第30卷第6期2007年11月兵器材料科学与工程ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGV01.30N0.6N0v。2007复合变质对过共晶高铬铸铁凝固组织的影响4马幼平1,李泽宇1,刈玉高2,赵峰1。李惶1.扬蕾(1.西安建筑科技大学冶金工程学院.陕西西安710055;2.莱阳农学院机电工程学院,山东青岛266109)摘要:采用Mg基复合变质处理的方法.探讨过共品高铬铸铁凝固组织的变化特征。研究结果表明,经过Mg基复合变质处理后,铁水的表面张力提高.铁液得到净化,同等冷却条件下,铁液凝固时热力学过冷度增大,不仅使凝固组织中伪共晶程度明显加剧,共晶组织数量有所增加,而且显著改善碳化物形态,从而使高铬铸铁的冲击韧性有较大提高。美瞿词:复合变质;高铬铸铁;凝固;碳化物;冲击韧性中国分类号:1G143.7文献标识码:A文章编号:1004—244X(2007)06—0035—03雎ec协0f啪pollndm出枷佃∞mi讯劬眦t哦0fhypemnee啦hi曲ch唧i岫c哪i啪MAYou—Pin^uze—yLll,uuYu—g∞2,zHAOF。n91,uJun‘,YANcki0f(1.sch∞lofMetallIl画cEnginee^ng,xl’如unive瑁崎0fArchitectu陀&Techn010异y,Ⅺ’蛐710055.chiTla;2.Sch001Mech扑icalandElectricaIEnginee^“g,L丑iy姐gA甜cultIl叫unive璐畸。Qingdao266109.china)^h嘲:necharacte^自tics0f舯lidific“oⅡmicfostnlctllreimn.11lewe撑BtudiedbyaddingMg—mat血compoundmod而erinhypereutecⅡch岫chr鲫iumw鹅pu噼d出ermodmcati伽,舶岫d。greet}le皿0dyIl锄icsupercoolingr惦e,111uBcau酊“gpseudoeutectic89呻vatedr蛐a6cally叩dthe0famounteuteclic甜Ⅲcture;nc地越e,曲ddlem呷holo盯0fcarbide8w雎impmvedsi印击c粕tly.Asa懈uIt,tlleiIllpa吐一castr瞄IlltB5howedtl-attllesudketenBion工0∞锄dtIlemehedimn0ftougIlnesspropertyw硒improvedg州nly.K叮-md。:c鲫poundmod遗cati叩;hig}lch唧iumc舳Iiron;舯udificatio“;cnrbide;impactto“ghne8e铁的质量分数为C2.9%、cr27%。试样成分的设计见表l,变质剂为Mg基复合变质剂。裹1试样的化学成分f质量分数.%I亚共晶高铬白口铸铁具有较高的抗磨性能和一定的韧性.多年来不仅在许多工业领域得到广泛应用“w.而且研究工作者们一直在不断挖掘其材料潜力来进一步提高其性能和使用寿命””】。同亚共晶高铬铸铁白口相比.过共晶高铬白口铸铁中由于粗大的初生M7c,型碳化物的出现,导致高铬铸铁的韧性等其它力学性能大幅度降低“.1ll,因此.过共晶高铬铸铁的应用甚少。如能改善过共晶高铬铸铁中初生碳化物的形貌。提高其冲击韧性,将会使过共晶高铬铸铁在实际磨损工况中的应用成为可能。笔者正是从这一思路出发,采用Mg基复合变质处理的方法,细化高铬铸铁的组织,改善初生碳化物的形态与分布。以期提高过共晶高铬铸铁的韧性,扩大其应用范围。T曲Ie1anembIcomposnio惦ofspecime鸺(ma嚣f旧cIion.%1.2试验步骤炉料在功率为25kw的GP一25型高频感应炉内熔化,待金属全部熔化后.在l450℃浇人砂型(此过程用红外线测温仪测量并记录铁水温度),试样浇铸砂型示意图见图1。采用包内冲人法进行变质处理。每炉铁水浇注出两个尺寸完全相同的试样,以验证组织和性能的重现性。试样冷却后.经过清砂、打磨,做成10mm×101试验方法及过程1-1原材料.mm×55蚴的标准冲击试样。