纳米颗粒变质剂对高铬铸铁组织和性能的影响

陈永生,齐　凯

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院,哈尔滨 150022)



纳米颗粒变质剂对高铬铸铁组织和性能的影响

陈永生,齐凯

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院,哈尔滨 150022)

为提高高铬铸铁的韧性和耐磨性能,以15CrMo2Cu1为研究对象,研究纳米颗粒变质剂对高铬铸铁组织、硬度、韧性、耐磨性的影响。对变质处理前后高铬铸铁的硬度和韧性进行实验。结果表明:铸态未变质的组织中,M7C3型碳化物粗大,变质处理后,碳化物尺寸变小,形状由粗大板条状变为小块状;热处理后,变质高铬铸铁硬度平均值可达HRC64.15,冲击平均值可达12.7 J/cm2,提高了耐磨性。

高铬铸铁,纳米颗粒变质剂,力学性能

高铬铸铁是继普通白口铸铁、高锰钢、镍硬白口铸铁之后发展的第三代耐磨白口铸铁,在建材、电力、矿山、冶金等行业中得到了广泛应用[1-3]。高铬白口铸铁是一种新型抗磨材料,国内学者对高铬铸铁的研究起步较晚,国外已经在矿山大直径球磨机衬板和大型粉碎机锤头[4-6]上成功应用。

高铬铸铁属于脆性材料,在提高韧性和耐磨性方面,主要采用微合金化、热处理、变质处理和孕育处理等[7-9]技术方法。目前,关于添加纳米颗粒变质剂对高铬铸铁影响方面的研究文献较少,笔者通过添加纳米颗粒变质剂的方法,试图改善碳化物的形貌以及碳化物的大小和分布,并探索热处理工艺,以获得较高耐磨性和优良冲击韧性的高铬铸铁。

1　实验材料与方法

实验材料为生铁、废钢、高碳铬铁,钼铁,纯铜以及纳米颗粒变质剂等,原料化学成分质量分数见表1。

表1　实验材料化学成分

将配置好的实验原料依次放入ZG-2感应熔炼炉中熔炼,将纳米颗粒变质剂放入包底,利用冲入法进行变质处理,然后浇注试样,所有试样都在湿砂型中铸出。试样的化学成分见表2。

表2　高铬铸铁成分

热处理在KSL1600X箱式炉中进行,热处理温度为980 ℃,保温1 h,空冷,回火温度250 ℃,保温1 h,空冷。冲击实验在JB30A 型冲击实验机上进行,试样尺寸为 10 mm×10 mm×55 mm,将冲断后的试样研磨,制成金相试样,观察显微组织,硬度实验在HR150洛氏硬度计上进行,显微组织观察由ZEISS金相显微镜完成。在MMS-2A 型屏显式摩擦磨损实验机上作磨损实验,磨损试样尺寸为10 mm×10 mm×6 mm。

2　实验结果与分析

2.1变质处理对铸态组织形貌的影响

变质处理对高铬铸铁铸态组织影响的对比照片见图1。从图1a可以看出,未变质的的铸铁组织中,碳化物粗大,呈大的板条状碳化物。加入变质剂后,如图1b所示,粗大板条状碳化物断开,转变为小的块状碳化物。

图1高铬铸铁铸态的SEM照片

经过变质处理后,碳化物的形态、分布发生了明显变化,组织细化,碳化物更加细小。这主要是由于纳米颗粒变质剂的熔点低,不仅可以净化铁液,还可以增加过冷度,改变了高碳铬铁中碳化物的形核及生长条件,限制了其生长的各向异性,产生细化晶粒的作用所致。纳米颗粒变质剂还可以作为异质形核质点,有利于形成块状或细小的板条状碳化物[10]。

图2是铸态高铬铸铁未变质与变质处理后的XRD图谱。从图谱中可以看出,变质与未变质的高铬铸铁中都存在M7C3型碳化物的峰,说明变质剂的加入,改变了碳化物形态,而不能影响碳化物类型。

