高铬白口铸铁球形顶头改性研究

论文摘要

高铬白口铸铁是一种应用非常广泛的耐磨材料，其组织及性能的优劣直接影响了实际生产的效率及成本，因此对其组织及性能的研究具有非常重要的意义。本文从某钢厂无缝钢管轧管机球形顶头的生产实际出发，在对该钢厂现有球形顶头失效分析及阅读和总结大量国内外相关研究成果的基础上，对某钢厂原高铬白口铸铁进行适当的成分优化、变质处理及热处理工艺改进，利用金相组织观察、洛氏硬度测定、冲击韧性试验、滑动磨损试验、XRD物相测定、SEM组织形貌观察及EDS能谱成分测定等手段，较系统地研究和探讨热处理及RE和V变质处理工艺对高铬白口铸铁组织及性能的影响。研究结果表明：经成分优化后的高铬白口铸铁（2.03%C、18.02%Cr），在770℃1200℃温度范围内进行脱稳处理，铸态奥氏体组织向马氏体组织转变，同时析出二次碳化物，试样硬度和耐磨性能随温度的提高呈先增后减的趋势，在1010℃时出现峰值。采用1010℃×5h淬火+砂冷，400℃×5h回火+砂冷的脱稳热处理工艺处理后的高铬白口铸铁铸态冲击韧性为4.9J/cm2、硬度达55.2HRC，磨损失重较铸态试样减少了16%，材料耐磨性能得到一定程度的提高。分级保温处理可使高铬白口铸铁硬度得到大幅提高的同时，冲击韧性仍保持很高水平。在本试验温度范围内，高铬白口铸铁的硬度随第一级保温温度的提高而降低，随第二级保温温度的提高而提高；冲击韧性随第一级保温温度提高而提高，随第二级保温温度的提高而降低；磨损失重随第一级保温温度及第二级保温温度的提高均呈现先减后增的趋势。采用1150℃×2h→炉冷→890℃×4h→砂冷→400℃×5h→砂冷的分级保温处理工艺处理后的试样，在硬度高达52HRC的同时，冲击韧性高达5.76J/cm2，磨损失重较铸态试样减少了24%，较常规脱稳处理优化工艺处理后的试样减少了10%，耐磨性能明显提高。研究结果还表明：适量的RE和V复合变质处理高铬白口铸铁（2.03%C、18.02%Cr），可显著细化显微组织晶粒，改善碳化物的形态及分布，共晶碳化物形态由连续、网状、粗大板条状向孤立、断续、细小条状转变，基体组织连续性提高。当采用复合变质处理（0.9%V+1.0%RE）+热处理（1150℃×2h→炉冷→890℃×4h→砂冷→400℃×5h→砂冷）时，材料硬度高达53HRC，冲击韧性高达6.72J/cm2，磨损失重较未进行变质处理铸态试样减少了35%，耐磨性能显著提高。采用该工艺试制的球形顶头使用效果良好，使用寿命为未改进铸态球形顶头的3倍左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 耐磨铸铁发展现状
• 1.2.1 普通白口铸铁
• 1.2.2 镍硬白口铸铁
• 1.2.3 铬系白口铸铁
• 1.3 高铬白口铸铁
• 1.3.1 高铬白口铸铁的凝固行为
• 1.3.2 高铬白口铸铁中基体组织的选择
• 1.3.3 高铬白口铸铁中的碳化物
• 1.4 高铬白口铸铁的改性研究现状
• 1.4.1 化学成分设计
• 1.4.2 变质处理
• 1.4.3 热处理工艺设计
• 1.4.4 铸造工艺设计
• 1.5 本课题研究的目的及意义
• 1.6 本课题的研究内容
• 第二章 试验研究过程及方法
• 2.1 试验设计思路
• 2.2 球形顶头失效分析
• 2.3 化学成分设计
• 2.3.1 高铬白口铸铁化学成分设计思路
• 2.3.2 合金元素的确定及变质的选择
• 2.3.3 变质剂的选择
• 2.4 熔炼及浇注工艺
• 2.5 试样的热处理工艺
• 2.6 组织观察
• 2.6.1 金相组织观察
• 2.6.2 SEM 扫描电镜组织观察及 EDS 能谱成分分析
• 2.6.3 XRD 物相分析
• 2.7 力学性能测试
• 2.7.1 硬度测定
• 2.7.2 冲击韧性测定
• 2.7.3 耐磨性能测定
• 第三章 高铬白口铸铁球形顶头的失效分析
• 3.1 引言
• 3.2 球形顶头的工况及受力分析
• 3.3 球形顶头失效分析
• 3.4 球形顶头性能要求及建议改进措施
• 3.4.1 球形顶头性能要求
• 3.4.2 建议改进措施
• 第四章 高铬白口铸铁的热处理工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 铸态试样组织及性能分析
• 4.2.1 组织观察及分析
• 4.2.2 性能测试及分析
• 4.3 脱稳处理工艺探讨
• 4.3.1 脱稳处理温度的影响
• 4.3.1.1 试验方法
• 4.3.1.2 试验结果及分析
• 4.3.2 脱稳处理正交试验
• 4.3.2.1 脱稳处理正交试验方法
• 4.3.2.2 脱稳处理正交试验结果及分析
• 4.4 分级保温处理工艺探讨
• 4.4.1 试验方法
• 4.4.2 试验结果及分析
• 4.4.2.1 分级保温处理对组织的影响
• 4.4.2.2 分级保温处理对力学性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 变质处理对高铬白口铸铁组织及性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 试验内容
• 5.3 RE 变质处理对高铬白口铸铁组织及性能的影响
• 5.3.1 XRD 物相分析
• 5.3.2 铸态组织分析
• 5.3.3 热处理态组织分析
• 5.3.4 RE 变质处理对高铬白口铸铁力学性能影响
• 5.3.4.1 硬度的影响
• 5.3.4.2 冲击韧性的影响
• 5.3.4.3 耐磨性能的影响
• 5.4 V 变质处理对高铬白口铸铁组织及性能的影响
• 5.4.1 XRD 物相分析
• 5.4.2 铸态组织分析
• 5.4.3 热处理态组织分析
• 5.4.4 V 变质处理对高铬白铸铁性能的影响
• 5.4.4.1 硬度的影响
• 5.4.4.2 冲击韧性的影响
• 5.4.4.3 耐磨性能的影响
• 5.5 工业应用与使用效果
• 5.6 本章结论
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