陳永生,齊　凱

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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納米顆粒變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵組織和性能的影響

陳永生,齊凱

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

為提高高鉻鑄鐵的韌性和耐磨性能,以15CrMo2Cu1為研究對象,研究納米顆粒變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵組織、硬度、韌性、耐磨性的影響。對變質(zhì)處理前后高鉻鑄鐵的硬度和韌性進行實驗。結(jié)果表明:鑄態(tài)未變質(zhì)的組織中,M7C3型碳化物粗大,變質(zhì)處理后,碳化物尺寸變小,形狀由粗大板條狀變?yōu)樾K狀;熱處理后,變質(zhì)高鉻鑄鐵硬度平均值可達HRC64.15,沖擊平均值可達12.7 J/cm2,提高了耐磨性。

高鉻鑄鐵,納米顆粒變質(zhì)劑,力學(xué)性能

高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、高錳鋼、鎳硬白口鑄鐵之后發(fā)展的第三代耐磨白口鑄鐵,在建材、電力、礦山、冶金等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。高鉻白口鑄鐵是一種新型抗磨材料,國內(nèi)學(xué)者對高鉻鑄鐵的研究起步較晚,國外已經(jīng)在礦山大直徑球磨機襯板和大型粉碎機錘頭[4-6]上成功應(yīng)用。

高鉻鑄鐵屬于脆性材料,在提高韌性和耐磨性方面,主要采用微合金化、熱處理、變質(zhì)處理和孕育處理等[7-9]技術(shù)方法。目前,關(guān)于添加納米顆粒變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵影響方面的研究文獻較少,筆者通過添加納米顆粒變質(zhì)劑的方法,試圖改善碳化物的形貌以及碳化物的大小和分布,并探索熱處理工藝,以獲得較高耐磨性和優(yōu)良沖擊韌性的高鉻鑄鐵。

1　實驗材料與方法

實驗材料為生鐵、廢鋼、高碳鉻鐵,鉬鐵,純銅以及納米顆粒變質(zhì)劑等,原料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1　實驗材料化學(xué)成分

將配置好的實驗原料依次放入ZG-2感應(yīng)熔煉爐中熔煉,將納米顆粒變質(zhì)劑放入包底,利用沖入法進行變質(zhì)處理,然后澆注試樣,所有試樣都在濕砂型中鑄出。試樣的化學(xué)成分見表2。

表2　高鉻鑄鐵成分

熱處理在KSL1600X箱式爐中進行,熱處理溫度為980 ℃,保溫1 h,空冷,回火溫度250 ℃,保溫1 h,空冷。沖擊實驗在JB30A 型沖擊實驗機上進行,試樣尺寸為 10 mm×10 mm×55 mm,將沖斷后的試樣研磨,制成金相試樣,觀察顯微組織,硬度實驗在HR150洛氏硬度計上進行,顯微組織觀察由ZEISS金相顯微鏡完成。在MMS-2A 型屏顯式摩擦磨損實驗機上作磨損實驗,磨損試樣尺寸為10 mm×10 mm×6 mm。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1變質(zhì)處理對鑄態(tài)組織形貌的影響

變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織影響的對比照片見圖1。從圖1a可以看出,未變質(zhì)的的鑄鐵組織中,碳化物粗大,呈大的板條狀碳化物。加入變質(zhì)劑后,如圖1b所示,粗大板條狀碳化物斷開,轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉膲K狀碳化物。

圖1高鉻鑄鐵鑄態(tài)的SEM照片

經(jīng)過變質(zhì)處理后,碳化物的形態(tài)、分布發(fā)生了明顯變化,組織細(xì)化,碳化物更加細(xì)小。這主要是由于納米顆粒變質(zhì)劑的熔點低,不僅可以凈化鐵液,還可以增加過冷度,改變了高碳鉻鐵中碳化物的形核及生長條件,限制了其生長的各向異性,產(chǎn)生細(xì)化晶粒的作用所致。納米顆粒變質(zhì)劑還可以作為異質(zhì)形核質(zhì)點,有利于形成塊狀或細(xì)小的板條狀碳化物[10]。

圖2是鑄態(tài)高鉻鑄鐵未變質(zhì)與變質(zhì)處理后的XRD圖譜。從圖譜中可以看出,變質(zhì)與未變質(zhì)的高鉻鑄鐵中都存在M7C3型碳化物的峰,說明變質(zhì)劑的加入,改變了碳化物形態(tài),而不能影響碳化物類型。

