钒对含碳化物等温淬火球墨铸铁组织和性能的影响

论文摘要

含一定碳化物的等温淬火球墨铸铁（carbidic austempered ductile iron,简称CADI）是由等温淬火球墨铸铁（ADI）派生出的一种新型的球铁材料。它是在ADI中添加一定量的碳化物形成元素,使铁水在凝固时产生一定量的碳化物,使其不但拥有ADI的各种优越性能,还表现出了比ADI更加优越的耐磨性,是一种应用前景较广的优良工程材料。本文通过金相组织观察、电子显微镜扫描能谱及X-射线衍射分析,洛氏硬度、拉伸、冲击及耐磨性试验,研究了钒及热处理工艺对CADI的组织、力学性能及耐磨性能的影响。铸态下含钒CADI的组织由珠光体、极少量铁素体和碳化物组成,组织中碳化物的存在形式为（Cr, Fe）7C3、VC和V4C3,且随着钒含量的增加,铸态组织中碳化物的含量逐渐增加,铸态试样的冲击韧度逐渐降低,洛氏硬度值逐渐升高。钒对CADI热处理后组织和性能的影响结果表明：随着钒含量由0%增加到0.71%,针状铁素体形貌变得细小,且数量增多,残余奥氏体量减少；250℃下等温淬火的试样的洛氏硬度值在51HRC-54HRC；试样的冲击韧度值先增大后降低,含钒量0.45%时达到最大值28.26J/cm2；试样的抗拉强度先升高后降低,含钒量0.45%时达到最大值1070MPa；试样的耐磨性逐渐升高,磨损形貌表面较为光滑和平整,“犁沟”逐渐变浅,微观切削量逐渐变少。奥氏体化温度对CADI组织和性能的影响试验结果表明：随着奥氏体化温度由840℃升高到920℃,250℃等温下各试样组织形貌由块状或板条状逐渐变为针状,残余奥氏体的量也逐渐增加。随着奥氏体化温度的升高,试样的洛氏硬度值先升高后降低,冲击韧度值则逐渐升高。等温淬火温度对CADI组织和性能的影响试验结果表明：900℃奥氏体化1.5h后,随着等温淬火温度从220℃升高到320℃,组织中马氏体量逐渐减少,贝氏体的量增多且逐渐增粗,残余奥氏体量增多；各试样的洛氏硬度值逐渐降低,而冲击韧度值由9.77J/cm2逐渐升高到65.74 J/cm2,其断口形貌也由解理台阶特征的脆性断裂变为由大量韧窝组成的韧性断裂；抗拉强度表现出先增大后降低,到280℃等温淬火时达到最大为1390MPa,试样的磨损率逐渐增加,耐磨性越来越差。等温淬火时间对CADI组织和性能的影响试验结果表明：900℃奥氏体化1.5h后,在250℃等温淬火0.5h的试样洛氏硬度值达到58.85HRC,可见马氏体量较多,而等温时间为1h、1.5h、2h、4h的试样均在53HRC左右；试样的冲击韧度值随等温时间的延长表现为先增大后降低,在保温1.5 h的时候达到最高点为27.65J/cm2。通过对不同含钒量CADI热处理工艺、组织及性能的研究,优化出当含钒量为0.45%的试样,经过900℃奥氏体化1.5h、250℃等温淬火保温1.5h热处理,组织中碳化物含量为10%,贝氏体形貌为针状的下贝氏体；硬度达到52.9HRC,冲击韧度值为28.26J/cm2,抗拉强度值为1070MPa,磨损率为0.61mg/m,保证了CADI材料良好的耐磨性和冲击韧性的综合性能。本课题开发的含碳化物的等温淬火球墨铸铁材料,具有高强、高韧、高硬度和与传统的耐磨材料如合金耐磨铸铁、铸造高锰钢、高铬铸铁相媲美的耐磨性,并由于其高韧性零件在使用过程中不易发生断裂,大大延长了工件的使用寿命,且添加的合金元素少,生产成本低,经济效益好,因此可应用于矿山、农机、建筑、铁路以及工程机械、交通运输等领域,具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ADI及CADI国内外发展现状
• 1.3 ADI和CADI的应用现状及前景
• 1.4 课题研究的背景和意义
• 1.5 课题研究的内容及目标
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究目标
• 1.6 课题的研究路线
• 2 试验过程及试验方法
• 2.1 化学成分设计
• 2.2 铸态试样的制备
• 2.2.1 砂型准备及配料
• 2.2.2 熔炼工艺
• 2.2.3 球化处理工艺
• 2.2.4 孕育处理工艺
• 2.2.5 浇注工艺
• 2.3 热处理方案的设计
• 2.3.1 热处理工艺对CADI组织及性能的影响
• 2.3.2 热处理工艺方案的设计
• 2.4 显微组织观察及分析
• 2.4.1 金相组织观察
• 2.4.2 扫描电镜能谱分析
• 2.4.3 X射线衍射分析
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 洛氏硬度测试
• 2.5.2 冲击韧度测试
• 2.5.3 耐磨性能测试
• 2.5.4 拉伸性能测试
• 3 钒对CADI组织和性能的影响
• 3.1 化学成分分析结果
• 3.2 钒对CADI铸态组织和性能的影响
• 3.2.1 钒对CADI铸态组织和性能的影响
• 3.2.2 钒对CADI铸态性能的影响
• 3.3 钒对CADI热处理后组织的影响
• 3.3.1 CADI热处理后组织的能谱分析
• 3.3.2 X射线衍射物相分析
• 3.3.3 钒对CADI显微组织组织形貌的影响
• 3.4 钒对CADI热处理后性能的影响
• 3.4.1 钒对CADI硬度的影响
• 3.4.2 钒对CADI冲击韧度的影响
• 3.4.3 钒对CADI抗拉强度的影响
• 3.4.4 钒对CADI耐磨性的影响
• 3.5 本章小结
• 4 等温淬火工艺对CADI组织和性能的影响
• 4.1 奥氏体化温度对CADI组织和性能的影响
• 4.2 等温淬火温度对CADI组织和性能的影响
• 4.2.1 等温淬火温度对CADI组织的影响
• 4.2.2 等温淬火温度对CADI硬度和冲击韧度的影响
• 4.2.3 等温淬火温度对CADI抗拉强度的影响
• 4.2.4 等温淬火温度对CADI耐磨性的影响
• 4.3 等温淬火时间对CADI组织和性能的影响
• 4.4 本章小结
• 5 主要结论
• 参考文献
• 个人简历及攻读硕士学位期间发表的学术论文及成果
• 致谢