高铬白口铸铁凝固组织的控制与研究

摘要

高铬耐磨铸铁因其高硬度、高耐磨性广泛的应用在矿冶、建材、航空航天等,在耐磨材料领域内具有重要地位。但是高铬铸铁在应用中“高硬度、低韧性的软肋”的问题一直存在,不但限制了使用范围,而且加速了零部件的失效速度。高铬铸铁的韧性主要取决于碳化物形态、尺寸和分布以及基体的微观组织。本文选择15Cr、28Cr两种高铬铸铁合金,试图通过加入变温体以改变高铬铸铁凝固过程中的温度场,改变各个区域高低温区的分布,以得到有明显特征的凝固组织。通过观察并分析凝固过程中温度场改变后的组织形貌和元素分布,深入探讨高铬铸铁凝固过程中温度场对组织结构的形成机理以及微区合金元素分布的影响。结果表明:
　　高铬铸铁熔体凝固过程中,在其芯部插入变温体可以起到改变凝固过程温度场分布的作用。最终获得同一横截面处试样,高铬铸铁熔体与变温体接触界面处低温区碳化物细小,且分布均匀。熔体内部高温区碳化物明显粗化且带有一定的方向性。熔体最外部处(靠近铸型)低温区的碳化物方向性很强并且尺寸粗大。
　　利用变温体改变28Cr高铬铸铁的凝固过程中温度场。高铬铸铁熔体与变温体界面处低温区的碳化物呈细小的块状组织;随着距离变温体界面距离的增加,熔体的温度升高,碳化物尺寸粗大且分布不均,而熔体最外部处(靠近铸型)低温区组织尺寸粗大且带有明显的方向性的。高铬铸铁熔体与变温体界面区域有较高的碳和铬原子扩散。利用同样的变温体改变15Cr铸铁凝固过程中的温度场。高铬铸铁熔体与变温体界面处低温区组织尺寸非常细小并且弥散,碳化物分布均匀主要是呈现针状和杆状分布并带有不明显的方向性;随着距离变温体界面距离的增加,高温区处的试样组织中碳化物未发现明显变大趋势,但出现了碳化物连接的现象,略带有方向性;而熔体最外部处(靠近铸型)低温区试样碳化物粗化并且带有方向性。
　　通过改变变温体尺寸,使得高铬铸铁凝固过程温度场分布的变化幅度大小不一,这种差异直接影响到组织中碳化物的尺寸、形态及分布等。较大尺寸的变温体,改变温度场能力更强。同时也会在它周围形成较大的温度梯度,不仅有利于碳化物长大,同时也使得碳化物沿温度梯度生长,表现出较明显的方向性。

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1 绪论

1.1铬系白口铸铁

1.1.1提高铬系白口铸铁韧性的研究

1.1.2铬系白口铸铁的分类

1.2高铬白口铸铁的组织特征

1.2.1凝固组织

1.2.2高铬铸铁中的碳化物和基体

1.3凝固过程中温度场的影响

1.3.1影响温度场的因素

1.3.2金属凝固的温度场

1.4课题意义

1.5课题主要研究内容

2 实验材料和方法

2.1合金成分

2.1.1合金化学成分选择

2.2熔炼设备

2.2.1合金熔炼设备

2.2.2辅助熔炼设备

2.3熔炼工艺

2.4 试样分析

2.4.1 取样

2.4.2 试样制备

2.4.3 试样分析方法

3 温度场变化对高铬铸铁组织形态的影响

3.1控制高铬铸铁凝固的温度场模型

3.2实验结果

3.2.1比较正常凝固试样和变温体影响后试样组织

3.2.2高铬铸铁顶部和底部试样的组织

3.2.3直径为10mm的变温体对15Cr高铬铸铁和28Cr高铬铸铁的影响

3.2.4比较不同尺寸变温体对28Cr高铬铸铁的影响

3.2.5对变温体影响28Cr的高铬铸铁进行保温处理

3.3分析与讨论

3.3.1比较正常凝固试样和变温体影响后试样组织

3.3.2试样顶部和底部的组织分析

3.3.3直径为10mm的变温体对15Cr和28Cr高铬铸铁凝固组织的控制

3.3.4直径为8mm和10mm的变温体对28Cr高铬铸铁凝固组织的影响

3.3.5对变温体影响28Cr的高铬铸铁试样进行保温处理试样的分析

4 温度场变化对高铬铸铁元素分布的影响

4.1合金铸铁凝固过程中的传质

4.1.1扩散机理

4.1.2控制材料偏析的办法

4.2实验结果

4.2.1界面处的元素扩散

4.2.2比较预先处理和未处理的变温体对结合界面的影响

4.2.3变温体影响高铬铸铁凝固材料低温保温后内部的元素分布

4.3分析与讨论

4.3.1直径8mm的变温体对28Cr和15Cr的高铬铸铁元素扩散比较

4.3.2分析比较预先处理和未处理的变温体对结合界面的影响

4.3.3变温体影响高铬铸铁凝固材料低温保温后内部的元素分布

5 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的相关论文