最新版等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响毕业设计.docx
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最新版等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响毕业设计
等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响
作者姓名:
刘旭东
指导教师:
辛啟斌副教授
单位名称:
材料与冶金学院
专业名称:
材料成型及控制工程
东北大学
2014年6月
AustemperingcastimpactontheorganizationADIwearableball
ByLiuXudong
Supervisor:
AssociateProfessorXinQibin
NortheasternUniversity
June2014
毕业设计(论文)任务书
毕业设计(论文)题目:
等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响
设计(论文)的基本内容:
以ADI(富碳奥氏体+针状铁素体的球墨铸铁)耐磨铸球为实验对象,研究等温淬火工艺对球墨铸铁组织结构的影响规律,确定具有优良性能的ADI耐磨铸球的等温淬火工艺。
具体研究内容有:
(1)奥氏体化温度对ADI耐磨铸球组织的影响;
(2)等温淬火温度对ADI耐磨铸球组织的影响;
(3)ADI耐磨铸球冲击断口的分析。
毕业设计(论文)专题部分:
题目:
设计或论文专题的基本内容:
学生接受毕业设计(论文)题目的日期
第1周
指导老师签字:
年月日
摘要
从改变等温淬火工艺来获得理想的ADI耐磨铸球的组织的角度出发,主要研究等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响,通过对不同奥氏体化温度和等温回火温度对ADI耐磨铸球组织的分析,继而确定生产ADI耐磨铸球的热处理工艺,达到以淬火+回火的热处理工艺取代在盐浴中进行等温淬火工艺来生产ADI耐磨铸球。
实验结果表明:
(1)提高奥氏体化温度不利于获得理想的ADI耐磨铸球组织,随奥氏体化温度的升高针状铁素体组织在ADI耐磨铸球中的百分比在逐渐下降,并且针状铁素体的针叶变的粗大;
(2)提高奥氏体化温度会使得基体中石墨扩散加快,形成很多小石墨分布在ADI耐磨铸球的基体组织中;
(3)等温淬火温度升高可以获得更多的针状铁素体组织,但是针状铁素体组织也会随着等温淬火温度的提高使得的针状铁素体组织的针叶变粗;
(4)ADI耐磨铸球的最佳生产工艺为920℃的奥氏体化温度和280℃的等温淬火温度的热处理工艺。
关键词:
ADI,奥氏体化温度,等温回火温度,断口,微观组织。
Abstract
ThemainpurposeofthisthesisisstudyingtheinfluenceoftheisothermalquenchingprocesstoADIwear-resistingcastballsorganization.ThroughtheanalysisoftheinfluenceofdifferentaustenitizingtemperaturesandisothermalquenchingtemperatureprocessofproductionofADIwear-resistingcastcanbedeterminedwhichcanreplacetheisothermalsaltbathquenchingincreasesproductionrateanddecreasetheconsumptionofenergytosavecost.
Theexperimentresultsindicate:
(1)TheincreaseofaustenitizingtemperaturecanbeadisadvantageofobtainingidealADIwear-resistingcastballorganization,causesthepercentofthelowerbainiteofADIwear-resistingcastballsdecreasesandcausestheneedle-pointleavesofthelowerbainitebecomelarge.
(2)TheincreaseofaustenitizingtemperaturescausesthegraphitesofprimarystructurediffusefasterandbecomemanysmallgraphiteswhichscatterontheprimarystructureofADIwear-resistingcastballsorganization.
(3)Theincreaseofisothermalquenchingtemperaturecausesthelowerbaniteorganizationbecomemoreandneedle-pointleavesofthebainitebecomethiner.
(4)ThebestproductionprocessforADIwearresistantcastballisaustenitizingtemperatureof920℃and280℃isothermalquenchingtemperatureoftheheattreatmentprocess.
Keywords:
austenitebainiteductilecastiron,austenitizingtemperature,isothermaltemperingtemperature,fracture,microstructure.
