高硼铁基系列铸造耐磨合金研制及其应用研究

论文摘要

传统的耐磨材料都是以合金碳化物为抗磨骨架,本论文创新性地提出以硬度更高、稳定性更高的硼化物和硼碳化合物为抗磨骨架,以高强韧性马氏体为基体的高硼铁基系列铸造耐磨合金。高硼铁基系列铸造耐磨合金以我国富有的硼、铬、钛为主要合金元素,不含有镍、钼、钨、钒等合金元素,具有低成本、高硬度、良好耐磨性和强韧性,同时,铸态硬度低,成型工艺性好,容易切削加工,克服了高铬铸铁和高锰钢铸态难以加工的问题,适用制造尺寸精度要求高的耐磨零件。因此,高硼铁基系列耐磨合金是一种新型的耐磨材料,可以部分替代高铬铸铁和高锰钢材料。本学位论文依托于国家863计划项目,在以下方面进行了实验研究。在论文中,将高硼铁基系列耐磨合金分为低碳低硼系列（0.2～0.4%C、1.0%B左右）、中碳硼变化系列（0.3～0.45%C固定, 0.5～3.0%B）和高碳高硼系列（0.5～1.0%C, 2%B左右）三个系列,对其合金的熔炼方法、合金的净化精炼工艺、铸造凝固过程和组织、热处理工艺和热处理后的组织和性能、合金在二体磨损和三体动载磨损条件下的耐磨性能及工业应用进行了较为全面的研究。本研究采用铝、钛脱氧和定氮、冲入法稀土变质处理的熔炼工艺,并开发了钢包底部安装透气塞吹入氩气工艺,通过陶瓷透气塞向钢液中吹入氩气净化钢液。吹氩净化后钢液中的夹杂物明显减少,有利于改善高硼铸钢的强韧性能。借助于光学显微镜、扫描电镜SEM、透射电镜TEM、X衍射和Leica图像分析仪等手段,研究了高硼铁基系列耐磨合金的铸态组织、热处理后的组织及合金元素对组织和性能的影响。结果表明:①低碳低硼系列合金的铸态组织主要由两部分组成:珠光体和铁素体基体+鱼骨状的共晶硼化物和晶界分布的硼碳化合物。中碳、硼变系列合金铸态组织受含硼量影响很大,随着含硼量的增加,共晶硼化物和二次硼碳化合物的体积分数明显增加。当硼含量超过2%时,铸态组织中会出现（γ+Fe2B+ Fe3（B,C））三元包晶组织,而硼含量对基体组织没有影响;高碳高硼系列的合金铸态组织除了有大量的共晶组织外,还会出现（γ+Fe2B+ Fe3（B,C））三元包晶组织,随着含碳量增加,三元包晶组织有所增加。②在950～1100℃奥氏体化淬火+200℃回火后,合金的鱼骨状共晶硼化物和菊花状的包晶组织变化不大,部分网状二次硼碳化合物有断网现象,基体组织全部转变为马氏体组织。低碳低硼系列合金的基体主要由宽度约0.1～0.2μm的板条马氏体组成,当奥氏体化温度超过1050℃时,合金基体中会出现部分针状马氏体;中碳和高碳高硼系列合金的基体主要由混合马氏体组成。③含碳量和含硼量对高硼铁基合金中硼化物和硼碳化合物体积分数的影响为:在硼量一定的情况下,碳含量的增加使硼碳化合物的体积分数增加,根据实验数据,含碳量每增加0.1%,硼碳化合物的体积分数增加1%左右,说明碳量的变化对硼碳化合物的体积分数的影响比较小;在含碳量一定情况下,硼含量对硼碳化合物的体积分数有十分明显的影响,呈y = 7.078e0.822x指数曲线变化,其中y-硼碳化合物,x-含硼量。④X射线物相分析结果表明:当高硼铁基合金奥氏体化温度超过1000℃时,合金内部的二次Fe23（C,B）6相消失,有利于消除“硼脆”现象,提高合金的韧性。借助于洛氏硬度试验、一次摆锤冲击试验、断裂韧性试验、ML-10销盘式和MLD-10冲击磨损试验,三个系列合金热处理后的力学性能及耐磨性试验结果为:①低碳低硼系列合金的硬度低、冲击韧性和断裂韧性较高;中碳硼变化系列合金含硼量的变化对其热处理后的宏观硬度、冲击韧性和断裂韧性有明显的影响;高碳高硼系列合金随着含碳量的增加,合金的硬度明显增加,而碳量变化对合金的冲击韧性的影响较小,高碳高硼系列的冲击韧性在7.510 J/cm2范围。②在二体磨粒磨损的条件下,无论低载荷还是高载荷,低碳低硼系列合金的磨损性能相对于高铬铸铁要低;中碳硼变化系列合金当硼含量小于1.5%时,高硼铁基合金的耐磨性与高铬铸铁相当,当硼含量超过1.5%时,高硼铁基合金的耐磨性明显大于高铬铸铁,含硼量越高,高硼铁基合金的耐磨性越高;高碳高硼系列合金的耐磨性都明显的优于高铬铸铁,耐磨性最好的合金接近于高铬铸铁的3倍。③在三体动载磨粒磨损的条件下,低碳低硼系列合金的三体磨粒磨损的耐磨性比高铬铸铁稍好;中碳硼变化系列合金硼含量低于2.0%的高硼铁基合金的耐磨性优于高铬铸铁,而硼含量大于2.0%的高硼铁基合金的耐磨性比高铬铸铁差;高碳高硼系列合金的三体磨粒磨损的耐磨性明显低于高铬铸铁,且随着含碳量的增加,耐磨性下降。低碳高硼铁基合金在磨球机磨球上的工业应用效果表明:低碳高硼铁基合金磨球比高铬铸铁磨球的耐磨性稍好,但低碳高硼铁基合金中合金元素加入量少,不含有镍、钼、钴等合金元素,生产成本比高铬铸铁降低30%以上,具有很好的经济效益。高碳高硼铁基合金在泥浆泵上的应用效果正在实际试验过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 耐磨材料的现状