冲击韧性由生铁的质量分数为C0.031%、S4.27%、sil.27%、Mnl‘3%、P(MK一36)36千克一米冲击试验机测定。试样冲断后,选取其中一截断面经粗磨、细磨、抛光后采用4%酒O.025%,废钢的质量分数为CO.2%,高铬铸‘收稿B朔:2006—09—15;修回日期:20町_01—29基金项目:陕西省自然基金项目(2∞4E111)作者倚介:马幼平(196l一).男,博士,教授。E-In血1:y叽Pingrrla615嘶“∞.comcn。万方数据兵器材料科学与工程第30卷精腐蚀30s左右,采用日产OLYMPusGx一5l型金相显微镜进行金相观察、拍照。最后用洛氏硬度计测定硬度,每个试样测3次.取其平均值。压边挠口砂型型腔图l浇铸示意陶F培1Schematicdi89ramforcasti“g2试验结果2.1化学成分分析结果各个试样的化学成分分析结果见表2。裹2试样的实际化学成分I质量分数.%)Table2Chem妇lcom口ositDnsofspecImen8fma鲭f忸ctlon,%22金相显微组织殛力学性能图2、图3分别为含铬量12%、15%的过共晶高铬l圭I2D12系列试样的显徽组织Fig2MiclogtnIctu陀s0fspeoimenscontaining12%cr万方数据图3crl5系列试样的显微组织Fig3Micmstmctu啷of8pecimenscontaini“g15%cr铸铁的凝固组织。其中a系列未进行变质处理,b系列经复合变质处理。从a系列与b系列的对比可以看出,试样经复合变质处理后.缩孔缩松数量明显减少;在同样的冷却条件下,经变质处理后的试样过共晶程度有所下降.共品组织数量相应增加,初生碳化物数量减少.形貌也有较大改善。两个成分系列的高铬铸铁铸态力学性能见表3。裹3试样的力学性能Table3MechanbaIproI艳niesofspecmens3分析与讨论所选择的高铬铸铁化学成分处于过共晶范围.金属液结晶时首先析出初生碳化物.然后析出共晶组织.共晶碳化物为弥散分布的细片状。采用定量金相法分别测出:crl2中碳化物约为图2a中20.1%'b中7.3%;Crl5中碳化物约为图3a中25.2%'b中8.4%。可见经过Mg基复合变质处理后,初生碳化物数量明显减少(由于所设计的成分为过共晶,因此主要考虑的是初生碳化物)。试验采用TAS图像分析仪测定了试样中不同部位的^值,^代表碳化物纤维之间的平均距离,可以表示碳化物的孤立程度。测试结果取平均值分别为:第6期马幼平等:复合变质对过共晶高铬铸铁凝固组织的影响Crl2图2a中^为10.15斗m'b中^为50.2l¨m;Crl5图3a中为11.16斗m'b中为60.12斗m。可知碳化物明显孤立化.且形状更为圆整.组织更为细化,这是由于变质作用改变了碳化物的形核条件及生长条件.抑制了其择优取向,减弱了其生长的各向异性。因而经复合变质处理的高铬铸铁的冲击韧性比未变质处理的高铬铸铁的冲击韧性有较大提高,见表3。Mg基复合变质处理的作用首先在于净化铁液。高铬铸铁处于液态时不是单一的Fe、C、Cr等元素原子的均匀熔液,其中含有大量的杂质如s、P等及其化合物,同时在高温下又会吸量的氧、氮等气体。把Mg基复合变剂加人到铸铁液中,Mg作为活性很强的金属元素易与铸铁熔液中的硫、磷、氧等发生反应.生成M格及M妒等反应产物,可以有效的去除S、P、O等杂质”“.因此经复合变质处理后,达到了去气和净化的目的,因而缩孔缩松的数量明显减少.组织更加致密.硬度有微量提高。而镁净化铁液中的硫磷等杂质还有另外两方面意义:一是镁跟铁液中的硫磷等发生反应.降低铁液中的杂质含量,从而减少了非均质形核的衬底。降低了铸铁液中非均匀形核的可能性:二是由于硫、磷等是表面活性元素。这些元素具有降低金属渡体的表面张力的作用.镁的净化作用导致铸铁液中所含的表面活性元素含量下降,从而促使金属液体的表面张力增大,而金属液体的表面张力与叽呈正相关关系.巩的增大促使临界形核功加大,在此种情况下,无论对于均匀形核还是非均匀形核.都需要在更大的过冷度下才能形核。由于这两个方面造成的热力学过冷的叠加.总的过冷度明显加大,因此铸铁凝同时,只能在较低的温度下才能形核。而且此种情况下.均匀形核所占的份额增大了,这是组织细化的热力学原因。