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1钼对镍硬白口铸铁组织和性能的影响
Mohamed Mahmoud Mourad bull; Shimaa El-Hadad bull;
Mervat Mohamed Ibrahim
收到日期: 2014年11月24日/接受日期: 2014年12月22日/在线公布日期: 2015年2月15日
印度金属研究所- IIM 2015
摘要：牌号（ASTM-A 532）的镍硬白口铸铁合金称为耐磨白口铸铁，大量的铸铁为了适应特殊的用途而进行成分调整再生产。在当前的研究中，通过添加不同量的Mo对IC Ni-Cr-G进行了改性。测定了铸造试样的抗拉强度、冲击能、硬度和耐磨性，并与合金中钼含量有关。据实验观察，加入高达质量分数为0.96%的Mo时，由于其细化了碳化物，从而提高了合金的机械性能和耐磨性。然而，当继续添加Mo时，却对强度和耐磨性产生了有害影响。综上所诉，Mo在耐磨镍硬合金中的添加量应选择决定性的最优，因为即使添加量略有差异，也可能对改变耐磨性起到重要作用。
关键词：白口铸铁，Mo的影响，机械性能。
1 介绍
白口铸铁( WCI )已成为矿山和水泥行业耐磨材料的候选材料。耐磨白口铁ASTM A 532中的合金因其优异的耐磨性和良好的冲击韧性而被使用。它们具有次共晶到过共晶的组成，并由嵌入可硬化金属基质中的硬质碳化物相( HP )组成。这两种成分都是从熔体中产生的，并且晶体结构和硬度根据合金化和热处理而变化[1]。在这一组中，I级用于制造磨球、磨衬套等。如图1所示。根据ASTM-A 532，这一组是马氏体铁称为镍硬铸铁( IC镍-高镍-铬- GB )。马氏体白口铸铁在很大程度上取代了珠光体白口铸铁，用于制造许多类型的耐磨铸件，可能只有采用激冷铸铁辊和磨球的例外。尽管马氏体白口铸铁的成本较高，但其优越的耐磨性使马氏体合金白口铸铁在经济上极具吸引力[2]。镍硬质合金设计成大部分为马氏体铸态；通常采用的唯一热处理是回火。
图一：镍硬合金的应用。a为球磨机衬板铸件，b为耐磨件。
表1 不同批次的化学成分（IC镍-高镍-铬-GB）
|
N0. |
化学成分（质量分数%） |
|||||||||
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ni |
Mo |
Cu |
Fe |
|
|
1 |
3.30 |
0.866 |
0.912 |
0.0143 |
0.0119 |
1.16 |
3.06 |
0.02 |
0.151 |
90.46 |
|
2 |
3.46 |
0.936 |
0.902 |
0.0123 |
0.0251 |
1.18 |
3.01 |
0.522 |
0.152 |
89.77 |
|
3 |
3.38 |
0.871 |
0.905 |
0.0142 |
0.0120 |
1.15 |
3.04 |
0.96 |
0.157 |
89.48 |
|
4 |
3.40 |
0.852 |
0.912 |
0.0142 |
0.0128 |
1.14 |
3.07 |
1.45 |
0.163 |
88.96 |
|
5 |
3.2 |
0.855 |
0.889 |
0.0139 |
0.0123 |
1.13 |
3.03 |
1.53 |
0.156 |
89.16 |
为了提高其服务性能；一些研究人员致力于开发具有改变化学成分的镍硬合金，以提高其耐磨性而不降低冲击韧性[3][4]。这些合金添加剂如钛、钒和铌用作碳化物的非均匀相成核位点，因此可以获得更细的碳化物和增加的硬度[4]。最近，Mohammadnezhad等人[5]。已经观察到，向Ni - hard 4 WCI中加入质量分数2%钒导致具有分散的VC的精细微结构碳化物。这种显微组织显示出最高的硬度和耐磨性，而冲击韧性没有任何降低。虽然之前研究了合金添加量对镍硬白口铁性能的影响，但大多数研究集中在高铬白口铁上。另一方面，低合金白口铁是磨球和磨衬套等许多应用中最便宜的候选材料。还加入Mo以增加铸态淬透性，从而当铸铁用于诸如衬板和大型渣浆泵体的铸态条件时提供无珠光体的奥氏体基体。在热处理过的铁中，Mo增加了常规淬透性，使得即使较厚的部分在去稳定后也可以空气硬化，从而得到马氏体基体[6][7]。Mo还提高了需要使用的回火温度，通过最小化碳化物沉淀粗化和通过用Mo碳化物沉淀硬化而增加了峰值硬度，并拓宽了峰值硬度发展的温度范围[ 8，9 ]。研究了添加钼对低铬白口铁IC Ni–Cr–GB组织和力学性能的影响。
2 实验
2.1铸造