毕业设计(论文)任务书I
摘要II
AbstractIII
第1章绪论1
1.1选题背景1
1.1.1铸造磨球1
1.1.2铸造磨球的材质2
1.2等温淬火球墨铸铁3
1.2.1ADI发展现状及优点3
1.2.2ADI的生产工艺4
1.3课题的研究内容、意义及目的12
第2章实验材料及方法13
2.1实验材料13
2.2实验方法13
2.2.1热处理工艺13
2.2.2金相组织观察14
2.2.3力学性能测试15
第3章等温淬火球墨铸铁磨球的组织研究17
3.1ADI耐磨铸球的铸态组织17
3.2奥氏体化温度对试样组织的影响20
3.3等温淬火温度对试样组织的影响26
3.4ADI耐磨铸球的组织分析33
3.4.1化学成分及热处理工艺33
3.4.2组织分析33
3.5ADI试样的断口分析38
第4章结论40
参考文献41
结束语44
第1章绪论
1.1选题背景
据统计国内磨球年消耗已经超过200t,冶金矿山消耗的磨球占各行业磨球消耗总量的70%。
2006年为例,磨球损耗造成的经济损失不少于40亿。
由此可见,磨球在耐磨材料中占有相当大的比重。
我国目前铸造磨球的生产厂家有1000多家,但年产量大多数在3000t以下,万吨的企业不到10家。
而磨球的国内需求及出口量逐年增多,对磨球的质量要求也逐步提高。
磨球是冶金矿山、水泥等行业中典型的易损件和消耗最多的金属料,国内每年消耗磨球近180万吨。
其中我们发现,磨球的主要失效形式为磨损、破碎和失圆。
破碎和失圆在降低球磨机研磨效率的同时又加快了磨球的磨损[1]。
表1.12006年磨球国内消耗量
行业
总产量
单耗
消耗量(万吨)
备注
铁矿
3.2亿吨
1.8Kg/T原矿
58
低铬球
有色
1.5亿吨
0.8-0.9Kg/原矿
12.5
低铬球
火电
3亿KW
10.5Kg/万KW
31.5
低铬球和高铬球
水泥
8.5亿吨
0.2Kg/T水泥
17
低铬球和高铬球
合计
119
1.1.1铸造磨球
磨球按材质可分为金属磨球、非金属磨球,金属磨球包括钢球、铁球;非金属磨球包括无机非金属和有机高分子材料,其中无机非金属材料中包括氧化铝、氧化锆、硅酸锆、碳化硅、碳化钨、氮化硅等合成材料,也包括玛瑙、砾石、卵石等天然材料;有机高分子材料包括聚四氟乙烯等材料。
金属材料磨球按照制作方式又可以分成锻球、轧球和铸球。
其中铸造磨球的工业应用非常广泛,我国年产达到了百余万吨。
在冶金、建材、电力、化工等行业,磨球都有大量的应用。
因此,与磨球相关的国家及行业标准也很多。
由于目前尚无铸造磨球的国际标准,因此在最新的铸造磨球国家标准中参考了美国ASTM和欧洲耐磨铸铁件标准。
新修订的国家标准《铸造磨球》与原标准比分别增加了磨球的牌号,将磨球直径分为5类,减少了铸造磨球的直径公差,并将在国内已有生产并取得好的工业效果和性价比的磨球列入国家标准(ZQCrl2、ZQCr5、ZQQTM),依据生产和应用增加了C、Si、Cr的含量范围,提高了铸造磨球表面硬度要求(ASTM耐磨铸铁件的中上水平)。
标准制定水平的提高,反映了我国铸造磨球生产的技术水平有了长足的进步[2-8]。
1.1.2铸造磨球的材质
金属磨球可分为钢球和铁球,钢球包括碳钢球与合金钢球;铁球包括普通铸铁球、合金化铸铁球、天然多元素低合金铸铁球。
钢球则主要是锻轧球为主,还包括普通铸钢磨球及新型合金化铸钢磨球;铸造磨球是以铸造铁球为主,这从上面提及的几个国家及行业标准中就能看出。
