钒对高铬铸铁组织及性能的影响毕业设计论文 精品.docx
《钒对高铬铸铁组织及性能的影响毕业设计论文 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钒对高铬铸铁组织及性能的影响毕业设计论文 精品.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
钒对高铬铸铁组织及性能的影响毕业设计论文精品
摘要
高铬铸铁因其优越的性能而受到越来越广泛的重视。
高铬铸铁相对合金钢有优良的耐磨性，相对一般白口铸铁有高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，所以被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。
本文就高铬铸铁的铸造及性能进行了比较系统的研究，首先设计高铬铸铁的成分进行铸造，然后利用金相显微镜对试样的组织形态、化学成分、物相组成进行了分析，最后通过硬度测试，冲击实验进行性能检测。
结果表明，高铬铸铁的组织主要由基体和碳化物组成，基体的相是主要奥氏体另外还有部分马氏体，而碳化物主要是Cr7C3。
高铬铸铁的硬度及耐磨性都比较高。
关键词：
高铬铸铁；铸造；耐磨性；摩擦磨损；
Abstract
Becauseofitssuperiorperformance, highchromiumcastironattractedmoreandmoreattention.Highchromiumcastironhasmoreexcellentwearresistancethan alloysteel ,relativetothegeneralwhitecastironhashighertoughness,strength,atthesametime,italsohasgoodresistancetohightemperatureandcorrosionresistance,andconvenientproduction,lowcost,andisregardedasthebestofcontemporaryantiabrasionmaterial.
Inthispaper,thepropertiesofhighchromiumcastironcastingandcomparesthesystem,firstofallthedesignofhighchromecastironcomponentforcasting,thenbyusingopticalmicroscope,scanningelectronmicroscope,onthesampletissuemorphology,chemicalcomposition,phasecompositionareanalyzed,finally,hardnesstestfrictionandimpacttest,performancetesting.
Theresultsshowthat,thestructureofhighchromiumironismainlycomposedofabaseandcompositionofcarbide,matrixphaseisthemainpartofausteniteandmartensite,andthecarbideisCr7C3.Thehardnessofhighchromiumcastironandthewearresistanceishigher.
Keywords:
highchromiumcastiron;casting;wearresistance;frictionandwear.
不要删除行尾的分节符，此行不会被打印
第1章绪论
1.1课题的目的、意义
