Ti∕W对过共晶高铬铸铁显微组织及力学性能的影响.pdf

·1202·铸 造FOUNDRYDec．2014VOI．63 N0．12Ti／＼／＼／对过共晶高铬铸铁显微组织及力学性能的影响喻石亚1上，郑开宏2，王海艳2，周 亮1(1．中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083；2．广州有色金属研究院金属成型与加工技术研究所，广东广州510650)摘要：研究了Ti和w对过共晶高铬铸铁(25．0、Ⅳt．％cr，3．5谢．％c)显微组织及力学性能的影响。结果表明，随着Ti含量的增加，初生M7C，碳化物和共晶碳化物都具有明显的细化特征。热处理后，圆粒状二次M7C，碳化物在基体上析出，提高了基体的硬度，但Ti和w的加入对析出的二次碳化物的类型没有影响。加入Ti和w，两种不同的圆粒状碳化物在显微组织上产生。一种圆粒状碳化物是TiC颗粒，w均匀地分布在Tic颗粒中；另一种圆粒状碳化物的核心为Tic，周围分布着w的碳化物，w的碳化物由cw，、w：c、wF：卧wc、(w，Ti)c。。组成。组织中的初生碳化物和共晶碳化物的显微硬度随着Ti含量增加而增加，同时加入Ti和w后，各试样硬度均最高，冲击韧性没有明显的变化。关键词：过共晶高铬铸铁；组织；细化；碳化物中图分类号：TGl44 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2014)12—1202—06E何：eCt Of Titanium and TungSten On the MiCrOStructure andMechanicaI PrOperties Of HypereuteCtic High ChrOmium Cast IrOnYu shi—yal上，zHENG Kai-hon矿，wANG Hai—yan2，zH0u Lian91(1．School ofMaterials Science and Engineering，Central South Uhiversity，Changsha 410083，Hunan，China；2．Institute ofMaterials Processing，Guangzhou Research Institute ofNon-FenDus Metals，GuangZllou 5 1 0650，Guangdong，China)Abstract： The e丘．ects of titanium and tungsten on the microstmcture and mechanical properties of ahypereutectic high chromium cast iron containing 3．5叭．％carbon and 25．O卅．％chromium were studied．Theresults indicate that with the increase oftitanium content’the primary M7C；carbides and eutectic carbides haVebeen refined obviously．After the heat treatment，the secondary M7C3 carbides precipitated in the matrix，improving the hardness ofmatrix．Adding Ti and W did not have innuence on the type ofthe secondary carbides．While adding titanium and tungsten simultaneously， 觚o difrerent granular carbides fo蛐ed on themicrostlllcture．0ne kind is TiC particle，W unifo衄1y distributed in the TiC；The core of another gmnularcarbide is TiC which was encircled by W carbides，and W carbides were composed of CW3，W2C，W6C獬WC，(W，Ti) C1．x．The hardness ofprimary carbides and eutectic carbides have been increased with increasing Ti，while adding titanium and tungsten simultaneously，the hardness of samples is the highest and the impacttoughness has 1ittle Variation．