近些年我国研发的磨球材质主要有中高碳钢锻球、贝氏体锻钢球,高铬合金铸球,中铬合金铸球,低铬合金铸球,贝氏体球墨铸铁球,贝氏体、马氏体复相球墨铸铁磨球.这些磨球中铸造磨球占了相当大的比例。
铸钢磨球研究主要通过合金化及热处理来提高铸造磨球的性能,即通过合金化和热处理改变铸造磨球组织,从而提高铸造磨球耐磨性。
利用合金化及热处理获得贝氏体和马氏体复合组织,以期获得高性能。
一般情况下随着淬火温度的提高,钢球的硬度增加,但过高硬度反而下降;淬火温度及回火温度对铸钢磨球的力学性能有着不同的影响,对于成分不同的铸钢磨球,淬火及回火温度存在一个最佳组合。
高性能铸造磨球的金相组织基本都是贝氏体+马氏体+少量奥氏体,而最佳热处理工艺就是为了获得这三种组织的最佳配比。
球墨铸铁磨球根据热处理后获得基体组织的不同分为贝氏体球墨铸铁磨球及马氏体球磨铸铁磨球。
与铸钢磨球不同,铸铁磨球的研究主要集中在不同铬含量磨球在不同领域应用情况的研究及高性能CADI和ADI磨球的研究等方面。
低铬多合金白口铸铁球的特点是铬含量低,价格较低。
大多应用在水泥、电力干磨作业,耐磨性是普碳钢球的7~8倍,应用于矿石等湿磨作业优势更明显,是低碳钢球的2.5~3倍,是中高碳钢球的1.5~3倍。
高铬与中铬合金铸铁球由于含较高铬元素,其金相为马氏体基体上分布着不连续的碳化物,因而其宏观硬度很高(50HRC以上),又有一定韧性,具有优良的耐磨性。
Crl2磨球,可以铸态直接使用,只进行简单的低温去应力处理即可,组织为细珠光体组织加碳化物加残余奥氏体。
其耐磨性是普碳钢球的10倍以上,大受电力、水泥行业欢迎。
贝氏体或马、贝体球墨铸铁磨球的金相组织,是由马氏体、贝氏体和球状石墨良好配合而成,具有良好的淬透性和硬韧性。
其耐磨度为普碳钢球的2.5~3倍,价格偏贵[9-10]。
1.2等温淬火球墨铸铁
1.2.1ADI发展现状及优点
1997年,芬兰M.Johansson宣布开发了一种性能优异的等温淬火球墨铸铁(AustemperedDuctileIron,简称ADI),因其具有比普通球墨铸铁更优良的综合性能,引起了广泛重视。
随后ADI作为一种新型的工程材料,在我国和欧美等发达国家不断深入研究与发展,被誉为近几十年来铸冶方面最重大的成就之一。
国外ADI的发展应用概况国际上对ADI的研究始于上世纪60年代末,70年代芬兰、美国和中国几乎同时宣布ADI的研制成功。
国外ADI的研发工作着重于有关ADI的化学成分、热处理工艺、组织转变、力学性能和使用性能等方面,使ADI的应用范围不断扩大。
美国、日本、欧洲和ISO分别制定了国家标准和国际标准。
在这种背景下,ADI在美国、欧洲和日本等发达国家和地区迅速发展,产量以每年超过15%的速度增长,其主要应用行业为汽车、铁路设备、农业设备、通用机械、建筑机械以及矿山机械。
我国是世界上最早研究ADI的几个国家之一。
开始是用一般稀土镁球铁进行280℃左右针状铁素体温度转变区等温淬火,得到针状铁素体和奥氏体基体组织。
于ADI机理的认识不足、原材料及其生产过程控制不严等因素的影响,没有形成批量生产,研究及生产一直停滞不前。
80年代,由于受到国际ADI发展的影响,ADI的研究又在我国兴起。
受到国际ADI发展的影响,ADI的研究又在我国兴起。
目前,我国对ADI的成分、热处理工艺、组织转变、力学性能和使用性能等方面进行了大量试验研究工作。
我国现阶段ADI应用主要集中在一般性抗磨件和机械承载构件上,高强度、高韧性的ADI因技术难度较高,其应用还较少。
ADI之所以受到世界各国的广泛关注和重视,与其优良的特性密不可分,与普通的铸铁和锻钢相比,ADI具有如下独特优点:
(1)良好的综合性能,同等伸长率情况下,ADI的抗拉强度是普通球墨铸铁的2倍,同等抗拉强度下,ADI的伸长率是普通的球墨铸铁的2倍以上。
(2)较低的成本:
由于具有良好的铸造性和生产的灵活性,ADI虽然经过等温热处理,其价格仍比钢件低20%左右,如果以屈服强度的成本计算,ADI是最便宜的材料之一,具有很强的竞争力。
(3)质量轻:
ADI组织中有近10%的石墨,故同体积的零件要比钢件轻10%。
(4)良好的耐磨性和耐疲劳性:
如经过喷丸处理,ADI的疲劳强度相当于淬火钢或表面渗碳淬火钢。
(5)优良的减音性和吸震性:
ADI中的石墨具有良好的吸音效果,故ADI零件工作时噪声小,组织中的石墨球能快速吸收震动,使机件运转平稳。
(6)相对简单的制造工艺:
将球墨铸铁毛坯进行等温淬火处理就可获得ADI,比制造同样强度性能的钢件节材节能、环保并提高生产效率[11]。
1.2.2ADI的生产工艺
等温淬火球墨铸铁的生产过程主要分为铸造和热处理两部分。
在铸造过程中,需要严格控制球化情况,要求较高的球化率和石墨球数,并具有较少碳化物和磷共晶的铁素体基体组织;在热处理时,要严格控制奥氏体化温度、等温淬火温度和保温时间等工艺参数,从而得到符合最终性能要求的基体组织[12-14]。
1.2.2.1铸造工艺
ADI的基本化学成分与普通球墨铸铁的成分相似,其化学成分见表1.2。
表1.2本次实验中样品的化学成分
C
Si
Mn
P
S
Cu
Mo
3.84
2.89
0.25
0.0456
0.019
0.809
0.368
石墨的大小、分布和球化率是由熔炼和铸造工艺决定的,等温淬火处理并不能加以改变。
铸件尺寸、离浇注系统的距离、内浇道的大小和位置都是影响铸件石墨球数的重要因素,快速冷却也会增加石墨球数。
合金元素对等温淬火球墨铸铁磨球的组织和性能有很大的影响,以下分析了几种主要元素对ADI性能和组织的影响:
碳:
碳是石墨化形成元素,利于球化并改善铸造性能。
因此,在不产生石墨飘浮的情况下,可适当地提高含碳量。
硅:
硅在球铁中是促进石墨化元素,在球墨铸铁中能加宽共晶、共析转变的温度范围,可以促使更多的石墨球形成而使单个石墨球径变小,随着硅量的增加,石墨球径细小,铁素体量增加,且硅促进贝氏体型铁素体转变,使形成细针状铁素体,从而提高了球铁的机械性能。
同时硅本身是负偏析元素,高温热处理是融入奥氏体化对基体有强化作用。
在等温处理过程中使贝氏体铁素体的生长时排出的碳富集于残余奥氏体中,从而提高了过冷奥氏体的稳定性。
但硅提高韧性-脆性转变温度,降低冲击韧性,因而含硅量不宜过高。
硅量的选择在2.2%~2.8%之间。
硫:
硫含量过高时,产生硫化物分布在晶界上,降低强度和韧性。
硫容易与球化元素化合,造成球化剂加入量的增加和球化不稳定,影响球化效果。
因此,硫严格控制在0.04%以下。
磷:
磷容易偏析,在晶界处形成磷共晶,这种磷共晶质硬又脆,是球铁中的有害成分,并且多角的形状容易造成应力集中而造成裂纹,从而降低普通球墨铸铁的力学性能,尤其是韧性和塑性。
大大的降低冲击韧性值。
把磷严格控制在0.04%以下。
锰:
Mn是有害元素。
它具有强烈增加硬度的能力,但在凝固时Mn也容易在晶界处产生偏析,同时延缓等温淬火的反应。
在断面大于19mm时,Mn在晶界处的偏析容易引起缩松缺陷,同时形成碳化物和不稳定的奥氏体。
这些微观结构缺陷和异质性会降低机加工性能,也会降低力学性能。
为改善性能、降低ADI对断面尺寸和石墨球数的敏感性,一般建议ADI中锰含量控制在0.3%以下。