温度的影响主要体现在对于铸铁熔液中的各种金属、非金属元素原子的扩散系数的影响上.已知,、D:D0exp(一壬鲁)“…,所以随温度的降低,各种元素原nJ子的扩散倾向都变弱。扩散跟不上,晶核长大的速度与形核的速度比较而言就要变慢,这是组织细化的动力学原因。Mg基复合变质处理的另外一个作用是它的吸附性。铁液中的镁不可能完全与硫磷等发生反应.因此在铁液中镁具有一定的固溶量,而镁是表面活性元素.极易吸附于铸铁熔液的液固界面处.一旦铸铁中形成了形核核心,镁在此核心表面的富集将起到一层膜的作用,这层膜对于基体组织及碳化物的长大动力学具有重要意义,因为在所研究的铸铁熔液中碳化物的形成及长大与碳及铬的供应情况关系密切。镁的吸附膜对万方数据碳、铬的供应会造成较大的阻碍,通过这样的物理阻碍,抑制碳化物择优长大的倾向,同时对未凝固的金属熔液起到阻碍形核及长大的作用,这样就会使得金属熔液的结晶过冷度大大降低,非平衡凝固占优势.过共晶程度明显减弱,获得了伪共晶组织。当碳含量为3.8%左右,铬含量分别为12%、15%时。均使共晶组织比例提高5%一10%。伪共晶程度的加剧及伪共晶组织的形成有利于碳化物的细化.从而对韧性的提高是非常有利的,但是对硬度影响不大。4结论1)经过Mg基复合变质处理后,12cr、15cr系高铬铸铁中的碳化物形貌得到显著改善,冲击韧性由未变质时的8.2J,cm2提高到变质后的11.OJ,cm2左右.宏观硬度保持在60HRc左右。2)Mg基复合变质剂的去气和净化作用使得热力学过冷度增加.不仅促进了合金液的均匀形核.形核率提高:同时由于相变温度的降低使得原子扩散速度降低,相应长大速度相对减少.从而使凝固组织得到细化。3)经Mg基复合变质处理后,过共晶高铬铸铁凝固组织中初生碳化物量不仅减少.而且尺寸变小.界面钝化.使过共晶高铬铸铁的硬度在不降低的条件下韧性显著提高。参考文献:[1]符寒光.提高低铬铸铁强韧性抗磨性研究的进展[J].热加工[2]‰n工艺.1995(2):49—51.CP.S唧IR.nee艉cIofheat骶at眦ntontlleab瑚ion唧n8t锄ceofalloywhiteimn[J].We盯,1997,203—2041206—219.[3]Ha曲sK.JD.Trmsf0肌liontougIlenjngwhiteca吼iron[J].Jo哪alofMatedalsScience,1997.32:1249—1259.[4]PdweuGLF.secondarycarbid。precipitauonin帅18wt%cr—1wt%Mowh】tei砌[J].J0umal0fMatedaIBscience.1996.31:707—711.C5]王兆昌.抗磨白口铸铁的台金化和变质处理的研究[J],北京钢铁学报.1982(1):23—31.[6]zumGahrKH.Abrasivewe盯ofwh.Iecastimn[J].wear.1980(64):17“194.[7]BerzaJM.we丑rarldimpaclI{e血BlaIItwhitec删i巾m[J].11leB^抽hFound时mn,198l(10):205_211.[8]SafeR.Abr∞ionm丽札叽ce明dhcttlretoughne够0fwh沁c船tiI口ns【J]Met且ls‰hn0109y,1979(11):412_419.[9]周庆德,饶启昌,苏俊义.铬系白口铸铁的磨损与断裂韧性[c]∥铬系抗唐铸铁(论文汇编).西安:西安交通大学出版社.1986:1-4.第30卷第6期2007年11月兵器材料科学与工程0RDNANCEMATERIALSCIENCEANDENCINEERlNGV01.30No.6N0v。2007轴承钢的室温尺寸稳定性研究韩庆礼,刘国权,向嵩,王安东(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)摘要:经过理论推导.结合实验数据得到cCrl5轴承钢室温时效丑程中的尺寸变化公式。利用c++语言编制了轴承钢室温时效过程尺寸变化的可视化预报模型。根据模型模拟结果表明.影响轴承钢硬化层尺寸稳定性的主要因素是残余奥氏体的含量和回火温度以及同火时间。