过共晶高硼铸钢组织细化研究

论文摘要

在过共晶高硼铸钢中由于存在粗大的初生硼化物,严重降低了合金的韧性和在较高冲击力工况下的耐磨性,从而限制了该合金在实际生产中的应用。为了改善韧性和提高耐磨性,本文采用变质处理、随流孕育和合金化等方法改善组织中初生Fe2B和包晶Fe3（C,B）的尺寸、形态和分布,并利用SEM、XRD等手段,系统地研究了变质处理、合金化和随流孕育对过共晶高硼铸钢中初生硼化物和包晶硼化物尺寸、形态的影响。主要得到了以下结果:1.经稀土硅铁与K/Na金属盐变质处理后,过共晶高硼铸钢中的初生硼化物和包晶硼化物的尺寸和形态得到不同程度的细化和改变。在0.6%RE变质与0.3 %K /Na金属盐变质时初生相尺寸各达到最小值,分别从未变质时的81.4μm细化到30.4μm和23.4μm。研究发现RE除了可以脱硫、脱氧净化钢液以外,RE化合物CeB6和CeO2S与初生硼化物和包晶硼化物之间的错配度很小,可以作为它们的异质形核核心,起到细化硼化物的作用。K/Na易引起成分过冷,通过增加初生相结晶晶核来达到细化目的的。此外,K/Na是表面活性元素,通过吸附到硼化物生长最快的晶面上,改变晶体的生长惯习面来实现对初生硼化物团球化和颗粒化的。2.通过Nb、Ti合金化可以显著细化初生硼化物颗粒,在Ti含量为0.5%与Nb含量为0.9%时可以取得最优细化效果,使初生硼化物从未变质时的81.4μm分别细化到50.4μm和23.9μm。Nb、Ti合金化对包晶硼化物和共晶硼化物的形态、数量也有很大的细化和改变作用。铌和钛都是强碳化物形成元素,加入合金后可与钢中的碳原子形成高熔点的TiC和NbC,它们与初生硼化物之间的二维错配度很小,作为初生相的异质形核核心而使之细化。分布在初生相边缘的碳化物颗粒还对其自由生长还起到阻碍作用。3.初生硼化物颗粒大小与钢液冷速关系密切,随冷速增大,合金初生相逐渐细化。在随流孕育过程中,随着悬浮剂的增加,初生硼化物颗粒持续细化,并在其含量为2.8%时达到最小值,使初生硼化物从未变质时的81.4μm细化到20.2μm。4.提出了一个计算细化率的公式。该公式是普通细化率和其自然底数e次幂的算术平均值。用该公式得出的细化率更能体现变质剂对组织的细化能力。5.多组元复合变质对初生硼化物具有更好的细化作用。0.9%Nb +0.4%RE复合变质不仅可以细化初硼化物,还可以使其横截面的形状由四边形的尖角变成圆角,可以有效减小由凝固和外力引起的应力集中。这主要是由于曲率小的晶体部分在高温凝固过程中溶解所致。0.9%Nb +0.4%RE复合变质还可以使组成初生相颗粒的晶簇之间发生粘合而生成单一的柱状晶体,使系统的表面能下降。6.随着热处理温度的提高,包晶硼化物、初生硼化物依次溶解,在1050℃时,包晶硼化物完全溶解,初生硼化物部分溶解由四方柱状变为骨状。稀土元素可以有效地提高硼化物的高温稳定性,使其溶解温度提高,且含量越高效果越显著。由于初生硼化物具有非常好的高温稳定性,利用热处理工艺很难改变其形态和分布。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 含硼钢的发展进程
• 1.3 过共晶组织的细化方法
• 1.4 本课题研究的内容
• 第2章 试验方法
• 2.1 试验材料及变质剂的选择
• 2.2 试样的制备及试验方法
• 第3章 过共晶高硼铸钢的凝固过程和物相分析
• 3.1 凝固过程分析
• 3.2 物相分析
• 第4章 变质处理对过共晶高硼铸钢初生硼化物细化的研究
• 4.1 稀土变质对初生硼化物的影响
• 4.2 K/Na 变质对过共晶高硼铸钢组织细化的影响
• 4.3 复合变质对过共晶高硼铸钢初生硼化物细化的研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 合金化对过共晶高硼铸钢初生硼化物细化的研究
• 5.1 错配度在选择合金化元素中的作用
• 5.2 Ti 合金化对过共晶高硼铸钢细化效果的研究
• 5.3 Nb 合金化对过共晶高硼铸钢细化效果的研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 悬浮铸造对过共晶高硼铸钢初生硼化物细化的研究
• 6.1 冷速对过共晶高硼铸钢初生硼化物颗粒尺寸的影响
• 6.2 悬浮铸造对过共晶高硼铸钢显微组织的影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 热处理对过共晶高硼铸钢初生硼化物细化的影响
• 7.1 引言
• 7.2 热处理工艺参数
• 7.3 合金热处理组织分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