硒rw耐s： hypereutectic high chromium cast iron：microstnJcture：refinement：carbides由于具有高硬度、高耐磨性以及良好的抗耐蚀性能，高铬铸铁被广泛应用于矿山、水泥、泥浆泵、纸浆等行业[1】。高铬铸铁因其高耐磨性而得到广泛应用，主要由于其硬的初生和共晶M。C，碳化物以及相对韧性比较好的铁基相配合[2】。目前研究的比较多的是含(质量分数，下同)10％～30％Cr和2％～3．5％c亚共晶高铬铸铁【3】。与亚共晶高铬铸铁相比，过共晶高铬铸铁因含碳量和含铬量比较高，碳化物体积分数明显偏高，因此耐磨性也明显增加。但是，过共晶高铬铸铁在凝基金项目收稿日期作者简介通讯作者固时会出现粗大的杆状初生M7C，碳化物。这类碳化物对基体的割裂作用很明显，提高了高铬铸铁硬度的同时也降低了材料的冲击韧性【4】。在铸造过程中，也会因裂纹、气孔等缺陷导致废品率很高，因而被认为是铸造难度较大的材料圈。为了提高高铬铸铁的耐磨性，研究者们试图加入不同的合金元素来细化显微组织，例如钒、钛、钨、铌、钼、稀土等删。李棣泉等【9】研究了铌对过共晶高铬铸铁组织和耐磨性的影响，铌能够细化组织，提高韧国家科技部“863”计划项目(2013AA031203)；广东省重点实验室建设支撑项目(2013A061402010)；广东省战略新兴产业项目(2012A090100018)；广东省金属复合材料工程技术研究中心资助。2014_08一18到初稿，2014_09—10收到修订稿。喻石亚(1990一)，男，硕士生，研究方向为过共晶高铬铸铁晶粒细化。E—mail：shiyayu2008@163．com郑开宏，男，教授级高_T．，博士。E—mail：13602721690@163．com万方数据铸造 喻石亚等：Ti／w对过共晶高铬铸铁显微组织及力学性能的影响 ·1203·性；智小慧嘲等研究了钛对过共晶高铬铸铁铸态显微组织的影响；钛能够细化初生M，c。碳化物，但是导致总的碳化物体积分数减少；Qu【lo】等研究了铈对过共晶高铬铸铁铸态组织的影响，铈能够使初生M7C，碳化物球化。这些加入的元素都在一定程度上细化过共晶高铬铸铁的显微组织，但对同时加入两种合金元素细化过共晶高铬铸铁的研究鲜有报道。因此，本文先系统地研究了不同含量的钛对过共晶高铬铸铁显微组织的影响，随着Ti含量的增加，过共晶高铬铸铁的初生M7C，碳化物和共晶碳化物都得到明显的细化。在此基础上，再同时加入一定含量的钛和钨，研究了同时加入钛和钨对过共晶高铬铸铁的显微组织和力学性能的影响。从而开发出硬度更高、韧性更好的过共晶高铬铸铁。1 试验方法试验原材料采用生铁、废钢、高碳铬铁、钛铁以及钨铁等。首先，合金材料在500埏中频感应炉中进行熔炼，在(1 450±10)℃进行基础成分试样的浇注，采用水玻璃砂造型，浇注Y形标准试样。然后，将不同含量Ti、w加入到铁液中，在1 550℃保温10 min，在1 450℃浇注，每种试样浇注3个。在各试样上取样，之后采用JY ultima2型等离子体发射光谱仪(IcP)测试各个试样的成分，如表1所示。表1过共晶高铬铸铁化学成分TabIe l 7Ihe chemical comp(洒60n of hypereutecticlligll cIll．oIIIi哪cast ironⅣ√％试样 c cr Mn Si Ti W Fe余量余量余量余量将1、2、3、4试样进行热处理。首先，以50℃·h_1的加热速度加热到650℃，在650℃保温l h，然后以100℃·h-1的加热速度加热到1 050℃，在1 050℃保温2 h，空冷。之后将淬火后的试样加热到250℃，保温4 h，空冷。对铸态和热处理态的试样进行取样，取样位置在距试样表面1 mm处。试样经磨制、抛光后，采用5％硝酸酒精腐蚀液进行腐蚀，腐蚀时间60 s，制成金相试样。为了更好地观察碳化物的形貌以及尺寸，选取部分试样用王水进行深腐蚀，制备金相试样。采用LeicaDM IRM型光学显微镜(OM)及配有OXFOI①7412型能谱仪(EDs)的JEoL JxA一8100型扫描电子显微镜(sEM)进行显微组织观察。使用D8 ADVANcE型x射线衍射仪进行物相分析。用洛氏硬度计测量试样的宏观硬度，每个试样采集8个位置，取其平均值作为试样的最终结果。采用MH．5L型显微硬度计测量组织组成相显微硬度，压力为25 g，每个试样采集8个点，取其平均值作为最终结果。根据冲击试样标准Jc／T691—1998，热处理态试样采用电火花线切割机加工成20 mm×20 mm×110 mm无缺口标准冲击试样，在冲击试样机上进行冲击试验。2试验结果及分析2．1 过共晶高铬铸铁铸态显微组织．图l是试样1(不含Ti)的过共晶高铬铸铁的铸态金相显微组织。如图所示，过共晶高铬铸铁的显微组织为大的碳化物分布在奥氏体基体上，碳化物主要呈两种形态：六角形M_7C，碳化物和共晶碳化物。在熔体凝固过程中，初生空心M7C，碳化物会在液相线与固相线之问优先生成[1l】。