残余奥氏体含量越低,回火越充分,则相应的试件的尺寸稳定性越好。闻此控制残余奥氏体的含量,提高回火温度.延长回火时间,使不稳定的马氏体尽量发生分解.是保证轴承钢材料尺寸稳定性的主要措施。关键词:轴承钢;残余奥氏体;马氏体;尺寸稳定性:动力学方程中围分类号:1w62+.4文献标识码:A立章编号:1004—244X(2007)06—0038—04Dime珊i叫8tability陀鸵arc:hHAN0fk删Jlggt∞latro锄temPemtII咒Qing—li,LIUCuo—quan,xIANGso“g,wANGAn—dongandTechnoIogy(Mate—abscienceandEngine耐ngsch帅l,uni煳i‘yofscienceexpedmenⅢdab.山eBe廿i“g,Beqi“9100明3.chi聃)a=r15be撕“gsteelat幽喇:Basedfact0陪.whichontheorydcductionanddimensloncha“酽“gforIIlulⅡ0froomtemperatu陀wasestablished.Thevisua“删io“p即djrti彻modelchangi“gofcontentw聃obtalnedhyresiduaIC十+pmg啪.Theauste州tecontent,resulbshowedthatthe舶aintemped“gtemperatureandaⅡ;cteddimensionCCrl5.jncludedtempe一“gdme.Thelower山eresidu且1叫tenikandthemoresu币cient忙mpen“gt阳atⅡ圯nt,thebeneribdimension0fI圯Ⅱd‘19Bteelwe弛t08t且hlli‘y0fbeari“gsteel.The工efore,themainme鹅ures0fk18pi“gdimensjonst丑biljty10werresidualnustenitecontent,increa鸵tempe“ngtemperatu阳andpmlo“gtemp咖gt唧.Key_oId|:beBri”gsteel;residualaustenitf:;manensite;dimensionstabiliIy;kinetic8oquationGcrl5是高碳铬轴承钢的代表钢种。由于它的综合性能好,具有高而均匀的硬度,良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命.被广泛地用于导弹发动机以及其它兵器材料制造上。这些武器产品在长期的存放和使用过程中对其精度要求很高。但是.在正常淬火~回火条件下.Gcrl5钢中的微观组织主要由回火马氏体和残余奥氏体组成…。残余奥氏体是准稳定相,随着反复的应力、温度上升和时间作用,发生相变形成马氏体,由于马氏体的体积大于奥氏体。因此导致体积膨胀。而回火马氏体组织在室温时效过程中析出£碳化物.浓度降低,正方度减少,体积收缩。在长期存放过程中这两种+收稿日期:2006—09一11;修回日期:2006-12—28相变的共同作用会导致材料和构件尺寸的不稳定性。因此研究轴承钢材料在长时间存放过程中的尺寸变化规律.提出保证产品在长期存放过程中尺寸稳定性的措施是非常有意义的。1轴承钢室温时效过程的动力学方程ccrl5钢中的微观组织主要由回火马氏体和残余奥氏体组成。残余奥氏体发生相变形成马氏体.导致体积膨胀。而马氏体组织在窜温时效过程中析出8碳化物,体积收缩。刚此,整个淬火回火轴承钢工件在室温作者简介:韩庆札(1977一).男,在读博士,研究方向:计算材料。联系电话:010_62334314。E一聃il:qlh邮@sina㈣。[10]马永新,张立珊,段凯橡高铬铸铁在不同工作条件下磨粒磨损耐磨性的研究[J].北京联合大学学报,1994(3):28—38.[12]张承甫,龚建森,黄杏蓉.等液态金属的净化与变质[M]上海:上海科学技术出版社.1989:165—222.[13]戚正风.固态金属中的扩散与相变[M].北京:机械工业出版札.1998:63—68.[11]苏俊义,周庆德铬系耐磨白口铸铁[M].北京:国防工业出版社.1990:124.万方数据