Si对高铬铸铁组织和力学性能的影响外文翻译资料

Si对高铬铸铁组织和力学性能的影响

本文研究了Si对高铬铸铁显微和力学性能的影响。当Si含量从0.5%增加到1.5%时，共晶碳化物被大大细化,并且从奥氏体基体向珠光体转变。共晶组织的细化是由于共晶温度的降低，而奥氏体基体向珠光体的转变与基体中碳的溶解度增加有关。珠光体基体有两种：一种为层状珠光体，分布在外围。第二种为粒状珠光体，分布在中央。当Si含量从0.5%增加到1.5%时，从基体中析出的二次碳化物密度也大大增加了。这与含1.5%Si合金的基体中更多的碳铬元素被限制有关。含0.5%Si的合金中有更多的棒状微粒，而含1.5%Si合金二次碳化物形态是颗粒状的。力学性能在拉伸强度方面从586提升到626 MPa，改善了7%，而冲击韧性从5.8改善到了7.3 J /cm2。

关键词：铸铁，光学显微镜，相变，X光

1. 介绍

高铬铸铁由于其优异的耐磨损性，常用于工业用途上，如水泥制造、采矿和选矿。其优异的耐磨性是由于大量的硬质共晶碳化物 (M7C3)以及马氏体的微观结构。亚共晶高铬铸铁的铸态组织包含了初生奥氏体以及奥氏体与M7C3型碳化物的低共熔混合物。

微合金化是提高高铬铸铁性能的有效方法。研究人员尝试了不同的碳化物形成元素，如钛、铌和钨，以改善高铬铸铁的微观结构和耐磨损性。铌和钛的增加对高铬铸铁的影响在于优先形成了比其他碳化物 (M7C3)硬度更高的NBC或TiC。NBC或TiC的形成减少了基体中的碳含量，使得双方的韧性和耐磨性同时改善。Efremenko等人研究认为，被称为石墨化元素的硅元素，它不促进碳形成元素，而是抑制碳形成元素，并且几乎被限制在基体中。Jacuindeet等人研究了硅元素以及硅富铈混合稀土的一种功能——高铬白口铸铁的磨损行为。当硅含量超过3%时，奥氏体开始向珠光体转变。不过本文讨论的不是奥氏体向珠光体的转变机制。目前的研究目的是当硅含量增加时，机制转变的类型以及二次碳化物析出与高铬铸铁力学性能之间的关系。本文详细研究了硅对高铬铸铁组织性能的影响。

1. 实验步骤

在目前的工作中，高铬铸铁的确切化学成分见表格1。熔化过程是在一个中频感应炉中操作，熔化温度控制在1450℃和1500℃之间。脱渣脱氧之后，熔化的合金铸铁在1430℃温度下在200*300 mm尺寸的金属模具中浇注。

表1：高铬白口铸铁的化学成分（质量分数）

图1：合金的铸态金相组织（a图代表合金A，b图代表合金B）

铸铁圆柱棒加工去除铸块表层后，切成试样做金相分析，用线切割机把切割的试样力学实验和热处理。在4%硝酸酒精溶液腐蚀之前，把用来显微观察的样本进行机械抛光。XRD样品只需抛光不用腐蚀。在光学显微镜(Leica D4500)和带有能量色散X射线光谱仪(EDS, GENESIS 60S)的扫描电子显微镜(SEM, Sirion 200)观察显微组织。通过Leica数字图像分析仪分析，铸态组织的残余奥氏体含量为32%，其中合金A和合金B各占16%。通过EDS得出的每个成分的数据代表了至少五次测试的平均值。用JMA-8230电子探针显微分析仪进行了电子探针分析。利用以10°C/min升温速率的差示扫描量热法(TAS100)测定了相变温度。利用X射线衍射(XRD, Rigaku D/max 2500)做了相分析。扫描速度为2℃/分钟。根据ASTM E8-08标准在圆柱试样上做了拉伸实验。根据ASTM E23-02a标准用冲击试验机(JB-300B)确定了无缺口试样(20 mmX20 mmX110 mm)的冲击韧性。三次结果取平均值。

1. 结果与讨论

3.1铸态组织

表1显示了合金的铸态组织。含有0.5 wt.% Si的合金A的微观组织由奥氏体基体里的共晶M7C3型碳化物组成，而含有1.5 wt.% Si的合金B的基体主要由珠光体组织和一些残余奥氏体组成。Si含量增加时共晶M7C3型碳化物大大被改善了。Bedolla-Jacuinde等人发现，直到Si含量到达1.5%之前，Si含量增加还会使基体类型的微观结构从奥氏体转变为珠光体。不过本文讨论的不是这种转变机制。

图2给出了合金的DSC加热曲线。共晶组织的细化机制是随着Si含量的增加，共晶温度降低。Bedolla-Jacuinde等人得出了类似的结论。他们研究了硅对C - Cr - Fe体系的液相线投影的影响，发现Si含量增加使得共晶成分转变为低碳的一侧，从而降低了形成初生奥氏体和共晶M7C3型碳化物的温度。因此Si含量增加大大改善了微观组织。

图2：实验合金的DSC曲线

如图3所示是通过SEM技术利用更高的放大倍数对基体的观察，合金A中是奥氏体，合金B中是珠光体。可以看出，合金B珠光体基体的外围主要由片状珠光体组成，而中心由粒状珠光体组成。表2显示了图2（a）和（c）的EDS分析的不同类型基体构成。与粒状珠光体区相比，片状珠光体区中含有更多的C和更少的Cr。标记为II和III的珠光体区比标记为I的奥氏体区含有更多的C和Si，前者C (12-20 at.%) ，Si (2.2 at.%)，后者C （3.5 at.% ）, Si （1.3 at.% ）。基体中碳的溶解度增加使得奥氏体向珠光体转变。在基体中碳的增加降低了奥氏体在高温下的稳定性，从而导致在随后的凝固过程中分解为珠光体。

