTBCr12化學(xué)成分2.2試樣制備及實驗方法鑄鐵板100×60120×60重熔60A70A50A基體8×8×856×25.5×7金相觀察XRD顯微硬度SEM磨粒磨損▲注意：在上圖中，基體代表未經(jīng)等離子重熔處理的KmTBCr12耐磨鑄鐵，50A、60A、70A分別代表經(jīng)等離子電流50A、60A和70A重熔處理后的試樣。3實驗結(jié)果及分析3.1基體及重熔層的組織特征3.2性能檢測與分析3.1.1物相分析基體70A60A50A3.1.2組織特征

（1）金相組織

基體50A60A70A（2）SEM形貌3.2性能檢測與分析

3.2.1熔凝電流對KmTBCr12耐磨鑄鐵硬度的影響

相對于不用的組織，其維氏硬度不同，以基體（未經(jīng)等離子表面重熔處理的KmTBCr12高鉻耐磨鑄鐵）為例，如下圖所示，馬氏體的顯微硬度值明顯高于奧氏體的顯微硬度值。

341.2HV

633.3HV

643.4HV

⑴基體及重熔層顯微硬度為了提高實驗的精確性，每組實驗做了5次，各組試樣顯微硬度值由平均值決定，其值大小見下表：從上表可以看出，經(jīng)過等離子表面重熔實驗后，KmTBCr12的顯微硬度顯著提高。原因是因為其組織發(fā)生了很大變化，重熔后，組織中先共晶奧氏體相轉(zhuǎn)變成馬氏體，強硬度增加。但是，當重熔時等離子電流大小不同，試樣的顯微硬度大小也不同，從上表可以看出，當?shù)入x子電流為60A時，高鉻耐磨鑄鐵的顯微硬度最好。其原因是，重熔處理可以使奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,馬氏體的硬度大大高于奧氏體，而且馬氏體可以為碳化物提供更加強有力的支撐,阻止碳化物在磨損時斷裂和剝落,從而大大改善材料的硬度和耐磨性能。⑵試樣重熔層熱影響區(qū)硬度值變化50A70A上面兩圖分別為50A試樣和60A試樣熱影響區(qū)顯微硬度值變化趨勢圖，從圖中可以看出，對于50A試樣，由熱影響區(qū)向基體其顯微硬度值變化成降低趨勢，在900μm和1200μm出現(xiàn)兩個峰值，原因可能是打點時打在了硬度值較高的合金滲碳體上，其大小并不能反映整個試樣熱影響區(qū)硬度值的整體情況。而對于70A試樣，其硬度值變化成起伏上升趨勢，原因是電流過大而引起試樣熱影響區(qū)組織過熱，晶粒吸收能量長大所致。

3.2.2試樣耐磨性能探究——磨粒磨損實驗

實驗參數(shù)：水和砂的比例為1：1.5，重量分別為500g和750g；磨損機器轉(zhuǎn)速250r/min。每1000r稱量一次磨損試樣重量，實驗結(jié)果如下所示。以轉(zhuǎn)數(shù)為橫坐標，磨損失重為縱坐標，將表二轉(zhuǎn)化成圖形4結(jié)論

本文研究了等離子表面重熔技術(shù)對KmTBCr12高鉻耐磨鑄鐵組織和性能的影響，通過文獻查閱和實驗分析，得出以下結(jié)論：⑴經(jīng)過等離子表面重熔技術(shù)處理后的KmTBCr12高鉻耐磨鑄鐵基體，組織分為兩個區(qū)域：重熔區(qū)和基體。基體的主要組織由萊氏體（奧氏體+滲碳體）和(Cr,Fe)3C組成

；而重熔層組織由馬氏體、γ相、(Cr,Fe)3C和(Cr,Fe)7C3組成。⑵由于重熔層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變和先共晶奧氏體組織的變化，導(dǎo)致其性能發(fā)生變化，顯微硬度相對于基體提高了160—500HV，耐磨性能也得到改善。⑶通過實驗數(shù)據(jù)表明，當?shù)入x子控制電流為60A時，重熔層的性能最優(yōu)，顯微硬度相對于基體提高了近500HV。5參考文獻[1]趙宇，楊立松，陳莉.Cr12鑄鐵淬火＋回火工藝的研究.現(xiàn)代鑄鐵，2005，10，3（5），55～62[2]王玉磊，劉俊友，劉杰，姜錦程.Cr含量對鉻硅錳合金耐磨鑄鐵性能的影響.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2009，4（5），42～52[3]潘璋，董選普，黃齊文.ZL104鋁合金等離子表面重熔處理.鑄造，2012，5（2），50～59[4]吉建立，王鐵旦，周榮鋒，蔣業(yè)華，周榮.半固態(tài)高鉻鑄鐵重熔過程中初生碳化