镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁组织及性能的影响

论文摘要

近年来风电产业发展迅速,未来风电将朝着单机大型化、高可靠性、向海上和规模化发展,针对这种情况,研发了低温高韧性耐蚀球墨铸铁。本课题在低温高韧性耐蚀球墨铸铁中加入1.2%～1.8%镍以及2.0%～2.5%硅,并对铸态试样进行石墨化退火处理,通过金相组织观察、SEM扫描、能谱分析、XRD分析、拉伸试验、布氏硬度试验、低温冲击韧性试验以及耐腐蚀性能试验,研究了镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁的组织和性能的影响规律。试验结果表明,低温高韧性耐蚀球墨铸铁的铸态组织由球状石墨、铁素体、珠光体及少量渗碳体组成。石墨大小等级为6～8级,球化等级为1-3级,镍和硅对石墨大小及形态没有影响。铸态试样的珠光体量随镍量增加而增加,随硅量的增加而减少。当Si含量为2.03%,Ni含量为1.78%时,铸态试样中的渗碳体量最多,为10%。石墨化退火热处理后,试样珠光体量减少,铁素体量增加,渗碳体完全消除。当硅量一定时,材料随着含镍量的增加硬度、抗拉强度升高,伸长率降低；当镍量一定时,材料随着含硅量的增加硬度、抗拉强度升高,伸长率降低。当Si含量为2.01%,Ni含量为1.20%时,抗拉强度为458MPa,伸长率高达23.0%。拉伸断口的微观形貌中均有大量的韧窝,均呈现出韧性断裂特征。材料随着镍量的增加冲击功降低,冲击断口的脆性断裂特征加剧；随着硅量的增加材料冲击功降低,冲击断口的脆性断裂特征加剧。当Si含量为2.01%,Ni含量为1.20%时,其20℃、-20℃、-40℃的冲击功AKv都最高,分别达到18.8J、16.3J、13.6J。经NaCl腐蚀溶液腐蚀发现,腐蚀开始于基体晶界以及铁素体-石墨界面处,随着时间的推移界面腐蚀宽度增加,基体腐蚀加深,基体与石墨因腐蚀程度不同而呈现的凹凸不平现象也更明显。硅量一定时,随镍量的增加腐蚀速率不断降低；镍量一定时,随硅量的增加腐蚀速率不断降低。各试样腐蚀速率都小于0.1g.m-2.h-1,耐蚀等级都为1级,在3.5%NaCl腐蚀液中的腐蚀速率最低为0.04286g.m-2.h-1。腐蚀反应会生成Fe3O4腐蚀产物,微量的Fe3O4残留在基体内部,组成一层Fe3O4内锈层,这种内锈层粘附力较强、致密度较高,而且对氯离子及溶解氧向基体内部的扩散起到了一定的阻碍作用,可以使腐蚀反应趋于钝化。总之,为了使低温高韧性耐蚀球墨铸铁-20℃或-40℃的低温冲击功大于12J,并保证材料的强度大于400MPa,耐蚀性能小于0.1g.m-2.h-1,则基体组织中铁素体量要大于95%,Ni元素含量不能超过1.5%,Si元素含量不能超过2.3%,但也不能低于1.9%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 低温高韧性耐蚀球墨铸铁的研究现状
• 1.2.1 球墨铸铁低温韧性的研究现状
• 1.2.2 球墨铸铁耐海水腐蚀性能的研究现状
• 1.3 课题的研究意义
• 1.4 研究目标、内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 研究技术路线
• 2 试验方法及过程
• 2.1 成分设计及原材料的选择
• 2.1.1 成分设计
• 2.1.2 原材料的选择
• 2.2 试样制备
• 2.2.1 砂型制备
• 2.2.2 熔炼及浇注工艺
• 2.2.3 球化及孕育工艺
• 2.2.4 热处理工艺
• 2.3 组织观察及分析
• 2.3.1 金相组织观察
• 2.3.2 SEM扫描电镜采集照片
• 2.3.3 SEM扫描电镜能谱分析
• 2.3.4 XRD物相分析
• 2.4 力学性能检测
• 2.4.1 抗拉强度与伸长率
• 2.4.2 布氏硬度
• 2.4.3 低温冲击性能检测
• 2.5 腐蚀试验
• 2.5.1 腐蚀速率的测定
• 2.5.2 极化曲线的测定
• 3 镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁组织的影响
• 3.1 化学成分分析结果
• 3.2 铸态组织分析
• 3.2.1 石墨
• 3.2.2 铸态组织
• 3.3 热处理工艺及组织分析
• 3.3.1 热处理工艺的确定
• 3.3.2 热处理后的组织分析
• 3.4 本章小结
• 4 镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁力学性能的影响
• 4.1 镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁常温力学性能的影响
• 4.1.1 硬度试验结果及分析
• 4.1.2 拉伸试验结果及分析
• 4.2 镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁低温冲击韧性的影响
• 4.3 本章小结
• 5 镍和硅对低温高韧性耐蚀球墨铸铁耐蚀性能的影响
• 5.1 腐蚀形貌分析
• 5.1.1 宏观腐蚀形貌分析
• 5.1.2 微观腐蚀形貌分析
• 5.2 腐蚀试验结果与分析
• 5.2.1 全浸腐蚀试验结果与分析
• 5.2.2 电化学试验结果与分析
• 5.3 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