论文部分内容阅读
铸造Fe-Cr-B-Al合金以中国富有的B、Cr、Al为主要合金元素，不含V、W、Mo等昂贵合金元素，具有成本低、硬度高、耐磨性和强韧性好等优点。此外，铸态Fe-Cr-B-Al合金的硬度较低，成型工艺性好，容易切削加工。Fe-Cr-B-Al合金是一种新型的耐磨材料，可以部分代替高铬铸铁和高速钢等传统耐磨材料。本文设计了铸造Fe-10Cr-1.5B-2Al和Fe-12Cr-1.5B-xAl两组铁基合金，对合金铸态和热处理态的组织、硬度、耐磨性及高温抗氧化性进行了深入研究。 首先，借助金相显微镜、扫描电镜、能谱分析、高温X射线衍射分析、Thermo-Cal相图计算等手段，研究了Fe-Cr-B-Al合金的凝固过程、铸态组织、热处理组织。结果表明:(1)无铝Fe-12Cr-1.5B合金铸态组织主要由马氏体和奥氏体基体以及晶界处呈网状分布的共晶组织组成，共晶组织主要由层片状M2(B，C)、断网状M7(C，B)3和短棒状或粒状M23(C，B)6组成。Fe-12Cr-1.5B-xAl合金受Al含量的影响很大，随着Al含量的增加，基体逐渐转变为珠光体和铁素体组织，基体中铁素体含量越来越高。当Al含量超过6wt.％时，形成了呈弥散分布的Fe3Al金属间化合物。(2)Fe-10Cr-1.5B-2Al合金铸态组织主要由铁素体、珠光体以分布在晶界处的网状共晶组织组成，共晶体主要包括鱼骨状M2(B，C)和断网状M7(C，B)3。在1000～1150℃奥氏体化淬火后，合金基体逐渐转变为马氏体，基体中出现细小的白色颗粒状硼化物，鱼骨状M2(B，C)和断网状M7(C，B)3组织变化明显，硼化物由鱼骨状逐渐转变为颗粒状，网状结构断裂明显。当奥氏体化温度超过1100℃时，基体中产生少量的残余奥氏体，基体中颗粒状析出物数量明显减少，共晶组织明显粗化。在1100℃奥氏体化淬火+400～600℃回火后，合金基体转变为回火马氏体、残余奥氏体和块状铁素体，随着回火温度的升高，块状铁素体逐渐变大，残余奥氏体数量逐渐减少，共晶硼碳化物断裂明显。 其次，借助洛氏硬度计、显微硬度计、M-200环块磨损试验机，研究了Al含量对铸态Fe-12Cr-1.5B-xAl合金硬度的影响，以及热处理对Fe-10Cr-1.5B-2Al合金力学性能和耐磨性影响:(1)随着Al含量的增加，Fe-12Cr-1.5B-xAl合金的洛氏硬度和维氏硬度都呈现先急剧下降，超过2wt.％后缓慢上升的规律。(2)淬火处理对Fe-10Cr-1.5B-2Al合金硬度的影响显著，使其硬度大幅提升，当淬火温度达到1100℃时，合金硬度达到最大值65.4HRC。随着淬火温度的继续升高，合金硬度略有下降。(3)在1100℃奥氏体化淬火+400～600℃回火后，回火温度低于450℃，硬度变化不明显，当回火温度超过450℃时，洛氏硬度大幅下降，且回火温度对合金基体显微硬度的影响与洛氏硬度变化趋势基本一致。回火次数对合金硬度影响不明显，而回火时间对合金硬度的影响比较明显，回火时间过短或者过长，合金硬度都较低，回火时间为4h时，合金硬度达到最高的62.5HRC。(4)经1100℃奥氏体化后的Fe-10Cr-1.5B-2Al合金的耐磨性达到最优。在1100℃奥氏体化淬火+400～600℃回火后，合金耐磨性随着回火温度的升高呈现出先上升后下降的规律，回火温度为450℃时，耐磨性达到最优。 最后，对Fe-12Cr-1.5B-xAl合金进行了高温循环氧化试验，结果显示:(1)在800℃/250h循环氧化过程中，无铝Fe-12Cr-1.5B合金出现明显的氧化膜开裂和剥落现象，而随着Al含量的增加，Fe-12Cr-1.5B-xAl合金氧化膜开裂和剥落现象逐渐消失，不同Al含量Fe-12Cr-1.5B-xAl合金均属完全抗氧化级别。合金中Al含量的增加可显著提高合金的抗氧化能力。(2)无铝Fe-12Cr-1.5B合金中表面形成了富Si区，Cr、Mn、Fe、O元素分布比较均匀，氧化物主要为SiO2、(Fe，Cr)2O3和M3O4;在含铝Fe-12Cr-1.5B-xAl合金中，Fe和Cr元素分布比较均匀，富Si区消失，形成了富Al区，Al形成了Al2O3，主要富集中于氧化膜/基体界面处，随着Al含量的增加，越有利于Al2O3氧化物层的形成，在高温下Al2O3氧化物可在氧化膜内粘性流动，填补缺陷，能与Cr2O3氧化膜形成良好的结合，从而有效的抑制合金的氧化。