图3 ：SEM图像的铸态组织：

（a图代表合金A，b图代表合金B，c图代表b图中被长方形标记区域的放大图，d图代表c图中标记II区域的放大图，e图代表c图中标记III区域的放大图）

表2：图3不同区域的EDS分析结果（%）

图4显示了利用EPMA技术对合金分析的 C、Si、Cr的映射分布扫描。如图4所示，在M7C3型碳化物之外的Si元素主要固溶于基体中。合金B珠光体中Si和C含量较高，这与表2的结果是一致的。在这两种合金中，基体的中心基本上比外围有更饱和的Cr元素分布。在合金A的奥氏体基体中，碳浓度小而均匀，而B合金珠光体的外围碳丰富，中心碳少。外围丰富的碳可能会降低Cr的溶解度，从而导致合金B中有更广泛的贫Cr区。在凝固过程中形成的C、Cr元素隔离可能与不同区不同类型的珠光体的形成有关。除了这些特征外，图4（d）中珠光体和残余奥氏体之间的碳浓度的差异表明随着Si增加，C元素的溶解度增加是奥氏体向珠光体转变机制的关键因素。

图4：对结构元素的分布进行了电子探针分析

（a图代表合金A，b图代表合金B，c、e、g图分别代表合金A中C 、Si、Cr的分布，d、f、h图分别代表合金B中C 、Si、Cr的分布）

3.2去稳后的组织

Bedolla-Jacuinde等人研究认为，950-1000℃时析出率最高。为了弄清去稳热处理过程中硅对基体组织的影响， 把合金试样从5分钟到14小时的时间里稳定在950 ℃环境下。图5显示了合金的基体曲线随时间变化的显微硬度。不稳定的峰值硬度从876 HV（合金A）到926 HV（合金B）。合金B的高硬度主要与致密二次碳化物沉淀有关。浸泡30分钟至6小时后合金的硬度有轻微下降，是因为析出物粗化。

图5：基体显微硬度与非稳态下时间的函数

图6显示了在950℃温度下经过30分钟和14小时热处理后的合金组织情况。微观结构表明了二次碳化物的广泛析出以及奥氏体或珠光体基体向马氏体的转变。合金B经过950℃30min热处理后，可以观察到在去稳阶段，更为致密的二次碳化物在组织中析出，这导致了硬度的提高，见表5。合金A中有较多的棒状二次碳化物，而合金B的二次碳化物形貌为颗粒状。

图6：失稳热处理后的组织

（a、b图分别代表合金A和合金B在950℃温度下经过30分钟，c、d图图分别代表合金A和合金B在950℃温度下经过14小时）

表3列出了利用EPMA技术分析出的不同状态下的基体的化学成分。合金B铸态珠光体基体中有较高的碳和铬元素，而合金A的基体在失稳14 h后具有较高的碳、铬浓度。碳、铬、钼元素在去稳过程中使得二次碳化物析出。为了进一步了解基体形成对二次碳化物析出的影响，表4中列出了铸态与热处理的元素浓度差。合金B中较高的△C 和△Cr表明，通过吸收碳、铬、钼元素可以从基体中析出更多的二次碳化物。合金A中（图6c）存在较多的棒状颗粒可能是因为基体组成中更高的(△Cr △Mo)/ △C比例。更高的(△Cr △Mo)/ △C比例意味着合金A中二次碳化物有更高的Cr/C比例。更高的Cr / C比例可能会导致合金A中有较多的棒状颗粒。Power and Laird发现随着Cr/C比例增加，从基体中析出的二次碳化物会从颗粒状转变为棒状。Wiengmoon也发表了类似的结论。

表3：在不同状态下基体的化学成分（%）

表4：铸态与热处理态下浓度差的总结

表5：合金热处理后的力学性能

图7：断口形貌的SEM照片（a图代表合金A，b图代表合金B）

3.3力学性能

在使用之前，通过采取去稳热处理和亚临界热处理，改变合金的显微组织。表5中列出了在950℃温度下失稳半小时以及500℃温度下回火3小时的两个实验合金的拉伸强度和冲击韧性情况。随着硅的加入，拉伸强度和冲击韧性都有所提高。合金B中更高的抗拉强度可能是因为基体中析出的二次碳化物有更好的微观组织以及致密的沉淀。合金B中更细小的组织结构以及低碳马氏体和铬元素导致了冲击韧性的提高。通过评估断口的微观图的变化，可以发现冲击韧性有所改善 这两种合金的断口形貌的SEM图像如图7所示。这两个试样展现出脆性断裂和韧性断裂的混合情况，其中以脆性断裂为主。合金A的断裂面更宽也更明显，而合金B的断裂面更窄，并且有些许凹处，这意味着合金B有更好的延展性。这样的结果意味着高铬铸铁塑性的改善是因为Si的加入。

4．结论

1.当Si含量从0.5%增加到1.5%时，共晶碳化物被大大细化,并且基体从奥氏体向珠光体转变。珠光体微观结构有两种类型，其中层状珠光体分布在外围，粒状珠光体分布在中心。层状珠光体比粒状珠光体中有更高的C含量和更低的Cr 含量。

2. 当Si含量从0.5%增加到1.5%时，从基体中析出的二次碳化物的密度也增加了。含有0.5 wt.

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[138280]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word