深冷对亚临界处理高铬铸铁硬化行为及耐磨性影响.pdf

四川大学硕士学位论文：深冷对亚临界处理高铬铸铁硬化行为及耐磨性的影响第一章绪论1 ．1 引言金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，约有7 0 ％～8 0 ％的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的[ 1 5 ] 在矿山、冶金和建材等行业，磨料磨损是零件失效的主要形式英、美等国近年来对各自国家摩擦学状况的调查结果表明：由于材料磨损失效形式所造成的损失估计每年都在上千亿美元；改善润滑、降低磨损可能带来的经济效益约占各国国民生产总值的2 ％以上口翻零件磨损失效后，不但需要耗费人力、物力去更换配件，也使设备在更换零件期间不能生产产品，影响设备固有能力的发挥在科技高速发展的今天，国民经济的各个部门都对机械设备的耐用性、可靠性和精度提出了更高的要求因此，研究金属材料磨损现象，探讨提高金属的抗磨能力，早已成为科技工作者面前的重要课题因此研究耐磨料磨损材料具有重要的经济价值和实用价值1 ．2 高铬铸铁概述目前，高铬铸铁已经是世所公认的优良抗磨材料，在采矿、水泥、电力、筑路机械、耐火材料等方面应用十分广泛高铬铸铁的研究也从6 0 年代开始，一直是耐磨材料研究中一个重要的方向，至今仍然方兴未艾【6 】高铬铸铁含铬量大于1 1 ％，铬、碳含量比值超过3 ．5 。

在这种条件下，高硬度的M ，C 3 型碳化物几乎全部代替了硬度较低的M 3 c 型碳化物M 7 c 3 型碳化物呈六角形杆状及曲面板条状，分布在基体中相对于普通白口铸铁或低铬铸铁而言，可以认为高铬铸铁中的碳化物是不连续相，而基体是连续相也就是说碳化物对基体的破坏作用大大减小，因而高铬铸铁的韧性优于普通白口铸铁和低铬铸铁M T C 3 型碳化物的硬度很高，其显微硬度H V l 3 0 0 ～1 8 0 0 ，而M 3 C 型碳化物的显微硬度只有H V 8 0 0 ～1 2 0 0 ，因此M 7 c 3 型碳化物的形成赋予了铸铁较高的硬度高铬铸铁具有十分优良的抗磨料磨损能力，冲击韧性也优于其它合金白口铸铁，这是它成为当代最佳抗磨材料的基本原因通过添加其它合金元素以及第一章：绪论适当的热处理，高铬铸铁可以获得不同的基体组织，以满足各种不同工况对抗磨材料提出的性能要求高铬铸铁是一种比较复杂的多元合金影响其组织与性能的因素很多为了合理使用这种抗磨材料，充分发挥其固有潜力，应该全面认识和深入了解这些因素‘”1 ．3 高铬铸铁的微观组织1 ．3 ．1 高铬铸铁的凝固行为和组织高铬铸铁是一种多元合金体系，讨论这种合金的凝固行为和凝固组织应该借助于F e —C r - C 三元系的液相面投影图，其中J a c k s o n 【B l 提出的液相面投影图应用最为广泛。

T h o r p e 和C h i c e o 【9 1 利用更加精确的实验手段和纯度更高的材料对J a c k s o n 提出的F e —C r - C 三元系液相面投影图做了修正图1 - 1 是修正过的C r ＼{ O∞∞_ O*∞1 0∞∞∞*∞ 自日b h I e d a l 威邮l t e c o m e r I 怫＆R d h i n 刊a u s - 舯№∞n b “F ％ l j 弋一八图4 0 台金硬度与残余奥氏体的关系曲线N g4 —2R e l a 6 0 n s h i pb e t w e e nh a r d n e s sa n dr e 扫i n e da u s t e n l t e ∞n t e n c从前面的论述中知道．亚临界热处理过程中残余奥氏体内的C 、C r 、M o 等合金元素会以二次碳化物的形式析出，导致残余奥氏体M s 点升商，在冷却时发生马氏体转变马氏体的硬度远远高于奥氏体的硬度因此，随着残余奥氏体的减少，马氏体转变量增加，合金的硬度随之提高经深冷处理后，残余奥氏体进一步向马氏体转化，其含量降低，使得马氏体含量增加，提高了高铬铸铁的硬度。

