含铬CADI组织及性能调控的基础研究

发布时间：2020-11-23 18:29

　　 等温淬火球墨铸铁(Austempered Ductile Iron,简称ADI)作为一种生产工艺日趋成熟的金属材料,拥有许多优异的力学性能,如质量轻、冲击韧性优良、生产成本低廉、硬度及耐磨性较高等。但是,ADI更多的是作为汽车、发动机、工程机械等领域的机械结构件,作为耐磨材料,其耐磨性仍有待进一步提高。近年来,在ADI的基础之上,材料科学家开发出了一种新型耐磨材料,即含碳化物等温淬火球墨铸铁(Carbidic Austempered Ductile Iron,简称CADI)。CADI在保持ADI质量轻、冲击韧性较好、生产成本低廉等众多优点的同时,还极大的提高了材料的硬度及耐磨性,是一种非常有应用前景的耐磨材料,同时也非常适合用于制造球磨机用磨球。但是,CADI的强度和韧性尽管好于白口铸铁,但与ADI相比,还有很大的提升空间。本课题针对CADI,利用金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、洛氏硬度计、摆锤式冲击试验机及环块磨损试验机,通过调控Cr含量以及热处理工艺参数,控制基体组织中碳化物的数量及分布形态、针状铁素体尺度、高碳奥氏体数量和高碳奥氏体含碳量,从而提高CADI的耐磨性能,并拥有较好的冲击韧性,揭示CADI组织及性能的控制机制。结果表明,Cr含量对CADI铸态及热处理态的组织及性能会产生很大的影响。Cr是一种强碳化物形成元素,CADI中碳化物数量对Cr含量的变化非常敏感,因此需要严格控制组织中的Cr含量。铸态下随Cr含量增加,碳化物数量明显增加,并由条块状逐渐发展成为粗大的网状。而石墨所占体积比及球化率逐渐降低,石墨直径先升高后降低。等温淬火后,组织中产生典型的奥铁体组织,而碳化物发生部分溶解现象。在900℃奥氏体化温度下保温100min,当Cr含量为1.42wt.%时,开始出现先共析铁素体,对CADI的硬度及耐磨性产生很大的影响。随Cr含量增加,硬度和耐磨性先升高后降低,而冲击韧性逐渐降低,当Cr含量为0.96wt.%时,综合性能最佳。随着等温温度的提高,生成的针状铁素体越来越粗大,而且高碳奥氏体含量逐渐增多,硬度下降,而冲击韧性增加。奥氏体化过程对CADI的组织及力学性能的影响结果表明,随奥氏体化温度的增加,针状铁素体及高碳奥氏体逐渐变粗,且高碳奥氏体含量增加。当奥氏体化温度为850℃时,显微组织中含有大量的先共析铁素体,明显降低了材料的硬度以及耐磨性。奥氏体化温度升高,先共析铁素体消失,高碳奥氏体中碳含量逐渐增多,使得奥氏体稳定性增加,在磨损过程中转变为马氏体的转变率逐渐降低。尽管马氏体硬度高,但是易促进裂纹的产生和传播,由此产生的磨屑颗粒能够破坏材料表面的石墨润滑膜,反而会降低材料的耐磨性。当升高到950℃和1000℃时,碳化物发生部分溶解,硬度逐渐降低,但是分布变得更加均匀,此外,由于高碳奥氏体的大量生成使得冲击韧性大幅增加。耐磨性与材料的硬度及冲击韧性均有关系,随着奥氏体化温度的升高耐磨性先升高后降低。奥氏体化时间对CADI组织和性能的影响较小。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG143.5
【部分图文】：

的工程机械材料中可以替代钢[18,19]。由于优异的性能，球墨铸铁产量逐年增加，到 2013 年已经占各类铸件总产量的 26.0%，而且应用日益广泛，在经济生活中发挥出越来越大的作用。而且随着制造工艺的进步，球墨铸铁及其相关变种材料的力学性能得到了长足的进步，被越来越多地应用在一些高精尖的零部件上，如重型机床床身、风电轮毂底座、燃气轮机机体、叶片等[20]。ADI 作为等温淬火球墨铸铁，其等温淬火过程如图 1-2 所示[21]。经过等温淬火 ADI 中生成大量的奥铁体，由于这种特殊的组织，使得 ADI 最高抗拉强度可超过 1600MPa，而最大伸长率可超过 11%[22]。ADI 的发展经历了以下三个阶段：试验研究阶段、开发应用阶段和扩大工业化生产阶段[23]。西方工业发达国家以及日本非常重视 ADI 标准的制定，并且随着研究的进一步深入以及市场要求的逐渐发展，ADI 标准已经经过了多次修订（美国 ASTM 的 ADI 标准如表 1-1），使其能够更好地指导生产实践，而且便于技术交流。同样，目前国内已经制定出相应的国家标准 GB/T24733-2009（如表 1-2），相应的研究、等温淬火设备以及市场规模得到了相当的发展，开始进入扩大工业化生产阶段，发展前景一片广阔。

然后经过等温淬火热处理，使基体中产生大量综合力学性能优良的奥铁体组织，同时改善碳化物的数量以及分布，这样材料的耐磨性能有望得到显著改善，而且冲击韧性还得到了一定的提高。如下图 1-3 所示[10]，与常规的耐磨材料相比，CADI 硬度较高，而且耐磨性仅仅低于镍硬铸铁。球墨铸铁经过等温淬火热处理之后形成奥铁体组织，作为 CADI 的基体组织，奥铁体由针状铁素体和富碳奥氏体组成，具有较高的硬度和冲击韧性，综合力学性能优良，该组织是 ADI、CADI 与普通球墨铸铁的主要差别。CADI 和 ADI 的主要区别是组织中含有较多的碳化物，极大地提高材料的硬度以及耐磨性，但是对冲击韧性具有不利作用，需要优化工艺参数，以获得综合力学性能更加优良的耐磨材料。由于组织中含有大量密度较低的球状石墨，导致材料的密度大大降低，有利于减少材料在工作过程中的能耗。同时大量的石墨能够吸收震动，提高了材料的减震性能。此外，不同于高铬铸铁以及镍硬铸铁等高合金材料，CADI 中成本较高的的合金元素添加量较少，使得 CADI 在优越的耐磨性得以很好的保留的同时，材料成本也得到进一步地控制。

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