高铬铸铁是本世纪三十年代发展起来的一种新型耐磨材料，因含有较高的铬，因此它具有较高的硬度和较小的硬度梯度、高的耐磨性、高的回火稳定性和抗腐蚀性。
目前已广泛应用于冶金、建材和电力等行业，并取得了显著的效果，在矿山行业也显示了诱人的应用前景。
所以提高高铬铸铁的硬度和冲击韧性一直是各位学者的工作方向。
1.1.1课题的目的
本课题根据钒能改变共晶碳化物的类型、改善碳化物形态，从而使铸铁韧性及耐磨性提高为依据，设计和制订了热处理工艺。
为使高铬铸铁具有优越的性能，研究热处理工艺与成分、冷却速度与组织、硬度和冲击韧性之间的关系，并在理论上给予一定的分析。
1.1.2课题的意义
高铬铸铁在磨损场合具有重要的优越性，已经在国民经济的各个行业中得到了重要的应用。
这主要是因为高铬铸铁在经过适当的热处理工艺和合金变质处理以后获得强韧的基体组织和高硬度的M7C3碳化物（HV=1300—1800）.国内外许多单位开始选用高铬铸铁作为建筑机械搅拌机衬板材质。
但高铬铸铁属于脆性材料，韧性较差。
因此如何获得高硬度的M7C3碳化物并使高铬铸铁的硬度和韧性达到良好的配合，提高耐磨性，一直是国内外研究的主要课题。
本课题主要研究在控制高铬铸铁基本成分的基础上，通过加入不同量的钒元素，经适当的热处理工艺后，高铬铸铁中碳化物的形态、数量、分布硬度以及耐磨性能与组织结构之间的关系。
1.2课题背景
1.2.1课题背景
高铬铸铁是继普通白口铸铁﹑镍硬铸铁发展起来的第三代耐磨材料。
由于高铬铸铁自身组织的特点，使得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的韧性、高温强度、耐热性和耐磨性等性能。
高铬铸铁已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，并日益得到广泛应用。
高铬铸铁的良好的耐磨性主要取决于其基体组织和碳化物的类型及分布特点。
高铬铸铁是以Fe，Cr，C为基本成分的多元合金。
刚凝固下来的高铬铸铁中基体是奥氏体，这种奥氏体在加热至较高的温度下才是稳定的，而且被C、Cr等元素所饱和。
当温度降低时，奥氏体将发生转变。
通常条件下，高铬铸铁呈现以奥氏体为主的多相组织，这种组织的铸铁在高温下使用，更能发挥材质本身的潜能。
高铬铸铁是含铬量在12%-28%之间的铬系白口铸铁，由于铬的大量加入使得白口铁中的M3C型碳化物变成M7C3型碳化物。
这种合金碳化物很硬，赋予了高铬铸铁良好的耐磨性。
另一方面，在凝固过程中M7C3型碳化物呈杆状孤立分布，使得高铬铸铁的韧性有了一定程度的改善。
1.3文献综述
1.3.1高铬铸铁
高铬白口抗磨铸铁（以下简称高铬铸铁）是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。
它以比合金钢高得多的耐磨性，和比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。
高铬铸铁属金属耐磨材料、抗磨铸铁类铬系抗磨铸铁的一个重要分支，是继普通白口铸铁、镍硬铸铁而发展起来的第三代白口铸铁。
早在1917年就出现了第一个高铬铸铁专利。
高铬铸铁一般泛指含Cr量在11-30%之间，含C量在2.0-3.6%之间的合金白口铸铁。
我国抗磨白口铸铁国家标准（GB/T8623）规定了高铬白口铸铁的牌号、成分、硬度及热处理工艺和使用特性。
其典型成分及工艺如下表：
表1-1高铬铸铁的牌号及化学成分（GB/T8623）%[6]
牌号
C
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
Cu
P
S
KmTBCr12
2.0-3.3
≤2.0
≤1.5
≤2.5
11.0-14.0
≤3.0
≤1.2
≤0.10
≤0.06
KmTBCr15Mo