在ADI中使用低锰优质生铁可以有效稀释废钢中的锰量,同时控制不良的微量元素。
铜:
Cu是影响拉伸性能的一个重要的因素,也能提高低于350℃等温淬火ADI的塑性。
铜含量在低于0.8%时,向ADI加铜可以增强它的淬硬性。
镍:
等温淬火温度在350℃以下,Ni可以轻微地降低其抗拉强度,但可以增加塑性和断裂韧性。
镍含量低于2%时,增加镍量可以提高ADI的淬硬性。
镍:
等温淬火温度在350℃以下,Ni可以轻微地降低其抗拉强度,但可以增加塑性和断裂韧性。
镍含量低于2%时,增加镍量可以提高ADI的淬硬性。
钼:
在ADI中Mo是一种具有很强淬硬性的元素,在大断面的铸件中需要Mo元素来防止珠光体的产生。
在共晶凝固时呈正偏析,容易富集在晶界上,不仅增加了硬脆的白亮区,而且促进了共晶碳化物的生成,其偏析程度比锰更强烈,故钼含量过多,将会产生碳化钼偏析与晶界或晶内,这种碳化物非常稳定,甚至通过长时间的石墨化退火也难以完全除,这将严重影响奥氏体的均匀化,使得残余奥氏体量减少,从而使ADI的塑性和韧性降低。
但钼有利于淬透性,在大断面工件或要求淬火速度比较温和的场合中,钼是不可少的元素。
Mo加入量在0.3%以下。
铬:
铬是中等强度碳化物形成元素,且价格相对比较便宜又易于控制。
在球铁其他化学成分、球化及孕育处理条件基本相同的情况下,不同的铬含量,导致铸态球墨铸铁基体组织中碳化物类型和数量产生相应的变化。
等温淬火和冲击韧度也发生相应的变化。
确定碳化物形成元素铬的含量的时候,因同时存在锰、钼,要考虑锰、钼共同影响碳化物数量的累加作用。
为稳定控制碳化物的数量[15-19]。
1.2.2.2热处理工艺
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一,与其他加工工艺相比,热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量,而这一般不是肉眼所能看到的。
使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能,除合理选用材料和各种成形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料,钢铁显微组织复杂,可以通过热处理予以控制,所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外,铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能,以获得不同的使用性能。
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程,有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接,不可间断。
在ADI的生产过程中,热处理工艺对最终产品的组织及性能有极其重要的影响,是最关键的生产工艺。
在热处理时应该严格控制奥氏体化温度、等温淬火温度和保温时间,这是控制产品最终性能的重要工艺参数。
等温淬火过程为把铸件加热使其奥氏体化并均匀化后,使之快冷到贝氏体转变温度区间(260~400℃),放入温度稍高于Ms点的硝盐浴或碱浴中,等温保持一定时间(一般在浴槽中保温时间为30~60min),使奥氏体转变为贝氏体,然后取出置于空气中冷却的淬火工艺。
图1.1C曲线
奥氏体化是指将材料加热到的奥氏体化区域(如图1.3所示),并在该区域内保温直至组织完全奥氏体化。