但从图4 - 2 中可以看出，当合金达列晟高硬度时仍有残余奥氏体oEI暮cP#Ig¨“¨¨o￡tⅥ8r营Ⅲio《ril鬯日z四川大学硕士学位论文：深冷对距临界处理高铬铸铁硬化行为及耐磨性的影响存在，并且其含量不是最低，继续消除残余奥氏体会造成合金硬度下降这是因为马氏体的显微硬度和其c 含量成正比，c 含量越高，马氏体的硬度越高随着温度的升高，c 和其他合金元素的扩散速率增大，更多的C 和其他合金元素以二次碳化物的形式从奥氏体中析出，造成奥氏体转变成马氏体时含有较低的C 含量，从而使马氏体的显微硬度下降也就是说，马氏体含量的增加导致合金宏观硬度提高，而马氏体显微硬度的降低导致合金宏观硬度下降，在二者综合作用下，台金的宏观硬度就会存在硬化峰值在温度较低时，二次碳化物从奥氏体中析出量较少，马氏体显微硬度的变化也较小，所以马氏体含量变化对宏观硬度的贡献要远远大于马氏体显微硬度变化对合金宏观硬度的影响因此，随亚临界温度的升高合金的硬度升高当二者作用达到平衡时，合金硬度出现峰值此后马氏体含量的提高对硬度的贡献不能抵消马氏体显微硬度下降对硬度的影响，合金硬度随之下降4 ．3 二次碳化物的析出和转变对硬化行为的影响在亚临界热处理时，固溶于奥氏体中的C 、C r 和M o 等合金元素要发生扩散，并以二次碳化物的形式析出。

图4 0 为亚临界处理过程中，高铬铸铁从基体中析出的二次碳化物的T F _ a M 观察结果结合对应的选取电子衍射谱( S A D P )( 图4 - 3 b ) ，图中大量的椭圆状沉淀相为M 2 3 C 6 图4 ．3 ( a ) T E M 观察亚临界处理中基体中析出的二次碳化物的衍衬图谱( 6 0 0 “ C )( b ) 对应的选取电子衍射图谱F i g ．4 - 3 ( a ) T E Ms h o w i n g ( F e ，C r ) 2 3 C 6p r e c i p i t a t e di nt h ea u s t e n i t eg r a i n sC o ) T h eS A D Ps h o w i n gt h ec o p l a n a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n ( F e ，C 0 2 3 C 6 a n d t h e m a r t e n s i t e m a t r i x ( m a r k e db y M ) ．3 9第四章‘群冷对亚临舁处理高铬铸铁硬忧{ f 为的影响析出的M 2 3 C e 二次碳化物弥散分布在基体中，对基体起到很好的弥散强化作用。

提高处理温度可阻提高c 、c r 和M o 等台金元素亚临界热处理时在奥氏体中的扩散系数，促进更多的二次碳化物从基体中析出出于二次碳化物的析出，降低了奥氏体中C 和c r 等台金元素禽量，导致奥氏体M s 点升高，从而使奥氏体在试样出炉冷却时转变成具有较高硬度的马氏体并且随温度的提高，二次碳化物析出的量增加，产生弥散强化( d i s p e r s i n gs t r e n g t h e ne f f e c t ) 作用，对硬度提高的贡献也就越大【】l t ⋯' l ⋯所以，随温度的提高，高铬铸铁的硬度持续上升，直到达到强大的二次硬化效果继续升高温度．柝出的二次碳化物M 2 3 C 6会发生O s t w a l d 熟化，并发生向M 3 C 型碳化暂的原位转变( 见图4 ．4 ) ，基体组织也转变成珠光体组织( 见图4 ．5 ) 二= 次碳化物析出造成沉淀硬化的原因是细小的= 次碳化物均匀弗散分布阻碍了位错的运动，使台金产生硬化l l “二次碳化物的长大和转变会大大削弱这一作用，而且M 3 c 型碳化物的强度比较低成规则的楔状，对基体组织有较强的割裂作用，降低基体的强度，使基体不能为共晶碳化物提供强有力的支撑，所以导致合盒硬度下降。