2.0-3.3
≤2.0
≤1.2
≤2.5
11.0-18.0
≤3.0
≤1.2
≤0.10
≤0.06
KmTBCr20Mo
2.0-3.3
≤2.0
≤1.2
≤2.5
18.0-23.0
≤3.0
≤1.2
≤0.10
≤0.06
KmTBCr26
2.0-3.3
≤2.0
≤1.2
≤2.5
23.0-30.0
≤3.0
≤1.2
≤0.10
≤0.06
表1-2高铬铸铁的硬度（GB/T8623）
牌号
铸态或去应力处理
硬化态或硬化态去应力处理
软化退化态
HRC
HBW
HRC
HBW
HRC
HBW
KmTBCr12
≥46
≥450
≥56
≥600
≤41
≤400
KmTBCr15Mo
≥46
≥450
≥58
≥650
≤41
≤400
KmTBCr20Mo
≥46
≥450
≥58
≥650
≤41
≤400
KmTBCr26
≥46
≥450
≥56
≥600
≤41
≤400
表1-3高铬铸铁件热处理规范（GB/T8623）[7]
牌号
软化退火处理
硬化处理
去应力处理
KmTBCr12
920-960ºC保温1-8h,缓冷至700-750ºC保温4-8h,冷至600ºC以下出炉空冷或炉冷
920-980ºC保温2-6h，出炉空冷
200-300ºC保温2-8h，出炉空冷或炉冷
KmTBCr15Mo
920-960ºC保温1-8h,缓冷至700-750ºC保温4-8h,缓冷至600ºC以下出炉空冷或炉冷
920-980ºC保温2-6h，出炉空冷
200-300ºC保温2-8h，出炉空冷或炉冷
KmTBCr20Mo
960-1000ºC保温1-8h,缓冷至700-750ºC保温4-10h,缓冷至600ºC以下出炉空冷或炉冷
960-1020ºC保温2-6h，出炉空冷
200-300ºC保温2-8h，出炉空冷或炉冷
KmTBCr26
960-1060ºC保温2-6h，出炉空冷
美国高铬铸铁执行标准为ASTMA532M，英国为BS4844，德国为DIN1695，法国为NFA32401。
俄罗斯在前苏联时期曾研制了12-15%Cr、3-5.5%Mn，壁厚达200mm的球磨机衬板，现执行ҐOCT7769标准[8]。
特别值得一提的是在近一个世纪里，曾为抗磨白口铸铁做出了卓越贡献的美国克莱梅克斯（Climax）钼业公司。
1928年该公司首先发明了镍硬铸铁，把抗磨铸铁科技推向了一个空前高度。
1974年为纪念国际GIFA，在杜赛尔多夫展览会上展示了名为“神秘1号”和“神秘2号”[9]。
即经典的高铬抗磨铸铁153（Cr15Mo3）和1521（Cr15Mo2Cu），现如今克莱梅克斯公司执行高铬铸铁标准如下：
表1-4美国Climax钼公司规定的高铬铸铁成分（质量分子数）%
成分
牌号
12-1
15-3
15-2-1
20-2-1
超高碳
高碳
中碳
低碳
C
3.0-3.5
3.6-4.3
3.2-3.6
2.8-3.2
2.4-2.8
2.8-3.5
2.6-2.9
Cr
11-14
14-16
14-16
14-16
14-16
14-16
18-21
Mo
0.5-1.0
2.5-3.0
2.5-3.0
2.5-3.0
2.4-2.8
1.9-2.2
1.4-2.0
Cu
＜1.0
-
-
-
-
0.5-1.2
0.5-1.2
Mn
0.5-0.8
0.7-1.0
0.7-1.0
0.5-0.8
0.5-0.8
0.6-0.9
0.6-0.9
Si
0.5-0.8
0.3-0.8
0.53-0.8
0.3-0.8
0.3-0.8
0.4-0.8
0.4-0.9
S
＜0.05
＜0.05
＜0.05
＜0.05
＜0.05
＜0.05
＜0.05
P
＜0.10
＜0.10
＜0.10
＜0.10
＜0.10
＜0.06
＜0.06
空冷时不出现珠光体的最大断面（mm2）
