發(fā)布時(shí)間：2020-11-23 18:29

　　 等溫淬火球墨鑄鐵(Austempered Ductile Iron,簡稱ADI)作為一種生產(chǎn)工藝日趨成熟的金屬材料,擁有許多優(yōu)異的力學(xué)性能,如質(zhì)量輕、沖擊韌性優(yōu)良、生產(chǎn)成本低廉、硬度及耐磨性較高等。但是,ADI更多的是作為汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、工程機(jī)械等領(lǐng)域的機(jī)械結(jié)構(gòu)件,作為耐磨材料,其耐磨性仍有待進(jìn)一步提高。近年來,在ADI的基礎(chǔ)之上,材料科學(xué)家開發(fā)出了一種新型耐磨材料,即含碳化物等溫淬火球墨鑄鐵(Carbidic Austempered Ductile Iron,簡稱CADI)。CADI在保持ADI質(zhì)量輕、沖擊韌性較好、生產(chǎn)成本低廉等眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),還極大的提高了材料的硬度及耐磨性,是一種非常有應(yīng)用前景的耐磨材料,同時(shí)也非常適合用于制造球磨機(jī)用磨球。但是,CADI的強(qiáng)度和韌性盡管好于白口鑄鐵,但與ADI相比,還有很大的提升空間。本課題針對(duì)CADI,利用金相顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、洛氏硬度計(jì)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)及環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī),通過調(diào)控Cr含量以及熱處理工藝參數(shù),控制基體組織中碳化物的數(shù)量及分布形態(tài)、針狀鐵素體尺度、高碳奧氏體數(shù)量和高碳奧氏體含碳量,從而提高CADI的耐磨性能,并擁有較好的沖擊韌性,揭示CADI組織及性能的控制機(jī)制。結(jié)果表明,Cr含量對(duì)CADI鑄態(tài)及熱處理態(tài)的組織及性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。Cr是一種強(qiáng)碳化物形成元素,CADI中碳化物數(shù)量對(duì)Cr含量的變化非常敏感,因此需要嚴(yán)格控制組織中的Cr含量。鑄態(tài)下隨Cr含量增加,碳化物數(shù)量明顯增加,并由條塊狀逐漸發(fā)展成為粗大的網(wǎng)狀。而石墨所占體積比及球化率逐漸降低,石墨直徑先升高后降低。等溫淬火后,組織中產(chǎn)生典型的奧鐵體組織,而碳化物發(fā)生部分溶解現(xiàn)象。在900℃奧氏體化溫度下保溫100min,當(dāng)Cr含量為1.42wt.%時(shí),開始出現(xiàn)先共析鐵素體,對(duì)CADI的硬度及耐磨性產(chǎn)生很大的影響。隨Cr含量增加,硬度和耐磨性先升高后降低,而沖擊韌性逐漸降低,當(dāng)Cr含量為0.96wt.%時(shí),綜合性能最佳。隨著等溫溫度的提高,生成的針狀鐵素體越來越粗大,而且高碳奧氏體含量逐漸增多,硬度下降,而沖擊韌性增加。奧氏體化過程對(duì)CADI的組織及力學(xué)性能的影響結(jié)果表明,隨奧氏體化溫度的增加,針狀鐵素體及高碳奧氏體逐漸變粗,且高碳奧氏體含量增加。當(dāng)奧氏體化溫度為850℃時(shí),顯微組織中含有大量的先共析鐵素體,明顯降低了材料的硬度以及耐磨性。奧氏體化溫度升高,先共析鐵素體消失,高碳奧氏體中碳含量逐漸增多,使得奧氏體穩(wěn)定性增加,在磨損過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的轉(zhuǎn)變率逐漸降低。盡管馬氏體硬度高,但是易促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生和傳播,由此產(chǎn)生的磨屑顆粒能夠破壞材料表面的石墨潤滑膜,反而會(huì)降低材料的耐磨性。當(dāng)升高到950℃和1000℃時(shí),碳化物發(fā)生部分溶解,硬度逐漸降低,但是分布變得更加均勻,此外,由于高碳奧氏體的大量生成使得沖擊韌性大幅增加。耐磨性與材料的硬度及沖擊韌性均有關(guān)系,隨著奧氏體化溫度的升高耐磨性先升高后降低。奧氏體化時(shí)間對(duì)CADI組織和性能的影響較小。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG143.5
【部分圖文】：