2.2變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵性能的影響

變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵硬度的影響見表3。從表3中可以看出,熱處理后,經(jīng)過變質(zhì)處理的高鉻鑄鐵硬度最高,平均可以達到HRC64.15。與未變質(zhì)處理相比,變質(zhì)處理的高鉻鑄鐵硬度值較高,這是因為變質(zhì)處理后,組織細(xì)化導(dǎo)致。經(jīng)過熱處理后,熱處理態(tài)高鉻鑄鐵的硬度值高于鑄態(tài)高鉻鑄鐵硬度值,說明隨著溫度的升高,基體組織逐漸均勻化,二次碳化物析出導(dǎo)致基體硬度升高。

圖2　鑄態(tài)高鉻鑄鐵XRD圖譜

Table 3Hardness of high chromium cast ironbefore and after heat treatment

工藝方法HRC123456平均值變質(zhì)55.155.254.053.253.254.154.13未變質(zhì)53.651.152.552.951.551.952.25變質(zhì)+熱處理64.563.265.862.664.664.264.15未變質(zhì)+熱處理60.560.460.261.461.161.160.78

變質(zhì)處理對高鉻鑄鐵沖擊韌性的影響見表4。與未變質(zhì)鑄態(tài)相比,變質(zhì)后鑄態(tài)高鉻鑄鐵沖擊韌性變化不大。但經(jīng)過熱處理后,變質(zhì)后的沖擊韌性有所提高,沖擊值由10.03變?yōu)?2.7 J/cm2,提高約26%。這是由于正火處理后,組織更加均勻,M7C3碳化物更為細(xì)小,分布較好的原因。

高鉻鑄鐵進行滑動磨損實驗,對磨環(huán)為GCr15鋼(硬度為HRC 63),線速度為1 m/s,時間60 min,壓力200 N。圖3為不同狀態(tài)下商鉻鑄鐵的磨損量。從圖3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),變質(zhì)后高鉻鑄鐵的磨損量明顯低于未變質(zhì)處理的高鉻鑄鐵,且變質(zhì)處理后高鉻鑄鐵的磨損量基本保持不變。這是由于變質(zhì)處理后,細(xì)化了M7C3碳化物的尺寸并使其分布得更均勻,基體與碳化物的結(jié)合強度更高,因此,變質(zhì)高鉻鑄鐵具有較高的硬度,耐磨性提高。

表4高鉻鑄鐵試樣熱處理前后沖擊韌性值

Table 4Impact toughness of high chromium castiron before and after heat treatment

工藝方法沖擊韌性/J·cm-2123平均值變質(zhì)鑄態(tài)10.69.69.910.03未變質(zhì)鑄態(tài)8.99.18.88.93變質(zhì)+熱處理13.012.412.712.70未變質(zhì)+熱處理10.59.89.810.03

圖3　不同狀態(tài)下高鉻鑄鐵的磨損量

Fig.3Wear extent of high chromium cast iron under different conditions

3　結(jié)　論

(1)納米顆粒變質(zhì)處理后,高鉻鑄鐵組織細(xì)化,M7C3型碳化物尺寸減小,形態(tài)發(fā)生改變,由粗大板條狀變?yōu)樾K狀,分布得更加均勻。

(2)納米顆粒變質(zhì)處理可以改善高鉻鑄鐵的力學(xué)性能,熱處理后的硬度平均值可以達到HRC 64.15,沖擊平均值提高了26%,可以達到12.7 J/cm2,磨損量最小,耐磨性也是最佳。

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(編輯徐巖)

Study on effect of nanoparticles inoculants on microstructures and properties of high chromium cast iron

CHEN Yongsheng,QI Kai

(School of Materials Scieace &Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper is aimed at studying the effects of nanoparticles inoculants on the microstructure,hardness,impact toughness,and wear resistance of the 15CrMo2Cu1 using SEM,X-ray diffraction,Rockwell hardness tester and pendulum impact testing machine and wear and abrasion test machine.The results show that as-cast high chromium cast iron without modification contain coarse M7C3carbide,which tends to become smaller after modification,allowing the morphology change from the coarse lath to the block of smaller size;the modified alloy subjected to heat treatment has an average hardness of up to 64.15HRC,and the average impact toughness of up to 12.7 J/cm2,contributing to a definite decrease in the wear weight loss and a significant improvement in the wear-resisting property and the impact toughness.

high chromium cast iron； nanoparticles inoculants； mechanical properties

2015-02-11

陳永生(1987-),男,黑龍江省哈爾濱人,碩士,研究方向：金屬材料,焊接材料,E-mail:chenyongsheng111@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.019

TG143.3

2095-7262(2015)02-0206-03

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