-
70
90
120
200①
＞200
硬度HRC
铸态
60-67
51-56
50-54
44-48
50-55
50-54
淬火
62-67
60-65
58-63
60-67
60-67
退火
40-44
36-42
35-40
40-44
38-43
注：
①碳含量为下限时，大断面中可能出现贝氏体。
1.3.2组织结构
普通白口铸铁的共晶组织一般为莱氏体形:
A-Fe3C,渗碳体在A的枝晶间的孔隙中发芽生长,形成了以渗碳体为基础的蜂窝状的莱氏体组织。
高铬铸铁组织中,随Cr含量的增加,片状的（Fe,Cr）3C向三角形的（Cr,Fe）7C3转变,引起了共晶团形态发生了根本的变化。
共晶A在共晶区域（A+M7C3+L）内以共晶碳化物M7C3为领先相,以初生A为结晶界面成核长大,并保留了碳化物晶体的锥体形状,最终组织为Cr的碳化物以紧密的层状或纤维状分布在A或A的转变产物中,呈现菊花的放射状共晶团构成[10]。
（1）铸态组织：
高铬铸铁在铸态时组织为（Cr,Fe）7C3和金属基体组成,由于成分和冷却速度的不同,金属基体可以是铁素体、奥氏体或马氏体以及它们的混合组织。
高铬铸铁中含Cr高,使碳化物非常稳定,即使在十分缓慢的冷却时,也不可能产生石墨化。
高铬铸铁的碳化物析出过程非常缓慢,就导致了凝固时形成的A常常过饱和C和Cr,并且非常稳定,当温度降到1175℃时,出现了四相包晶反应平台,但在此平台温度以下,仍然得到A相和碳化物相[11]。
继续冷却时,Cr的碳化物不断从A中析出,减少了A中的合金含量和稳定性。
当达到共析转变温度范围（760～595℃）以下时,不稳定的A依据冷速可以转变成珠光体、贝氏体或马氏体。
然而,既使在高温时碳化物的析出也是很慢的,在中等冷速、室温时仍可能有显著数量的过饱和A残留。
高铬铸铁的铸态组织为A+M,碳化物为菊花状的M7C3型。
残余奥氏体数量较多。
在组织中有许多类似夹杂物的黑块,经高倍组织观察,发现仍然是初生的A相的转变产物,里边有析出的颗粒状碳化物,可能是先期转变组织发生自回火的结果。
（2）热处理组织：
高铬铸铁要想获得全M组织,只有经过热处理才能达到。
高铬铸铁的热处理有高温热处理、亚临界热处理等[12]。
高温热处理组织：
高温热处理是将其加热到A化温度以上保温,然后空冷的热处理。
通过A化温度以上保温使原转变的产物再回转变成A,同时从A中析出细的次生碳化物,动摇A的稳定性,从而确保全部或大部分A转变为M这种理想的组织。
高温热处理的组织中,基体组织为M和少量残余奥氏体,另布有细颗粒二次碳化物。
亚临界热处理组织：
亚临界热处理为加热到400～600℃保温,基体中首先析出细小的特殊碳化物,使A中C及其它合金元素下降,提高了Ms点,在随后的冷却过程中,A转变为M,产生二次淬硬现象,使残余奥氏体减少,硬度提高。
亚临界热处理特别适用于铸态为A-M基体的厚大件。
亚临界热处理后的组织中可见A逐步转变为M[13]。
1.3.3各元素的作用
高铬铸铁的组织和性能实际上取决于铬和碳的含量,高碳低铬碳化物为M3C,低碳高铬碳化物为M23C6,碳与铬适当配合则可得M7C3。
M7C3的硬度达1200～1800HV,六方晶系。
这种碳化物孤立分布,呈杆状和片状,对基体的割裂作用较小,铸铁的韧性较好。
碳量决定碳化物数量。
提高含碳量,增加碳化物数量,提高耐磨性。
但基体中固溶合金元素减少,使基体得不到强化,引起淬透性降低。
据马乌利科夫等人的研究,高铬铸铁含碳量与耐磨性的关系（如图1所示）:
①淬火态耐磨性优于铸态,②无论是淬火态或铸态,耐磨性先是随含碳量增加而提高,含碳量达到3%时耐磨性最佳,进一步提高含碳量耐磨性逐渐低。
图1-1耐磨性与碳含量的关系
铬量决定碳化物类型，高铬铸铁具有优越的耐磨性主要是显微组织中含有较多的M7C3碳化物。
