鉻系耐磨合金凝固組織性能控制關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題研究.pdf

1、鉻系鑄鐵是工程中應(yīng)用廣泛的一種耐磨材料。高硬度碳化物與不同基體組成“復(fù)合材料體系”的性能和使用壽命主要受控于碳化物的結(jié)構(gòu)、尺寸、形態(tài)、分布及基體組織的成分、結(jié)構(gòu)等因素。所以凝固組織中碳化物結(jié)構(gòu)、尺寸、形態(tài)、分布及基體組織的成分、結(jié)構(gòu)控制一直為鉻系鑄鐵多年研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。本文基于凝固理論和鉻系鑄鐵的液態(tài)結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)探討凝固組織中碳化物形核、長(zhǎng)大機(jī)理和基體的凝固行為,在此基礎(chǔ)上進(jìn)而研究其性能特征,以期為今后開(kāi)發(fā)高性能的鉻系耐磨鑄鐵奠

2、定基礎(chǔ)。
　　論文取得了以下創(chuàng)新成果:
　　(1)以金屬凝固形核理論為指導(dǎo),以高鉻鑄鐵中碳原子位于M7C3型碳化物四面體或八面體間隙為基本出發(fā)點(diǎn),通過(guò)計(jì)算和推導(dǎo)建立了過(guò)共晶高鉻鑄鐵初生碳化物的形核模型。高鉻鑄鐵初生碳化物晶體結(jié)構(gòu)為六方點(diǎn)陣,熔體中的四面體和八面體原子團(tuán)簇存在向六方多面體晶核合并的熱力學(xué)內(nèi)在條件,由四面體合并成六方形多面體的驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于八面體合并成六方形多面體的驅(qū)動(dòng)力,同時(shí)形核也受動(dòng)力學(xué)條件影響,八面體間隙大于

3、四面體間隙,為Fe,Cr所構(gòu)成的原子團(tuán)簇捕獲碳原子提供了有利條件。體系中存在著四面體和八面體的競(jìng)爭(zhēng)形核。
　　(2)對(duì)鉻系鑄鐵碳化物析出熱力學(xué)條件及動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了深入研究,碳化物固液界面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)碳化物類型轉(zhuǎn)變及生長(zhǎng)方式有重要影響。Jackson因子隨Cr含量的增加而增加,碳化物生長(zhǎng)固液界面光滑程度增加,降低了網(wǎng)狀M3C型碳化物的“瘋長(zhǎng)”程度。Cr量的增加改變了鑄鐵液態(tài)原子結(jié)構(gòu),提高了鐵液共晶轉(zhuǎn)變溫度而降低了鐵液導(dǎo)熱系數(shù),加劇了

4、碳化物晶格畸變程度。解釋了在不同凝固條件下鉻系鑄鐵碳化物類型發(fā)生臨界轉(zhuǎn)變的內(nèi)在原因,初步揭示了過(guò)共晶高鉻鑄鐵初生碳化物的生長(zhǎng)過(guò)程。運(yùn)用周期鍵鏈理論、傳熱和傳質(zhì)原理解釋了初生M7C3型碳化物的生長(zhǎng)機(jī)制。認(rèn)為初生碳化物在初始生長(zhǎng)階段以平界面形式向液體中生長(zhǎng),當(dāng)沿碳化物某一面凝固潛熱散熱快而熔體中C原子來(lái)不及擴(kuò)散至碳化物界面時(shí),碳化物以向內(nèi)包抄形式生長(zhǎng)。過(guò)共晶高鉻鑄鐵的最終形態(tài)不僅與碳化物晶體內(nèi)部結(jié)合鍵、各個(gè)晶面間的相對(duì)生長(zhǎng)速率和晶體缺陷等因

5、素有關(guān),在很大程度上也受生長(zhǎng)環(huán)境的影響。冷卻速度快時(shí)碳化物向內(nèi)包抄的面積小,容易長(zhǎng)成實(shí)心狀,冷卻慢時(shí)則呈現(xiàn)L型、U型或六方形狀。
　　(3)研究鉻系鑄鐵在H2SO4水溶液和石英砂形成PH3.5的漿料中的沖刷腐蝕磨損行為,結(jié)果表明:磨屑中是否具有大量的Cr2O3與試樣含Cr量有關(guān),而且影響其腐蝕磨損抗力。在本課題實(shí)驗(yàn)條件下,含Cr量分別為10％、12%和15%試樣,沖刷腐蝕磨損后磨屑幾乎沒(méi)有檢測(cè)到Cr2O3,其沖刷腐蝕耐磨抗力小;含

6、Cr量為23%和28%的試樣,沖刷腐蝕磨損后磨屑檢測(cè)到大量的Cr2O3,的,其沖刷腐蝕耐磨抗力大。
　　(4)在靜態(tài)熱堿腐蝕條件下,凝固速度對(duì)腐蝕抗力的影響主要取決于其對(duì)碳化物與基體間的腐蝕電位差和晶界能雙重作用機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。凝固速度的提高,基體成分更加均勻,降低了碳化物與基體的腐蝕電位差,提高了合金腐蝕抗力;同時(shí)凝固速度提高使凝固組織更加細(xì)小,導(dǎo)致晶界面積和晶界能增加,增加了晶間腐蝕敏感性,降低了合金腐蝕抗力。在本課題的試驗(yàn)條