奥氏体化温度的提高会引起奥氏体中碳的溶解度增加,减慢贝氏体转变速度,阻碍贝氏体的形成,残余奥氏体将增多;同时,奥氏体化温度提高会使奥氏体晶粒粗大,导致等温转变形成的贝氏体粗大。
因此,在保证完全奥氏体化的同时应适当降低奥氏体化温度。
图1.2Fe-C相图
通过等温淬火可以达到以下目的:
(1)获得针状铁素体以增强钢材的强度、硬度、韧性、耐磨性和塑性。
(2)等温淬火变形量少,硬度较高并兼有良好的韧性。
(3)等温淬火后一般情况下无需再进行回火。
ADI的等温淬火过程主要包括两个阶段,在第一阶段,随奥氏体的分解,碳原子在铁素体形核长大处富集,使周围奥氏体富碳。
当碳原子富集到一定程度,便产生化学稳定性,富碳奥氏体不再分解,第一阶段反应即告结束,此时得到理想的ADI组织“针状铁素体+残余奥氏体+石墨”。
此后,等温淬火时间进一步延长,残余奥氏体的稳定性受到破坏,开始分解为铁素体和碳化物,即进入贝氏体转变的第二阶段,由于在此阶段出现了碳化物,因而使ADI综合性能降低。
要使ADI具有最佳的综合性能,必须保证第一阶段转变完全结束,避免第二阶段转变发生。
因此,最佳的等温淬火时间即是第一阶段转变完全结束而第二阶段尚未开始的时间。
典型ADI等温淬火工艺过程如附图1.4所示:
(1)首先将球墨铸铁升温至奥氏体化温度进行奥氏体化(840—980℃),保温1~2h(ABC)。
(2)然后将其迅速淬入奥氏体等温转变温度250~400%的盐浴中(CD),以避免产生珠光体转变。
这一阶段主要考虑等温淬火槽的冷却能力和铸铁成分。
(3)将其在这一温度下保温适当的时间(DG),随后出炉空冷至室温(GH)。
在ADI等温淬火过程中,奥氏体等温反应可分为两个阶段奥氏体分解为针状铁素体和残余奥氏体;第二阶段即残余奥氏体继续分解为铁素体和碳化物。
图1.3ADI等温淬火工艺过程示意图
1.2.2.3等温淬火后ADI的力学性能
经等温淬火处理,球墨铸铁的金相组织基体由晶粒粗大的牛眼铁素体和片状珠光体转变成了致密的针状铁素体和高碳、热力学和力学上稳定的奥氏体混合组织,力学性能随之大大提高,强度、硬席数倍增加,延伸率降低,这与其微观组织密切相关。
但切削加工性能随之变差,切削力急剧增加,加工困难,刀具磨损严重,切屑呈崩碎屑,四处飞溅,加工时需采取防护措施。
球墨铸铁等温淬火后,推荐采用陶瓷或PCBN等高硬度刀具进行切削。
奥氏体化是等温淬火过程的第一步,对ADI的性能影响很多。
首先,随着奥氏体化温度的升高,抗拉强度逐渐增大,900℃附近时达最大值(900MPa),继续升高奥氏体化温度,抗拉强度逐渐减小。
其次,随着奥氏体化温度的升高,冲击韧度逐渐增加,900℃时达最大,继续升高奥氏体化温度又有降低的趋势。
然后,随奥氏体化温度的升高,硬度逐渐增大;超过900℃后,硬度又略微下降。
最后,随奥氏体化温度的升高,伸长率增大,超过870℃后伸长率逐渐减小。
等温温度对ADI的硬度也有影响,随着等温温度的升高,基体的形态由针状逐渐转变成羽毛状,残余奥氏体量增加,同时晶粒变大。
因此,随着等温温度的升高硬度而降低。
当温度超过360℃后,富碳奥氏体分解出碳化物.因而硬度又升高。
并且等温温度对冲击韧性也有影响,当等温温度升高时,“C”曲线左移,组织转变速度和碳的扩散速度加快,有利于富碳奥氏体的形成,残余奥氏体的含量增大。
但富碳奥氏体中多余的碳易在奥氏体及铁素体
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