图“( a ) 析出的= 次碳化物但毛c r k 3 c 6 及其向M 3 C 发生凝位转变( T E M ) ( 6 5 0 “ C ) ， ( b ) 圄4 对应的选区衍封的标定，表明∞‰c r ) 茄6 和基体厦M 3 C 的共面关系b i g ．4 - 4 ( a ) T r a a s m i s s i c 目t e l e e a ' o n m i e r o g r a p hs h o w i n gs e c o n d a r ye a r b i d e } s ( F e ＆b c 6 M 3 Ca n d m a t ' t e n s i t e m a t r i x ，( b ) S A D Ps h o w i n g t h e c o p l a n a r r e l a t i o n s h i p b e ．1 w o e l l ( F e ，C 0 2 ￡6a n dM a C ．四川大学硕士学位论文：深冷对亚临界处理高铬铸铁硬化行为及耐磨性的影响图4 ．5 ( a ) M 3 C 和典型的珠光体基体( 箭头所指) 的形成( T E M ) ( 6 5 0 “ C ) ，( b ) 图a 对应的选区衍射的标定F i g ．4 ．5 ( a ) T E Ms h o w i n gt y p i c a lp e a d i f i cs t r u c t u r e ( a r r o w e d ) ， ( b ) S A D Pf r o mt h er e g i o ns h o w ni n ( a )4 ．4 深冷处理后的硬化机制分析高铬铸铁中的硬质相是马氏体和碳化物。

经过亚临界处理的试样后放入一1 9 C C 的液氮中，在低温下基体体积收缩，F e 的晶格常数有变小的趋势，从而加强了碳原子析出的驱动力，有细微二次碳化物从基体中析出，这使得奥氏体中合金元素的含量降低，残余奥氏体进一步向马氏体转化这说明深冷处理可以使更多的残余奥氏体进一步转变成更高硬度的马氏体组织从而提高了高铬铸铁的硬度而且马氏体的晶粒要比残余奥氏体细小，马氏体的增多，也意味着在深冷处理后的高铬铸铁基体中会产生细晶强化；并且，晶粒愈细，强化作用愈大‘1 1 6 1 强化I A o o rA 日与晶粒度满足H a l l - P a t c h 公式[ 1 1 7 , 1 1 8 】：△盯F = K R d 一1 ”o rA H = K ' 8 d 一1 7 2( 4 —1 )式中，△a A H 分别为屈服应力增量和硬度增量，d 为晶粒的直径：≮和足：为H a l l - P a t c h 系数由H a l l - P a t c h 公式可以看出，d 越小，则强化作用愈大深冷处理过程中，F e 的晶格常数有缩小的趋势，从而加强了碳原子析出的驱动力，从马氏体中析出了大量的弥散的超微细碳化物，这些本身具有高的红硬4 1第四章：深冷对亚临界处理高铬铸铁硬化行为的影响性细小碳化物弥散分布在马氏体基体上起到强化基体的作用，使基体能更好得支撑碳化物，所以基体硬度在深冷处理时可得到明显的提高。

这从表4 - 1 中不同热处理状态试样的显微硬度值也可以看出，深冷处理后试样的显微硬度明显增高表4 —1不同热处理状态试样的显微硬度№zT a b ．4 ．1 耵mm i c r o - h a r d n e s so f c a s t i r o na tv a r i o u sc o n d i t i o n吼另外，试样在深冷处理后温度回升的过程中，表层外侧先转变为马氏体，表层内侧后转变为马氏体，当表层内侧转变为马氏体造成体积膨胀时，可消除表层外侧的部分压应力；同时由于深冷处理温度回升时析出微细碳化物，这样可消除新形成马氏体和以前马氏体中的部分内应力析出碳化物越多，表层残余内应力减少的可能性越大残余应力的减少会减少微裂纹的产生，从而可提高基体的强韧性综上所述，深冷处理对基体组织的细化作用以及促进马氏体中碳。