热变形后的冷却方式对白口铸铁组织与性能的影响

热变形后的冷却方式对白口铸铁组织与性能的影响刘建华史增洪张瑞军杨庆祥王爱荣宋诚忠张炜星摘要对经40%热度变形后不同冷却方式白口铸铁的组织与性能进行观察,并对其进行了分析,所得结果对白口铸铁的应用具有重要的指导意义。关键词热变形白口铸铁冷却方式组织性能INFLUENCEOFCOOLINGMODEAFTERHOTDEFORMATIONONSTRUCTUREANDPROPERTIESOFWHITECASTIRONLiuJianHuaShiZhenghongZhangRuiJunYangQianXiangWangAiRongYangShanUniversityShongChengzongZhangWeixinQingHuangdaoPlateCo.LtdofCapitalIronandSteelCorp.SynopsisThestructureandpropertiesofwhitecastironwhichwascooledindifferentmodesofcoolingafter40%hotdeformationareobserved,measuredandanalyzed.Resultsindicatethatitisofgreatsignificanceforapplicafionofthewhitecastiron.Keywordshotdeformationwhitecastironcoolingmodestructureproperty1引言白口铸铁具有很高的强度、硬度、耐磨性,因而作为耐磨材料被广泛的应用在水泥、矿山、电力等行业。由于白口铸铁中共晶碳化物以连续网状分布,其脆性较大,使其应用受到限制。为了提高白口铸铁的综合机械性能,有人提出用锻造,轧制等塑性加工方法,使其网状碳化物破碎,以提高其韧性,近年来人们对白口铸铁的锻造性及影响因素做了大量研究,［1、2、3］,结果表明,白口铸铁是可以塑性加工,但对其变形后的组织与性能的认识仍不充分,尤其是变形后的冷却方式对其影响尚未见详细报道。本文对此进行了探讨,为进一步挖掘白口铸铁的应用潜力,提供有价值的参考数据。2实验材料与方法2.1实验材料实验材料为亚共晶白口铸铁,其成分见表1,经250kg感应电炉溶炼,浇注成55×60mm圆棒试样。表1化学成分/%(wt)CSiMnCrPS2.350.610.851.210.0310.0382.2实验方法将试样放在RJK—8—13电阻炉内加热到1000℃保温40min,在400kg空气锤上进行平砧间单向镦粗变形,其变形量为40%,试样变形后采用以下4种冷却方式:(1)空冷至820℃淬入1.2%SST101淬火介质中冷却后再经200℃2h回火；(2)风冷(鼓风机吹风);(3)空冷；(4)变形后放入850℃电阻炉内随炉冷却。用NEOPHOJ21光学显微镜和KYKY—1000B扫描电镜观察铸态与上述各试样的金相组织。用计点法［4］对颗粒状碳化物的百分含量进行计算。沿垂直于试样变形方向将铸态和上述各试样截取尺寸为:10×10×55mm,无缺口冲击试样并打洛氏硬度。在MPW万能磨抛机上进行磨损试验,其试样尺寸为:10×10×20mm,外加载荷为1.1kg,磨料为180号刚玉水砂纸,行程为292.5和585m。用万分之一精度的光电天平测量失重量。(硬度,冲击韧性,耐磨性的数据为取三次试验结果的平均值)。用扫描电镜观察冲击断口和磨损面的形貌。3实验结果与分析3.1金相组织白口铸铁经变形后,网状共晶碳化物得以破碎,随冷却方式不同,其组织也存在差异,其特征,SST101冷却的试样,组织为破碎的碳化物+少量颗粒状碳化物+回火马氏体,其它几种方式冷却的试样组织为:破碎的碳化物+较多的颗粒状碳化物+珠光体。其中风冷的颗状碳化物数量最少,炉冷的最多。其结果见图1、表2。经高倍扫描电镜对基体珠光进行观察,发现空冷试样中层片状珠光体的尺寸范围为4.3～6μm,炉冷试样中层片状珠光体的尺寸范围为0.83～2.2μm。见图2,可见炉冷的珠光体球化较充分。