在100 kg中频感应炉中制备了镍硬质合金。熔化温度约为1500℃。在浇注之前，除去浮渣和炉渣，并使用生砂型开始浇注。试样尺寸为ASTM E8标准冲击试样( 10times;10times;55 mm )。拉伸试验样品根据ASTM E8标准尺寸铸造。从光谱仪获得的合金的最终化学组成作为3次读数的平均值列于表1中。对合金( 1～4号)和合金( 5号)进行了研究，仅研究了进一步添加钼对磨损性能的影响。为了控制熔融金属的处理，使用标准设备进行热分析，该标准设备必须包括装有与微型计算机连接的热电偶的砂杯。热电偶放置在杯子的中部。所得冷却曲线可作为铸造过程中的导向。根据所得数据，从钼对各熔体液相线温度和共晶温度的影响出发，解释了钼的加入对各熔体液相线温度和共晶温度的影响。
2.2微观结构调查
采用奥林巴斯光学显微镜( OM )和配有能量色散X射线光谱仪的场发射显微镜对样品的显微结构进行了表征。利用XRD对样品中不同晶体结构的各相进行了鉴定。
2.3力学性能评价
使用使用无缺口样品的仪器化冲击试验机。根据ASTM - E23评价冲击强度。平均考虑了五次读数。用维氏硬度计测定试样的硬度。对每个样品进行六次测量以获得平均值。使用销对环磨损试验类型评价耐磨性，其中样品固定在旋转不锈钢轮( 63 HRC )上。试验在265 rpm的速度下在90、180和260 N的可变负载条件下进行20分钟。根据重量损失测量样品的耐磨性。
3 .结果和讨论
3.1热分析和微观结构
特性描述
记录了4种不同钼含量合金的热分析曲线。图2表示具有最小Mo添加量的合金的冷却曲线；1号( 质量分数为0.02 % )和质量分数为1.45% Mo的4号。冷却曲线的特征解释为液相线温度；t1、共晶开始；共晶转变温度；碲、固相线温度；表2概述了技术服务。从该表中可以清楚地看出，随着Mo的加入，合金的液相线温度升高，共晶温度降低。参考铁-碳相图和Li等的研究[ 10 ]，温度的这种变化是由于Mo的存在而发生的，Mo促进碳化物的形成，因此减少碳并将合金位置移向相图左侧，根据凝固温度区间之间存在直接相关性[ 11 ]；DTE ( Tes - Ts )和共晶团的直径( Ed )如下所示；
这意味着凝固温度区间越窄，液相和固相在相同晶体生长条件下共存的时间越短，因此所得微结构越细。参考表2，DTE从1号合金到2 - 4号合金的总体下降趋势表明，通过添加Mo细化了组织。
3.2微观结构调查
图3和图4示出了用于研究的具有不同Mo添加量的四种不同合金的微观结构。参比合金的显微组织；1号(图3a )由初生枝晶回火马氏体组成；alpha;-Fe奥氏体共晶混合物；gamma;-Fe粗大渗碳体；以及被称为莱氏体[ 12，13 ]的theta;-Fe。通过添加Mo，莱氏体的量从合金1 (图4a )到合金4 (图4d )逐渐减少。合金中观察到的显微组织细化:2–4号是由于Mo的存在。这可以在以前的研究范围[ 7–9 ]中解释如下；在凝固过程中，第一沉淀化合物具有最大熔点。碳化钼( MoC )和碳化铬的熔点分别为2577℃和1710℃。结果，这些微小高熔点颗粒( MoC )可以用作碳化铬非均相成核的核，并导致该碳化物的显著细化和它们的分布和形态的改善。图5是四种合金的SEM显微照片，显示了由于Mo添加而引起的结构改变。图6中示出了2号合金的场发射显微照片FEM作为示例。Cr和Fe碳化物的网络，光谱A，存在于奥氏体-马氏体基体上。根据方程式。1 [ 11 ]和图3、4、5、6中，Mo的加入可以细化2号和3号合金中的碳化物网络，而对于Mo含量为1.45 %的4号合金，经常观察到粗大的枝晶。
表二 1-4号合金的冷却曲线特性
|
Alloy no. |
TL |
Tes |
Te |
TS |
Tes-Ts |
|
1 |
1230.07 |
1193.75 |
1134.11 |
1087.46 |
106.29 |
|
2 |
1232.07 |
1194.35 |
1130.13 |
1088.64 |
105.71 |
|
3 |
1235.15 |
1195.71 |
1127.77 |
1096.50 |
99.21 |
|
4 |
1239.05 |
1190.66 |
1125.12 |
1086.67 |
103.99 |
时间：S
温度：℃
a
图2 钼含量为0.02 %的镍硬质合金（a图为一号合金）和钼含量为1.45 %的镍硬质合金（b图为四号合金）的冷却曲线和一阶导数曲线
时间：S
3.3力学性能评价
图7表示五个测试样品的维氏硬度测量值。注意到，将Mo含量增加到质量分数0.5 %稍微增加了硬度(合金2 )，然后通过添加质量分数0.96 % Mo (合金3 )获得显著增加。由于如图3b、c、5b、c所示观察到的这些合金的结构细化，硬度的这种改善是预期的。然而，随着Mo的进一步添加，硬度显著降低(合金4和5 )。对于图8所示的拉伸强度曲线观察到相同的趋势，其中UTS从312 MPa ( 质量分数0.02 % Mo )增加到最大353 MPa ( 质量分数0.96 % Mo )。随着钼添加量的增加，UTS降低到(
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