氮、钛、铌对灰铸铁组织及性能的影响

论文摘要

目前,获得高强度灰铸铁主要是通过添加铬、铜、钼和镍等合金元素来实现,但是随着合金价格的提高,生产成本不断增加。为降低生产成本,本课题在HT250材质的基础上,采用氮、钛、铌对铁液进行微合金化,通过金相组织观察、SEM分析、EDS分析、拉伸试验和硬度试验,研究了氮、钛、铌对灰铸铁组织及性能的影响规律。试验结果表明,含氮量为0.0055%～0.013%、含锰量为1.0%-1.36%时,试样的金相组织为A型石墨+细片状珠光体+少量铁素体。随着含氮、锰量的增加：片状石墨长度变短、宽度稍有增加,弯曲程度加大,石墨端部钝化,对基体的割裂作用减弱；细片状珠光体含量略有增加,珠光体层片间距减小；试样的抗拉强度和硬度逐渐增大,当含氮量为0.012%、含锰量为1.24%时,试样的抗拉强度和硬度达到最大值,分别为395MPa和260HBW。当铁液中含氮量≥0.011%时,铸件表面下开始出现气孔缺陷。在适当含氮量（0.0080%左右）基础上,含钛量在0.055%-0.149%范围内时,试样的金相组织为A型和D型石墨+珠光体+少量铁素体。随着含钛量的增加：A型石墨减少,D型石墨增多；铁素体的含量增多,珠光体的含量减少；试样的抗拉强度呈现降低的趋势,当含钛量为0.149%时,试样的抗拉强度最小,为230MPa；而试样的布氏硬度略有增加,当含钛量为0.149%时,试样的布氏硬度最大,为219HBW。钛在含氮灰铸铁中的存在形式有以下两种：少部分固溶于基体中,呈均匀分布；大部分与铁液中的碳、氮形成钛的碳氮化物,并多以三角形、四边形及带棱角的不规则块状镶嵌于基体之中,呈弥散分布。在适当含氮量（0.0080%左右）基础上,当含铌量在0.004%～0.177%范围内时,试样的金相组织主要为A型石墨+细片状珠光体,当含铌量>0.051%时,组织中出现了少量D、E型石墨。试样的抗拉强度和硬度随着含铌量的增加而逐渐增加,当含铌量为0.177%时,试样的抗拉强度和硬度达到最大值,分别为360MPa和226HBW。铌在灰铸铁中的存在形式有以下两种：少量固溶于基体中,呈均匀分布；大部分以富铌碳氮化物Nb（C,N）形式镶嵌于金属基体中,其形态有方形、菱形,不规则的条状和棒状。综上所述,在本试验范围内,采用氮、钛微合金化,试样的抗拉强度有所下降；而采用氮、锰和氮、铌微合金化,可以显著提高灰铸铁的强度和硬度。当含氮量为0.0085%、含锰量为1.24%时,试样的抗拉强度和硬度分别为307MPa和237HBW,且铸件表面下无气孔缺陷；当含氮量为0.0079%、含铌量为0.177%时,试样的抗拉强度和硬度分别达到360MPa和226HBW。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 灰铸铁的金相组织和力学性能特点
• 1.1.1 灰铸铁的金相组织特点
• 1.1.2 灰铸铁的力学性能特点
• 1.2 灰铸铁在工业生产中的应用现状
• 1.3 高强度灰铸铁的研究现状
• 1.3.1 高强度灰铸铁的组织特征
• 1.3.2 常规五大元素的影响
• 1.3.3 常用合金元素的影响
• 1.3.4 微量元素的影响
• 1.3.5 获得高质量铁液的研究
• 1.3.6 合成灰铸铁工艺的研究
• 1.3.7 孕育处理工艺的研究
• 1.4 研究目的、意义及内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 研究技术路线
• 2 试验内容及过程
• 2.1 试样化学成分设计
• 2.1.1 化学成分设计
• 2.1.2 微合金化元素
• 2.2 试样的制备
• 2.2.1 造型工艺
• 2.2.2 熔炼及浇注工艺
• 2.2.3 孕育处理工艺
• 2.3 组织观察及分析
• 2.3.1 金相组织观察
• 2.3.2 扫描电子显微镜及能谱分析
• 2.4 力学性能检测
• 2.4.1 拉伸试验
• 2.4.2 硬度试验
• 3 氮对灰铸铁组织及性能的影响
• 3.1 试样的化学成分
• 3.2 氮对灰铸铁组织的影响
• 3.2.1 氮对灰铸铁石墨组织的影响
• 3.2.2 氮对灰铸铁基体组织的影响
• 3.2.3 氮对灰铸铁共晶团组织的影响
• 3.2.4 含氮灰铸铁基体组织中的元素分布
• 3.3 氮对灰铸铁力学性能的影响
• 3.4 本章小结
• 4 钛对含氮灰铸铁铁组织及性能的影响
• 4.1 试样的化学成分
• 4.2 钛对含氮灰铸铁组织的影响
• 4.2.1 钛对含氮灰铸铁石墨组织的影响
• 4.2.2 钛对含氮灰铸铁基体组织的影响
• 4.3 钛在含氮灰铸铁基体组织中的存在形式
• 4.4 钛对含氮灰铸铁力学性能的影响
• 4.5 本章小结
• 5 铌对含氮灰铸铁组织及性能的影响
• 5.1 试样的化学成分
• 5.2 铌对含氮灰铸铁组织的影响
• 5.2.1 铌对含氮灰铸铁石墨组织的影响
• 5.2.2 铌对含氮灰铸铁基体组织的影响
• 5.2.3 铌对含氮灰铸铁共晶团组织的影响
• 5.3 铌在含氮灰铸铁基体组织中的存在形式
• 5.4 铌对含氮灰铸铁力学性能的影响
• 5.5 本章小结
• 6 主要结论
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