在碳化物与耐磨性的关系中，耐磨性也是先随碳化物量增加而提高，当碳化物量增加到30%时，耐磨性的提高就不明显了。
碳化物含量（质量分数）可用下式估算：
碳化物含量（质量分数）（%）=12.33【W（C）】+0.55【W（C）】-15.2%[14]
铬除与碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奥氏体中提高淬透性，当碳量不变增加铬量，或铬量不变降低碳量，均能使淬透性提高。
硅：
硅是钢铁材料中的常存元素，从几个方面影响高铬铸铁的凝固组织。
硅减少共晶反应温度范围，缩小固-液两相共存区，使共晶碳化物变得较为细化，分布更为弥散化。
含硅2%以上的高铬铸铁，大部分共晶碳化物趋于孤立状态。
另外，硅使共晶含量降低，导致碳化物增加。
硅固溶于奥氏体或铁素体中，产生固溶强化作用。
对高铬铸铁中的奥氏体转变产物的硬度测定表明:
硅特别有助于提高马氏体型转变产物的硬度。
在不同的冷速下冷却的铸件中，基体硬度均随含量的提高而上升。
硅的固溶强化作用强于锰、镍、铬、钨钼、钒。
能显著提高奥氏体中奥氏体及其转变产物的弹性极限、屈服强度、屈服比以及疲劳强度。
这些强度性质的改善，对于提高材料的抗磨能力是有益的。
溶于奥氏体中的硅可减少铬的溶解量。
因而，亚共晶高铬铸铁含碳量较高时，共晶碳化物的含铬量增加。
这对于既有M7C3型碳化物，又有M3C型碳化物的高铬铸铁来说，将使M3C型碳化物增加[15]。
选用含硅量较高的高铬铸铁时，还应注意的一个问题是:
硅会使材料的脆性转变温度提高。
特别是制造承受冲击载荷的零件更应注意这个问题。
一般铬系抗磨材料的含硅量是0.6%～1.5%。
锰：
在高铬铸铁中锰既是常存元素也是有用的合金元素，锰对高铬铸铁凝固过程的主要影响是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固温度范围。
由于锰对凝固过程的这些影响，使含锰较高的高铬铸铁初生奥氏体枝晶细化，数量增加，相应地减少了共晶组织的尺寸。
锰还可以提高高铬铸铁的回火抗力。
随含锰量的增加，最高回火硬度有降低的趋势，而且达到最高回火硬度所需的时间增加。
存在于奥氏体中的锰有推迟铬原子扩散的倾向，这说明锰量越高达到最高回火硬度所需时间也越长的原因。
铬、锰含量较高的奥氏体组织，具有较好的韧性、塑性和加工硬化性质。
在冲击载荷或压应力作用下，容易诱发成马氏体使工件表面形成硬化层，提高抗磨能力。
锰推迟珠光体转变孕育期。
但在一定条件下，对贝氏体转变却有促进作用。
调整高铬铸铁的铬碳比、硅锰比（提高硅含量）、控制合适的加锰量，还可以通过热处理（铸件奥氏体化后空冷）手段制造出具有奥氏体－贝氏体组织的高铬铸铁，这种高铬铸铁的综合的机械性能和抗磨能力都是很好的，故这里选取含Mn:
3.5%～4.0%。
镊：
镍不溶于碳化物，而无限固溶于铁，有扩大铁的奥氏体相的作用，是稳定的奥氏体的主要的合金元素。
在高铬铸铁中，它和铜有相似的作用，有助于降低合金的冷却临界冷却速率，但同时也使Ms点降低，含镍量越高，Ms点越低，含镍量超过1.5%时，铸态组织中过冷奥氏体的存在是难以避免的[16]。
镍降低Ms点的作用弱于锰。
镍是比较稀贵的元素，应该注意节约使用。
一般为少量。
1.3.4高铬铸铁的性能
只有碳化物得到的基体强有力支撑不剥落，软的基体剥落后，硬的质点起到抗磨作用，这种组织才能耐磨。
表1-5淬火温度与硬度的关系
处理方式
宏观硬度（HRC）
微观硬度（HV）
基体
碳化物
未变质＋950℃淬火
56
761
1652.13
未变质＋1000℃淬火
58.6
789
1664.43
未变质＋1050℃淬火
57
766
1658.24
变质＋950℃淬火
60.8
782
1672.35
变质＋1000℃淬火
63
818
