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

1、鉻系鑄鐵是工程中應用廣泛的一種耐磨材料。高硬度碳化物與不同基體組成“復合材料體系”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和難點問題。本文基于凝固理論和鉻系鑄鐵的液態(tài)結(jié)構(gòu)和性能特點探討凝固組織中碳化物形核、長大機理和基體的凝固行為,在此基礎(chǔ)上進而研究其性能特征,以期為今后開發(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,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,通過計算和推導建立了過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)為六方點陣,熔體中的四面體和八面體原子團簇存在向六方多面體晶核合并的熱力學內(nèi)在條件,由四面體合并成六方形多面體的驅(qū)動力遠大于八面體合并成六方形多面體的驅(qū)動力,同時形核也受動力學條件影響,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爭形核。
　　(2)對鉻系鑄鐵碳化物析出熱力學條件及動力學機制進行了深入研究,碳化物固液界面微觀結(jié)構(gòu)對碳化物類型轉(zhuǎn)變及生長方式有重要影響。Jackson因子隨Cr含量的增加而增加,碳化物生長固液界面光滑程度增加,降低了網(wǎng)狀M3C型碳化物的“瘋長”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,初步揭示了過共晶高鉻鑄鐵初生碳化物的生長過程。運用周期鍵鏈理論、傳熱和傳質(zhì)原理解釋了初生M7C3型碳化物的生長機制。認為初生碳化物在初始生長階段以平界面形式向液體中生長,當沿碳化物某一面凝固潛熱散熱快而熔體中C原子來不及擴散至碳化物界面時,碳化物以向內(nèi)包抄形式生長。過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、各個晶面間的相對生長速率和晶體缺陷等因

5、素有關(guān),在很大程度上也受生長環(huán)境的影響。冷卻速度快時碳化物向內(nèi)包抄的面積小,容易長成實心狀,冷卻慢時則呈現(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。在本課題實驗條件下,含Cr量分別為10％、12%和15%試樣,沖刷腐蝕磨損后磨屑幾乎沒有檢測到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,凝固速度對腐蝕抗力的影響主要取決于其對碳化物與基體間的腐蝕電位差和晶界能雙重作用機制的競爭結(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;同時凝固速度提高使凝固組織更加細小,導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。在本課題的試驗條