随着温度的降低，达到共晶点温度时，在初生M_7C，碳化物周围生成条状或者粒状的共晶碳化物，M7C，碳化物沿着奥氏体生长，吸收周围的c原子，导致在奥氏体／碳化物界面形成一个狭小的贫碳区域，从而马氏体转变温度Ms点提高，在接下来的冷却过程中，奥氏体转变成马氏体。因此，通常在M，c，碳化物周围会有马氏体出现，图2为试样1的xRD图谱。可以看出，过共晶高铬铸铁显微组织主要由奥氏体、马氏体和M，c3碳化物组成。图3的sEM照片也显示了这些相的存在。同样，很多文献也报道了这一现象…。121。图l 试样l(不含Ti)的铸忿金f|I艟微纠【势lFig 1 T}1c microgmpll or as—cas¨”ercuIcctic 11lgh ch rollliunl cast iron、、1ithouf titanlLIInH： 试佯1(小含Ti)的xRD图谱Fl芒．2)(一ra)dIntaction Patlenl of'hypeI’cu ccctic high c11ronllulll cast irwithout tit￡Inium卯O395O■23OO0叭舛∞药lOll甜矾∞：80OOO记舛％竹拍拍拍拍们约酡跖3333l234万方数据·1204· FOUNDRYDec．2014VOI．63 N0．12图3试样l(不岔1．1)的sEM照片Fig．3 SEM micr【)譬rapll‘)f a 11vpcrcutcclic high．chr0111“Imcast iroll u nhouL titanluIn2．2 T恻过共晶高铬铸铁铸态显微组织的影响图4为距离过共晶高铬铸铁Y试样表面1 mm处的铸态显微组织。从图4中可以看出，随着Ti含量的增加，六角形碳化物明显细化，共晶碳化物也得到了明显的细化，试样4(加人Ti和w)组织中的碳化物分布更加均匀。图5a为试样3的SEM图，并对图5a中A点进行了EDs成分分析，结果如图5b所示。由EDs分析结果可知主要为Ti和C，可以推断这些黑色颗粒组成相可能为Tic。试样3的Ⅺ①图谱如图6所示，可以看出，试样3除了由奥氏体、马氏体和M7C，碳化物组成外，还含有Tic相，可以证实图5中的黑色颗粒为Tic颗粒。这与其他研究者的研究成果相一致[5·121。当加入一定量Ti后，由于Ti是强碳化物形成元素，在过共晶高铬铸铁凝固过程中，熔体中的Ti原子会和c原子发生如下反应：[Ti]+[c]_Ticfsl(1)，因此，在凝固过程中，TiC作为第一相首先析出。Wu和Zlli盼14】通过『矧4过共品-；’i铬铸铁铸态金相显微组织Flg 4 Metall Ll哗1calInlcrost nlcnJrc ofas—casI hypereLIIetlc HCCI samples～质量分数原子分数JC系／％ ／％C 8 57丁i 80 15Cr 5．6lFe 5 67总量 100 oo27 4964 454 1 63 91100．00訇5 含Tn}为O 29％的试样3的sEM照片以及A点的EDs分析2占果Flg 5 SEM of samplc 3、、7lth O 29哆i，Ti and the EDS results ofA poinc万方数据铸造 喻石亚等：Ti／W对过共晶高铬铸铁显微组织及力学性能的影响 ·1205·热力学的计算证明反应(1)能够进行，并且Tic在熔体中能稳定存在并且长大。因此，这些形成的Tic颗粒就可以作为初生碳化物的异质形核核心，从而促进初生碳化物的形核，细化初生碳化物。二“图6含o．29％n的试样3的xRD浏谱Fi昏6 x—my di胁ction pat吼l of鼢mple 3州th O．29％titaIli哪试样4的铸态试样的Ⅺ①图谱如图7所示，从图7中可以看出，试样4铸态显微组织主要由奥氏体、马氏体、M￡碳化物、Tic和w的碳化物(cw，、w2C、w6C：趴wC、(w，Ti)C。j组成。两种细小的、圆粒状的碳化物分布在试样4的显微组织中，分别为MC碳化物和MC’碳化物。这两种碳化物的SEM线扫描分别如图8、图9所示，从图8中可以看出，MC碳化物中Ti含量非常高，w均匀分布。推测该Mc碳化物为Tic颗粒，w分布在TiC颗粒中；图9中的细小的、圆粒状的Mc’碳化物颗粒中心黑色区域富含Ti，围绕在黑色核心周围的白色区域富含w，推测黑色核心为TiC，周围白色区域主要由w的碳化物组成。此外，稳定的TiC核心可能作为w的碳化物的异质形核核心。素‰．．nJ止‰、；j喘—气—％ 50 60 70 80 902 0，(。)图7 含0．35％Ti+0．97％w的试样4的xRD图谱Fig．7 X-戌ly di胁ction panem of蚴ple 4 wim O．35％Ti觚d O．