1.引言 在新型热力发电厂的除渣系统中,碎渣机是非常重要的设备之一,而滚齿板作为其最易损零件,其维修更换给实际机组的运行带来了严重的隐患。由于碎渣机滚齿板的使用环境及特殊要求,需要提出一种耐热抗氧化,具有优良抗磨性能的材料。 高铬铸铁具有很高的硬度和优异的耐磨性,是一种很好的耐磨材料。高铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁,已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料[1]。在铁基合金(钢)中,Cr具有很好的提高耐热抗氧化和抗磨性的作用,Cr与钢中碳结合成类网络的碳化物,使合金获得耐热性能和抗磨性能;固溶于铁基体中Cr在高温时生成致密的Cr2O3氧化膜,使合金获得良好的抗氧化性能[2]。 硬度和韧性是高铬铸铁的主要力学性能指标,如何同时提高硬度和韧性,并达到最佳匹配是提高其性能的关键。提高高铬铸铁的综合性能,除了合理选择化学成分外,热处理也有非常重要的作用[3]。 本文提出了一种多元合金化的高铬铸铁材料,研究其热处理工艺及优化,以求找到最佳热处理工艺;对其硬度和冲击韧性做测试分析,并进行材料的耐磨性分析。 2.实验方法 实验材料为自制一种多元合金化的高铬铸铁,其化学成分如表1所示。 对高铬铸铁分别进行1010℃、1040℃、1070℃和1100℃的固溶处理,保温时间为40分钟,冷却方式为吹风空冷。将经过1070℃固溶处理后的高铬铸铁进行470℃、500℃、530℃和560℃的回火处理,保温时间为40分钟,冷却方式为自然空冷。测试试样经过不同温度处理后的冲击韧度和洛氏硬度,并在光学显微镜下对试样组织进行观察。对经过固溶处理和回火处理后的试样进行摩擦磨损实验,测试摩擦系数,实验采用环块式MMS-2A型微机控制摩擦磨损实验机,室温、载荷为100N、转速为60r/min、对磨时间为90min。在扫描电镜下观察试样磨损表面的形貌。 3.实验结果与分析 3.1固溶温度对材料性能的影响 (1)冲击韧性 经过不同温度的固溶处理后,材料冲击韧性如表2所示。实验结果表明,经过1070℃固溶处理后,材料冲击韧性最高,其值为7.1J·cm-2。 (2)洛氏硬度 表3为经过1010~1100温度范围固溶处理后,材料的洛氏硬度,如表所示,随着固溶温度升高,材料洛氏硬度略有降低。 3.2回火温度对材料性能的影响 (1)冲击韧性 回火温度对高铬铸铁冲击韧性影响较大,回火温度为470℃时,冲击韧性为3.8J·cm-2,温度为500℃时冲击韧性最低为3.0J·cm-2,随温度进一步升高,冲击韧性呈增大,当回火温度为560℃时,冲击韧性达到5.5J·cm-2。 (2)洛氏硬度 表5为回火温度对高铬铸铁洛氏硬度的影响情况,分析结果表明,经过不同温度的回火处理后,材料洛氏硬度60HRC左右,说明此范围的回火温度对材料的洛氏硬度影响不大。 (3)显微组织特点 图1为1070℃固溶处理+560℃回火处理后的显微组织图。由图可见,处理后的试样为典型的高铬铸铁金相组织,由马氏体基体上大量的Cr7C3化合物,M7C3型铬碳化合物具有很高的硬度,一般可达1200~1800HV,这种高硬度碳化物呈菊花状分布使得铸铁具备高硬度、高抗磨性和较好的红硬性。 3.3摩擦磨损实验结果 表6、表7分别为固溶和回火温度后材料的摩擦系数,分析结果表明,不同温度的固溶处理和回火处理后,材料摩擦系数分别在0.30和0.29上下浮动,说明固溶温度和回火温度对材料的摩擦系数影响不大。 图2为固溶处理后高铬铸铁磨损表面形貌。通过对比摩擦磨损实验前后材料的显微形貌,可以看出,高铬铸铁中的碳化物出现了严重的碎裂或者完全脱离,且摩擦磨损的表面有大块斑驳撕裂、疲劳剥落的痕迹。不同温度回火后高铬铸铁磨损形貌与固溶处理后磨损形貌相似。 碳化物的量及硬度对材料的耐磨性影响很大。高铬铸铁的磨损过程中,基体组织硬度相对较低,优先产生质量损失,进而将硬度高的碳化物暴露出来。碳化物在冲击力的作用下发生破碎,脱离基体,在磨损条件不变的情况下循环整个过程,完成材料的磨损。 |