图1不同冷却方式下白口铁金相组织400×a—铸态b—SST101冷却c—风冷d—空冷表2颗粒状碳化物析出量／%(wt)SST101冷却风冷空冷炉冷5.6516.7421.2524.87图2白口铁基体组织a—空冷b—炉冷白口铸铁经热变形在奥氏体内产生大量的位错等缺陷处,诱发析出尺寸约为0.002μm的颗粒状碳化物［2、5］。在随后冷却过程中,由于温度降低,溶解在奥氏体中的碳原子将以碳化物(Fe3C)形式析出,其析出的方式将优先依附在已有的颗粒状碳化物表面上,即使当温度低于共析点,碳原子仍以上述形式析出［6］。这样就使颗粒状碳化物周围发生贫碳而形成铁素体,即发生了球化现象。因为残留的颗粒状碳化物数量有限,远离已有碳化物区域的碳原子要想依附其表面析出,又受到扩散距离的限制,这部分区域将主要以片状珠光体形成机制进行。因此冷却速度越慢,碳原子扩散越充分,形成颗粒状数量越多,基体球化越充分。3.2性能测试3.2.1硬度由实验结果表3可见,冷却方式对其硬度影响较大。其中SST101冷却的试样硬度最高,炉冷的硬度最低。其主要原因是SST101冷却的其基体为马氏体,而其它几种方式冷却的基体组织为珠光体,因珠光体的硬度较马氏体低。冷却速度越慢,其球化越充分,其硬度越低。3.2.2冲击韧性经变形后的试样的冲击韧性明显高于铸态,变形后的冷却方式对其韧性也有影响,其中,风冷、空冷、炉冷之间差别不大，见表3。表3不同冷却方式的硬度(HRC)与冲击韧性(ak)值性能冷却方式铸态SST101冷却风冷空冷炉冷HRC44.563.550.54432ak／J.cm-22.103.854.504.554.62铸态白口铁中的共晶碳化物以连续状存在,对其基体起着分割作用,当受到冲击时,在碳化物尖端易产生应力集中,形成裂纹［7］,随后裂纹沿碳化物与基体的界面处扩展,导致脆性开裂。而白口铸铁经高温热变形后网状碳化物得以破碎,形成孤立的块状,使基体的连续性得以保护,当受到冲击时,有缓冲作用,从而减轻了应力集中现象。另一方面,基体析出的细小粒状碳化物阻碍位错的运动,对裂纹的扩展起着阻碍作用［8］。从断口形貌图3可见,铸态断口特征为典型的脆性断裂,变形后的断口特征则出现部分准解理,同时在一些微小区域因产生塑性变形而形成撕裂岭。图3断口形貌a—铸态b—空冷从实验结果可见,影响冲击韧性的主要因素是组织中的共晶碳化物的形态与分布,而冷却方式相对作用小些。冷却方式对韧性的影响主要是因冷却方式不同所得到的基体组织差异所致。3.2.3耐磨性图4为不同冷却方式的耐磨性,由实验结果可见,其耐磨性的大小顺序为,SST101冷却＞风冷＞空冷＞铸态＞炉冷。经分析笔者认为,基体的硬度低于碳化物,其相对耐磨性较碳化物差,在磨损过程中基体组织相对较易磨损,使碳化物凸出表面,凸出的碳化物将受到磨粒的冲击,经反复冲击下因碳化物与基体的塑变能力不同,所以在碳化物与基体的界面处易产生裂纹,当裂纹扩展到一定的程度形成块状剥落,基体硬度越低其与碳化物匹配越差,产生剥落倾向越大,即抗切削能力越差,切削失重越大,因为SST101冷却的硬度最高,所以其耐磨性最好。图4不同冷却方式下的耐磨性从结果可见铸态与空冷中的共晶碳化物以孤立的块状分布,使基体的连续性得以保护,以反复冲击引起的集力集中及疲劳裂纹的萌生与扩展都起着缓冲与阻碍作用,同时基体上弥欺分布的硬度较高的粒状碳化物对基体的磨损也起着一定的保护作用。从磨损形貌图5可见,变形后的白口铸铁的磨损特征为:切削沟槽和少量的小块剥落,且梨沟两侧有明显的塑性变形,SST101冷却的试样磨损面的切削沟较平浅,且剥落块也较少。而铸态的磨损特征为梨沟与大块剥落。可见白口铸铁的耐磨性不仅与其硬度有关,同时也决定于其的韧性和碳化物的形状、大小及分布。图5磨损面形貌600×a—铸态b—SST101冷却白口铸铁作为耐磨材料要求有较高的硬度,耐磨性,又应具有一定的韧性。从实验结果结合实际情况,认为变形后风冷最佳。4结论(1)白口铁经热变形后,其冷却速度越慢,基体组织球化越充分,硬度、耐磨性越差,韧性略有提高。(2)白口铁的韧性主要取决于共晶碳化物的形态,大小与分布;其耐磨性不仅与硬度有关也与其韧性、碳化物的大小、形态、分布有关。(3)白口铸铁经变形后最佳冷却方式为风冷。