97％W一 ]IlJ_一 J I斟8 试样4I}1Mc颗粒线亍l描Fig 8 The linc scanning of MC panicle in specimen 4hJ I罔9试样4IfIMc 7颗粒线十{描F嘻9 T11c linc scanning ofMc’particlc in specimen 4本本¨K一崛№～岷M眦呱一呲姗姗瑚|；啪啪如tll：瑚㈣o妻i㈣o万方数据·1206· FOUNDRYDec．2014V01．63 N0．122．3热处理对含Ti／W过共晶高铬铸铁的影响热处理后(1 050℃保温，空冷，再250℃回火处理)的显微组织如图10所示。从图中可以看出，试样经热处理后，在碳化物周围的基体上析出了圆粒状的二次碳化物。表2为图lo中各点圆粒状二次碳化物的EDS分析结果，由表2的分析结果可知，A、B、C、D各点的M(Fe，Cr)：C的原子比基本都接近2．3，与M7C，碳化物的原子比非常接近，因此，推测各试样析出的二次碳化物均为二次M7C，碳化物。Ti和w的加入对热处理后过共晶高铬铸铁析出的二次碳化物的类型没有影响。二次M_7C，碳化物的形成，导致周围的碳化物和基体中的Cr，C元素的含量降低115】。(d)图lO过共晶高铬铸铁热处理后的sEM照片Fig．1 O SEM images ofhypereutetic HCCI samples after heat treatment表2图10中各相的EDS成分分析结果Table 2 EDS quantitative composition analysis Ofphases in Fig．10 原子分数／％2．4 TWV对过共晶高铬铸铁力学性能的影响热处理后各试样中的初生M_7C，碳化物，基体以及共晶碳化物的显微硬度如表3所示。从表中可以看出，初生M，C，碳化物的显微硬度随着Ti含量的增加逐渐增加，当同时添加了Ti和w时显微硬度达到最高。主要是由于Ti的加入形成了Tic颗粒，而且Tic颗粒作为初生M7C，碳化物的异质形核核心，提高了初生M7C。碳化物的形核率，细化了初生M。C，碳化物，降低了初生碳化物的空心度，从而提高了初生M7C，碳化物的显微硬度。同时加入Ti和w的试样4显微硬度达到最高，除了Ti的细化作用外，w均匀固溶于碳化物和基体中，这对显微硬度的提高也起了重要的作用。共晶碳化物的显微硬度也是随着Ti含量的增加而逐渐增加。这主要是因为Ti对共晶组织的细化作用。基体硬度的提高主要是由于部分Ti和w溶于基体中，对基体起到固溶强化的作用。表3各试样中不同相的热处理态的显微硬度Table 3 Micmhardness of different pha蛐s present in theheat treatment sampIes HV25万方数据铸造 喻石亚等：Ti／＼／＼『对过共晶高铬铸铁显微组织及力学性能的影响热处理后的1、2、3、4试样的洛氏硬度随着Ti含量的增加而增加(图11)，从试样1(不含Ti)的HRC54增加至试样4(O．35％Ti+0．97％w)的HRC 61。这主要是由于组织中的碳化物和共晶组织由于Ti、w的加入而得到了明显的细化，从而提高了试样的洛氏硬度。同时，弥散分布的Tic也能提高试样的洛氏硬度。试样4中的w固溶于碳化物以及基体中，起到固溶强化的作用。另一方面，试样的冲击韧性变化不大(图11)，保持在3．5～4．5 J／cm2之间。硬度的提高会导致冲击韧性的下降，Ti对碳化物的细化导致冲击韧性的增高。从而，各个试样间的冲击韧性值没有很大的差异。因此，Ti／w细化过共晶高铬铸铁的初生碳化物和共晶碳化物，提高了其硬度，而冲击韧性变化不大。o基U●：、越罪相量试样号图ll 热处理态试样洛氏硬度及冲击韧性Fig．1 1 Rockwell hardness and impact touE乒mess ofthe heatn℃atITlent samples3结论(1)加入Ti后，Ti与C反应生成TiC，Tic能够作为初生M7C，碳化物的异质形核基体。随着Ti含量的增加，初生M_7C3{炭化物和共晶碳化物得到明显的细化。(2)热处理后，二次M7C，碳化物在基体上析出，提高了基体的硬度。Ti／w对热处理后过共晶高铬铸铁析出的二次碳化物的类型没有影响。(3)同时加入Ti和w后，有TiC和w的碳化物形成，在铸态下，w的碳化物主要由Cw，、W：C、w6C：m wc、 (w，Ti)c．。组成。显微组织上分布着两种圆粒状的碳化物，一种是TiC颗粒，w均匀地分布TiC颗粒中；另一种圆粒状碳化物的核心为Tic，周围主要由W的碳化物组成。(4)热处理后的过共晶高铬铸铁的洛氏硬度、初生M7C，碳化物和共晶碳化物的显微硬度随着Ti含量的增加而增加，同时加入Ti和w后，试样各硬度均最高。而各个试样间的冲击韧性值没有很大的差异。参考文献：[1】 Dogall N，Hawk A，Laird G．S01idmcation stmctIlre and abrasionresistallce of high chromium white irons[J】．Metal Mater Trans A，1997， 128： 1315一1325．