2.2变质处理对高铬铸铁性能的影响

变质处理对高铬铸铁硬度的影响见表3。从表3中可以看出,热处理后,经过变质处理的高铬铸铁硬度最高,平均可以达到HRC64.15。与未变质处理相比,变质处理的高铬铸铁硬度值较高,这是因为变质处理后,组织细化导致。经过热处理后,热处理态高铬铸铁的硬度值高于铸态高铬铸铁硬度值,说明随着温度的升高,基体组织逐渐均匀化,二次碳化物析出导致基体硬度升高。

图2　铸态高铬铸铁XRD图谱

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

工艺方法HRC123456平均值变质55.155.254.053.253.254.154.13未变质53.651.152.552.951.551.952.25变质+热处理64.563.265.862.664.664.264.15未变质+热处理60.560.460.261.461.161.160.78

变质处理对高铬铸铁冲击韧性的影响见表4。与未变质铸态相比,变质后铸态高铬铸铁冲击韧性变化不大。但经过热处理后,变质后的冲击韧性有所提高,冲击值由10.03变为12.7 J/cm2,提高约26%。这是由于正火处理后,组织更加均匀,M7C3碳化物更为细小,分布较好的原因。

高铬铸铁进行滑动磨损实验,对磨环为GCr15钢(硬度为HRC 63),线速度为1 m/s,时间60 min,压力200 N。图3为不同状态下商铬铸铁的磨损量。从图3结果可以发现,变质后高铬铸铁的磨损量明显低于未变质处理的高铬铸铁,且变质处理后高铬铸铁的磨损量基本保持不变。这是由于变质处理后,细化了M7C3碳化物的尺寸并使其分布得更均匀,基体与碳化物的结合强度更高,因此,变质高铬铸铁具有较高的硬度,耐磨性提高。

表4高铬铸铁试样热处理前后冲击韧性值

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

工艺方法冲击韧性/J·cm-2123平均值变质铸态10.69.69.910.03未变质铸态8.99.18.88.93变质+热处理13.012.412.712.70未变质+热处理10.59.89.810.03

图3　不同状态下高铬铸铁的磨损量

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

3　结　论

(1)纳米颗粒变质处理后,高铬铸铁组织细化,M7C3型碳化物尺寸减小,形态发生改变,由粗大板条状变为小块状,分布得更加均匀。

(2)纳米颗粒变质处理可以改善高铬铸铁的力学性能,热处理后的硬度平均值可以达到HRC 64.15,冲击平均值提高了26%,可以达到12.7 J/cm2,磨损量最小,耐磨性也是最佳。

[1]付晓虎.Re变质高铬铸铁组织与性能的研究[D].长沙:中南大学,2012:1-15.[2]王均.合金元素对高铬耐磨铸铁凝固组织和亚临界硬化行为的影响[D].成都:四川大学,2003.

[3]杨诚凯,李卫.含碳量对过共晶高铬铸铁显微组织与耐磨性的影响[J].铸造,2012,61(12):1393-1396.

[4]王梁.稀土变质高铬铸铁性能研究[J].内蒙古科技与经济,2014(12):58-59.

[5]李梦.高铬铸铁复合锤头热处理组织和性能的研究[D].西安:西安工业大学,2013:1-7.

[6]任庆平,王国仁.高铬铸铁复合锤头的铸造与热处理研究应用[J].铸造技术,2010,31(4):407-410.

[7]刘国宇.铬系耐磨铸铁的研究与展望[J].水利水电机械,2003,25(1):31-34.

[8]宛农,董建新,谢锡善.15Cr系高铬铸铁组织特征的热力学分析[J].铸造,2005,54(4):351-355.

[9]尹卫江.热处理及钒-钛合金对高铬铸铁碳化物形态和力学性能的影响[D].包头:内蒙古科技大学,2012.

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(编辑徐岩)

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

陈永生(1987-),男,黑龙江省哈尔滨人,硕士,研究方向：金属材料,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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