热变形量对白口铸铁组织与性能的影响

热变形量对白口铸铁组织与性能的影响钟长文王海燕摘要对经不同热变形量的白口铸铁的组织与性能进行观察、测试及分析,所得结果对白口铸铁的应用具有重要的指导意义。关键词白口铸铸热变形量组织性能INFLUENCEOFHOTDEFORMATIONQUANTITYONSTRUCTUREANDPROPERTIESOFWHITECASTIRONZhongChangwenWangHaiyanLianYiPetroleumandChemicalIndustryCo.Ltd,DaQingLiuJianhuaYanShanUniversitySynopsisThestructureandpropertiesofwhitecastirongoingthroughdifferenthotdeformationwereobserved,measuredandanalyzed.Resultsobtainedhavegreatsignificanceforapplicationofthewhitecastiron.Keywordswhitecastironhotdeformationquantitystructureproperty1前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地应用于水泥、矿山、电力等行业。由于白口铸铁中共晶碳化物为连续网状分布,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［1～3］，结果表明:白口铸铁可以塑性加工,且组织中的网状共晶碳化物得以破碎,同时在基体上形成大量细小的颗粒状碳化物,总的效果使其韧性得以提高。然而变形量与其组织与性能的关系,尚未见详细的报道。本文对此进行了探讨,为确定最佳变形量,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试验材料与方法2.1试验材料试验材料为亚共晶白口铸铁,其成分为:2.35C，0.61Si,0.85Mn,1.21Cr,0.03P,0.038S。经250kg感应电炉熔炼,浇注成55×60(单位mm)圆棒试样。2.2试验方法将试样放在RJX-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,其变形量分别为10%、25%、40%、50%、65%,然后空冷至室温。用NEOPHOJ21光学显微镜和KYKY-1000B扫描电镜观察铸态与上述各变形试样的金相组织,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变形试样截取尺寸为10×10×55(单位mm)的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10×10×20(单位mm),外加载荷为1.1kg,磨料为180号刚玉水砂纸,行程600m。用万分之一精度的光电天平测量失重量。(硬度、冲击韧性、耐磨性的数据是3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试验结果与分析3.1金相组织白口铸铁经热变形后,其金相组织为:破碎的网状共晶碳化物,基体上弥散分布的细小粒状碳化物和基体珠光体组织。变形量越大,网状共晶碳化物破碎越严重,颗粒状碳化物数量越多，(见图1、表1)。当变形量超过65%时,试样出现宏观裂纹,裂纹的走向与压力方向呈45°角,有的裂纹相交成八字形。经微观组织观察(图2)发现裂纹源在网状共晶碳化物内部或在碳化物与基体的结合面处萌生,并沿碳化物或碳化物与基体的结合面延伸扩展。图1不同变形量的白口铸铁金相组织200×a—铸态b—10%c—40%d—50%表1颗粒状碳化物析出量变形量/%10254050粒状碳化物(w)/%8.7517.6821.2523.34图2裂纹产生与扩展400×白口铸铁经热变形后,在奥氏体内产生大量的位错等缺陷,在这些缺陷处易诱发析出尺寸约0.002μm的颗粒状碳化物［5］,在随后的冷却过程中,随温度的降低,即使温度低于共析点,碳原子将以碳化物(Fe3C)形成优先依附在已有的颗粒状碳化物表面上［6］。因变形量越大,奥氏体内产生的位错等缺陷越多,诱发析出的颗粒状碳化物数目也越多,因此形成的颗粒状碳化物数量也就越多。随变形量的加大,白口铸铁所受的变形应力越大,当其超过材料极限强度时,会出现裂纹。裂纹源之所以在网状共晶碳化物内部及碳化物与基体的结合面上萌生,就是由于碳化物本身脆性大,韧性差,以及碳化物与基体的塑性不同,因此抵抗塑性变形能力也不同,在外力作用下易产生应力集中导致裂纹形成。3.2性能测试3.2.1硬度由实验结果图3可见:白口铸铁的硬度随变形量的增大略有降低,但降低不大。其原因就是由于变形量越大,其球化越充分。图3变形量与白口铸铁的力学性能和耐磨性的关系3.2.2冲击韧性变形量对其冲击韧性有明显影响,当变形量小于10%时,其冲击韧性与铸态相当,当变形量大于10%时,其冲击韧性随变形量的增加而增大(图3)。经分析认为影响冲击韧性的主要因素是组织中共晶碳化物的形态与分布,因为连续网状的共晶碳化物对基体起着分割作用,使基体的连续性得以破坏,当受到冲击时,在碳化物尖端处易产生应力集中形成裂纹［7］,随后裂纹沿碳化物与基体的结合面处扩展,汇合导致脆性开裂。而白口铸铁经高温热变形后,网状的碳化物得以破碎,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,从而减轻应力集中现象,使韧性得以提高,再者,基体中析出的细小粒状碳化物阻碍位错的运动,对裂纹的产生及扩展起着阻碍作用［8］。从图4可见:铸态与10%变形量的白口铸铁的断口特征相似,是典型的脆性断裂,而40%变形量的白口铸铁的断口特征则为部分准解理,同时在一些微小区存在撕裂岭。这与金相组织(图1)中的共晶碳化物的形态、分布大体对应。图4断口形貌a—铸态b—10%c—40%3.2.3耐磨性由试验结果图3可见:当变形量大于10%时,白口铸铁的硬度略有降低,但其耐磨性却略有提高。由于基体珠光体的硬度低于碳化物(Fe3C),其相对耐磨性较碳化物差。在磨损过程中,基体组织相对碳化物易磨损,使共晶碳化物凸出表面,凸出的碳化物将受到磨粒的冲击,易在碳化物与基体的结合面处,产生应力集中,萌生裂纹,乃至裂纹扩展汇合到一定程度形成块状剥落。而白口铸铁经热变形使网状的共晶碳化物得以破碎成独立的块状,使基体的连续性得以保护,对反复冲击引起的应力集中及疲劳裂纹的萌生与扩展都起着缓冲与阻碍作用,从而减少了因剥落而产生的磨损量。再者基体上弥散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,因而减少了因磨削产生的磨损量。总的效果使其耐磨性提高。从图5可见：铸态组织中的磨损面上剥落块较多且有大块剥落现象,而40%变形组织中仅有少量的小块剥落,而且两侧有明显的塑性变形。图5磨损面形貌1000×a—铸态b—40%可见白口铸铁的耐磨性不仅与硬度有关，而且也与其韧性和组织中碳化物的形态、大小、分布有关，与实验结果相符。4结论(1)在1000℃加热形变条件下，变形量越大,白口铸铁中网状共晶碳化物破碎越严重,基体中颗粒状碳化物数目越多。当变形量超过65%时,白口铸铁表面出现宏观裂纹,其裂纹源在共晶碳化物内部及碳化物与基体的结合面处萌生,并沿碳化物与基体的界面处扩展。(2)白口铸铁随热变形量增大,其硬度略有降低,当变形量小于10%时,其耐磨性、冲击韧性无明显变化;当变形量大于10%时,冲击韧性有所提高,耐磨性略有提高。(3)根据以上实验结果,确定白口铸铁的最佳变形量应为40%～50%。联系人:刘建华,副教授,秦皇岛市(066004)海港区河北大街西段169号燕山大学材料与化工学院作者单位：钟长文王海燕大庆联谊石化股份有限公司刘建华燕山大学