[2] ChuIlg R J，Tallg x，“D Y，et a1．E艉ct oftitanium addition onmicmstnJcture and wear rcsistance of hypereutectic high chmmiumcast iron Fe·25叭．％C卜4、vt．％C[J]．wear，2009(267)：356—361．【3】 wiengrnoon A， ChaimaIlgsri T， Bmwn A，et a1．Micros仇lct哪land crystallographical stIldy of carbides in 30叭．％Cr cast imns[J]Acta Mater，2005(53)：4143—4154．[4】 Bereza J M．wear and iInpact resistallt white cast imns[J】The BritishFouIldr)，111锄，198l，74(11)：205—211．【5】智小慧，韩彦军，彭纪云，等．钛细化过共晶高铬铸铁的研究[J】．稀有金属与工程，2008，37(1)：10l—104．[6]Loper Jr C R，Baik H K．IIlnuence of m01ybden啪and titani啪onthe micmstmctures of Fe—C—C卜Nb white cast irons[J】AFS Tms．1989(97)：100．【7】Dupin P，Schissler J M，Innuence ofadditions ofsilicon，molybd—en岫，vanadium，and tIlngsten upon the stI℃uctuml eV01ution oftheaS·cast state of a high—chromium cast iron(20％Cr，2．6％C) [J1AFS Trans。1984(92)：355．【8】 Ch孤g w C，TsIlll H H，Qiall M．Fonnation of sphemidal carbidesin valladium white cast iron by eanh modification【J]．Mater．Sci．TecnoI．1990，6(9)：905—910．[9]李棣泉，林怀涛，陈和兴．含铌过共晶高铬铸铁的研究[J]．机械工程材料，1995，17(6)：13．[10】Qu YiIlllu，xing Jiandong，ZlliⅪaohui，et a1．E腩ct ofceri啪onthe as—cast micmstnlcture of a hypercutectic high chromium cast iron【J】Materials LetterS，2008(62)：3024—3027．[1 l】 D09趾0 N， Hawk J A， Laird G．Solidification s仇lcturc andabraSion resistance of hi曲chmmi啪white irons[J]MaterialsTransactlons．A，1997(28)：1315—1327．[12]Bedona—Jacuinde A， Co仃ea R， Quezada J G， et a1．Efrect oftitanium on the as—caSt micIostrlJctLIre of a 16％chmmium white imn[J】．Materials Science&Engineering．A，2005(398)：297—308．【13】 wu xiaojun， xing Ji锄dong， Fu HangIlallg， et a1．E仃ect oftitaIlium on the morphology ofprimary M舀carbides in hypereutectichigh chmmium white imn【J]Materials science aIld Engineering．A，2007 (457)： 180一185．[14]zhi xiaohui，Xing Jiandong，Fu Hanguang，et a1．E虢ct oftitaniumon the as—cast micmstnlcnlre ofhypereutectic high chmmium cast iron[J]Materials Characterization．A，2008(59)：1221一1226．[15】Tabrctt C P， Sare I R．111e e脆ct ofheat仃eatment on the abmsionresistaIlce of alloy white imns[J]．wear，1997(203／204)：206—219．(编辑：刘冬梅，ldm@foun奶nvorld．com)2ll1ll86420086420u岳z谜群万方数据