1685.43
变质＋1050℃淬火
61
791
1673.62
从上表可以看出变质处理后1000℃淬火时，硬度值最高。
淬火温度较低时，二次碳化物析出较多，平衡奥氏体中C和Cr含量较少，淬成马氏体时马氏体较软，硬度较低；淬火温度过高时，奥氏体达平衡时的C和Cr含量较高，使C曲线右移，空淬时有部分奥氏体残留，从而使硬度降低；只有淬火温度适中，空淬时才能全部淬成马氏体，得到较高的硬度值。
表1-61000℃时淬火试样的硬度和韧度
回火温度/℃
250
350
450
550
硬度（HRC）
64
62.6
61
59
韧度/J·cm-2
4.7
5.1
5.9
4.4
由表1-6看出回火温度可维持到450℃左右，之后硬度便开始下降。
淬火后的高铬铸铁具有很高的抗回火性能，这是因为在450℃马氏体分解导致硬度明显下降；同时马氏体及残留奥氏体中析出碳化物，并有部分残余奥氏体分解，导致硬度升高。
二者共同作用致使硬度下降不明显。
冲击韧度在450℃回火时最好，450℃之前回火转变以马氏体分解为主，从而表现为韧度值增加。
450℃之后回火转变以残留奥氏体的分解为主，韧性下降[17]。
高铬铸铁有着广泛的应用：
高铬铸铁在球磨机上的应用。
球磨机是水泥、电力、矿山等行业研磨工序的主要设备，磨球是球磨机主要易损件之一。
磨球既要有高的耐磨性，又要有高的韧性。
它的耐磨性能高低对生产起着极为重要的作用。
因此提高其硬度、抗冲击性、耐磨性能极为重要。
长治钢铁（集团）公司为了改进铸铁球的致密度，减少热裂，通过加入不同的稀土元素，来改善铸铁球的化学成分和均匀性。
并成功用于生产水泥用的球磨机中，显著提高了磨球的耐磨性。
中国铝业广西分公司检厂已研制成功并投入生产了一种磨球，它是用自行研制的特高铬耐磨合金铸铁制成，由于其具有良好的耐磨性及韧性，用它制作的磨球应用在该公司氧化铝厂原料车间球磨机上，获得了很大的成功。
这种耐磨材料制成的磨球的应用创造出了很好的经济效益，具体可表现为加球量比原来少了一半。
安徽理工大学与淮化集团公司热电厂合作制作的高铬铸铁磨球在淮化集团热电厂Φ3.2m球磨机使用，停机开仓检查无明显破碎变形磨球，破碎率小于0.5%，使用效果良好[1]。
在使用高铬铸铁磨球时，必须考虑到实际工况条件。
尤其是与之相配的衬板必须有足够的硬度，否则磨损过快。
如何处理好磨球硬度与韧性、淬透性与合金元素含量这两对矛盾一直是实际生产中未解决的难题，通常是硬度高则韧性低，破碎率高；合金元素含量高使淬透性提高，但成本增加。
高铬铸铁在渣浆泵上的应用。
渣浆泵在矿山、冶金、火力发电、煤炭、化工和环保等工矿部门广泛应用于输送高浓度渣浆，其四大过流件如蜗壳、叶轮、前护板和后护板等在工作过程中不但承受物料的冲刷磨损，而且还承受浆料的腐蚀作用，运行工况极其恶劣，因此其过流部件成为冶金矿山行业常见的易损件。
国内外渣浆泵过流部件所用材料主要有不锈钢、高铬铸铁和镍硬铸铁。
高铬铸铁是渣浆泵过流件的理想候选材料，通过碳、铬含量水平的调整或选择，可以获得不同工矿条件下过流件的最佳使用效果。
蒋业华等人研究发现，铸态和热处理态两种状态下的Cr28高铬铸铁的腐蚀磨损性能与高铬铸铁标样Cr15Mo3相比都有显著地提高，表现出优越的耐腐蚀磨损性能[2]。
西安交通大学研究的Cr28%左右的高铬铸铁和利用稀土变质处理的高铬铸铁耐冲刷腐蚀性能优越，可望成为渣浆泵过流件的新材料。
改善定向凝固设备和工艺，以制备碳化物定向排列的高铬铸铁，这也是一种值得期待的方法[3]。
高铬铸铁在水泥磨上的应用。
锰铝复合高铬铸铁的水泥磨磨辊衬板，对于厚大件其淬透性、耐磨性都不理想，仅适用于有效截面在100mm-140mm的铸件上。
厚大截面的磨辊衬板需要有一定抗冲击能力的高铬铸铁品种，用于大型水泥立磨。
沈阳重型机械集团有限责任公司开发研制的高铬铸铁衬板，已
升级会员 