的工程機(jī)械材料中可以替代鋼[18,19]。由于優(yōu)異的性能，球墨鑄鐵產(chǎn)量逐年增加，到 2013 年已經(jīng)占各類鑄件總產(chǎn)量的 26.0%，而且應(yīng)用日益廣泛，在經(jīng)濟(jì)生活中發(fā)揮出越來越大的作用。而且隨著制造工藝的進(jìn)步，球墨鑄鐵及其相關(guān)變種材料的力學(xué)性能得到了長足的進(jìn)步，被越來越多地應(yīng)用在一些高精尖的零部件上，如重型機(jī)床床身、風(fēng)電輪轂底座、燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)體、葉片等[20]。ADI 作為等溫淬火球墨鑄鐵，其等溫淬火過程如圖 1-2 所示[21]。經(jīng)過等溫淬火 ADI 中生成大量的奧鐵體，由于這種特殊的組織，使得 ADI 最高抗拉強(qiáng)度可超過 1600MPa，而最大伸長率可超過 11%[22]。ADI 的發(fā)展經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：試驗(yàn)研究階段、開發(fā)應(yīng)用階段和擴(kuò)大工業(yè)化生產(chǎn)階段[23]。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家以及日本非常重視 ADI 標(biāo)準(zhǔn)的制定，并且隨著研究的進(jìn)一步深入以及市場要求的逐漸發(fā)展，ADI 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)經(jīng)過了多次修訂（美國 ASTM 的 ADI 標(biāo)準(zhǔn)如表 1-1），使其能夠更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，而且便于技術(shù)交流。同樣，目前國內(nèi)已經(jīng)制定出相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T24733-2009（如表 1-2），相應(yīng)的研究、等溫淬火設(shè)備以及市場規(guī)模得到了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，開始進(jìn)入擴(kuò)大工業(yè)化生產(chǎn)階段，發(fā)展前景一片廣闊。

然后經(jīng)過等溫淬火熱處理，使基體中產(chǎn)生大量綜合力學(xué)性能優(yōu)良的奧鐵體組織，同時(shí)改善碳化物的數(shù)量以及分布，這樣材料的耐磨性能有望得到顯著改善，而且沖擊韌性還得到了一定的提高。如下圖 1-3 所示[10]，與常規(guī)的耐磨材料相比，CADI 硬度較高，而且耐磨性僅僅低于鎳硬鑄鐵。球墨鑄鐵經(jīng)過等溫淬火熱處理之后形成奧鐵體組織，作為 CADI 的基體組織，奧鐵體由針狀鐵素體和富碳奧氏體組成，具有較高的硬度和沖擊韌性，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，該組織是 ADI、CADI 與普通球墨鑄鐵的主要差別。CADI 和 ADI 的主要區(qū)別是組織中含有較多的碳化物，極大地提高材料的硬度以及耐磨性，但是對(duì)沖擊韌性具有不利作用，需要優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲得綜合力學(xué)性能更加優(yōu)良的耐磨材料。由于組織中含有大量密度較低的球狀石墨，導(dǎo)致材料的密度大大降低，有利于減少材料在工作過程中的能耗。同時(shí)大量的石墨能夠吸收震動(dòng)，提高了材料的減震性能。此外，不同于高鉻鑄鐵以及鎳硬鑄鐵等高合金材料，CADI 中成本較高的的合金元素添加量較少，使得 CADI 在優(yōu)越的耐磨性得以很好的保留的同時(shí)，材料成本也得到進(jìn)一步地控制。

技術(shù)路線
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