• 1.2.1 锰系耐磨合金钢
• 1.2.2 铬系耐磨合金钢
• 1.2.3 抗磨白口铸铁
• 1.3 磨粒磨损及其磨损机理
• 1.3.1 磨料磨损的定义
• 1.3.2 磨粒磨损的简化模型
• 1.3.3 磨粒磨损的机制
• 1.3.4 影响磨粒磨损的因素
• 1.4 加硼铁基铸造耐磨材料研究现状
• 1.5 本研究的目的、意义
• 1.6 课题的来源及主要研究内容
• 第二章 高硼铁基耐磨合金材料的熔炼及试验方法
• 2.1 合金成分的设计
• 2.1.1 Fe－B 和Fe－B－C 相图分析
• 3C 二元相图的影响'>2.1.2 硼对 Fe－Fe₃C 二元相图的影响
• 2.1.3 硼在铁和钢中的存在形式
• 2.1.4 硼在钢中的主要作用
• 2.1.5 高硼铁基耐磨材料的成分设计
• 2.2 合金的熔炼和试样制备工艺
• 2.2.1 原材料的化学成分
• 2.2.2 高硼合金铸钢熔炼和纯净化处理
• 2.3 合金的试验内容和方法
• 2.3.1 合金的化学成分分析方法
• 2.3.2 合金的组织观察和物相分析方法
• 2.3.3 合金的性能检测设备
• 2.4 本章小结
• 第三章 高硼铁基耐磨合金凝固过程及铸态组织性能
• 3.1 高硼铁基耐磨合金凝固过程分析
• 3.1.1 熔炼后合金的化学成分
• 3.1.2 Fe-B-C 三元系相图及典型合金凝固过程分析
• 3.2 高硼铁基耐磨合金铸态凝固组织
• 3.2.1 低碳低硼系列的铸态凝固组织
• 3.2.2 中碳硼量变化系列的铸态凝固组织
• 3.2.3 高碳高硼系列的铸态凝固组织
• 3.3 高硼铁基耐磨合金铸态物相及成分分析
• 3.3.1 高硼铁基耐磨合金铸态物相分析
• 3.3.2 高硼铁基耐磨合金铸态成分分布
• 3.4 硼、碳含量对硼碳化合物体积分数的影响
• 3.4.1 硼碳化合物体积分数测定结果
• 3.4.2 碳含量对硼碳化合物体积分数的影响
• 3.4.3 硼含量的变化对硼碳化合物体积分数的影响
• 3.4.4 硼碳化合物的立体形貌
• 3.5 高硼铁基耐磨合金铸态性能及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 热处理对高硼铁基耐磨合金组织和性能的影响
• 4.1 热差分析法和热膨胀法联合测定合金的相变温度和CCT 图
• 4.1.1 差热分析法测定合金的相变温度
• 4.1.2 热膨胀法测定合金的相变点
• 4.1.3 硼推迟合金相变的机理
• 4.2 热处理工艺的制定
• 4.2.1 奥氏体化温度和保温时间的选择
• 4.2.2 冷却方式的选择
• 4.2.3 热处理后试样的代号
• 4.3 热处理后的组织观察及分析
• 4.3.1 低碳低硼系列的高硼铁基合金组织观察及分析
• 4.3.2 中碳硼变化系列的高硼铁基合金组织观察及分析
• 4.3.3 高碳高硼系列的高硼铁基合金的组织观察及其分析
• 4.4 热处理对高硼铁基合金物相的影响
• 4.5 热处理后的力学性能
• 4.5.1 低碳低硼系列高硼铁基合金热处理后的力学性能
• 4.5.2 中碳硼变化系列高硼铁基合金热处理后的力学性能
• 4.5.3 高碳高硼系列高硼铁基合金热处理后的力学性能
• 4.5.4 高硼铁基合金的断裂韧性
• 4.6 本章小结
• 第五章 高硼铁基合金的耐磨性及其磨损机理探讨
• 5.1 耐磨性的实验方法
• 5.1.1 金属材料耐磨性能的评定
• 5.1.2 实验所采用的对比试样
• 5.1.3 实验设备、实验条件及实验过程
• 5.2 耐磨性的实验结果及其分析
• 5.2.1 二体磨粒磨损实验结果及分析
• 5.2.2 三体磨粒磨损实验结果及分析
• 5.3 磨损面形貌观察及磨损机理探讨
• 5.3.1 二体磨粒磨损的磨损面形貌及磨损机制探讨
• 5.3.2 三体磨粒磨损的磨损面形貌及磨损机制探讨
• 5.4 本章小结
• 第六章 高硼铁基耐磨合金工业制备和应用研究
• 6.1 低碳高硼铁基合金在磨球机磨球上的工业应用
• 6.1.1 低碳高硼铁基合金的特点
• 6.1.2 低碳高硼铁基合金在磨球机磨球上的应用
• 6.2 高碳高硼铁基合金在泥浆泵上的工业应用
• 6.2.1 高碳高硼铁基合金的特点
• 6.2.2 高碳高硼铁基合金在泥浆泵上的应用
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