收稿日期:2008 12 02; 修订日期:2009 01 09基金项目:陕西省2007年 13115 科技创新工程技术研究中心项目(2007ZDGC 17)作者简介:牛立斌(1972 ),山西运城人,博士.主要研究方向:金属基复合耐磨、防腐材料.Email:dy059@高铬铸铁棒/高锰钢复合材料的显微组织和耐磨性牛立斌,许云华,张夏妮,蔡 美(西安建筑科技大学机电工程学院耐磨材料研究所,陕西西安710055)摘要:通过将高铬合金粉药芯焊丝预制体插入到高锰钢熔体中,制备出高铬铸铁棒/高锰钢复合材料。
利用O M 、SEM 、XR D 、显微硬度以及三体磨损试验对复合材料的组织和耐磨性进行研究。
结果表明:药芯焊丝中的高铬合金粉末,在高锰钢熔体热的影响下,没有远距离扩散,而是烧结成致密的高铬铸铁棒。
随着高铬铸铁棒在复合材料中所占面积分数的增加,与对比试样比较,在低载荷下,耐磨性提高1.70~2.49倍,其耐磨性的提高取决于高铬铸铁棒的数量;在高载荷下,耐磨性提高1.38~1.86倍,其耐磨性的提高取决于高铬铸铁和高锰钢两种材料的共同作用。
关键词:高锰钢;高铬铸铁棒;复合材料;三体磨损中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:1000 8365(2009)02 0168 05Microstructure and Wear Resistance of High Chromium CastIron Bars/High Manganese Steel CompositeNIU Li bin,XU Yun hua,ZHANG Xia ni,CAI Mei(Institute of Wear Resistance Materials,School of Mechanical and Electrical Engineering,Xi an University of Architecture and Technology;Xi an 710055,China)Abstract:The composite of h igh chromiu m cast iron bars/high manganese steel were fabricated by in serting the preform of h igh chromiu m alloy po wder flu x cored wires in to high man ganese steel melt.The microstru ctu re and wear resistance were studied through OM,SEM,XRD,micro hardness test an d three body abrasive wear test.The results sh ow th at th ere is n o lon g distance diffusion of high chromium alloy powder in the flu x cored wires un der the effect of m olten heat,thise powders was sintered into th e high ch romium cast iron den se bars.With th e increasing area fraction of high chromium cast iron bars,th e wear resistance of the composites in creases by 1.70~2.49times u nder the lower load when compared with th e referen ce sample,an d the in crease of wear resistance depends on the amoun t of high chromiu m cast iron bars.Un der the larger load,the wear resistance in creases by 1.38~1.86times and the wear resistance is related to the com bin ed effect of high chromium cast iron bars and high mangan ese steel.Key words:H igh manganese steel;High ch rom ium cast iron bars;Composite;Th ree body abrasivewear高锰钢作为一种优良的耐磨材料,在受到较大冲击(强力冲击、强力挤压)的条件下,高韧性的奥氏体组织表层会因变形而硬化[1,2],其硬度由170~230H B 迅速增至500H B 以上,从而获得高的耐磨性。
如果受到的冲击力有限,加工硬化不明显,表层硬度较低,表现出耐磨性不佳,高锰钢的潜在能力不能得到充分发挥[3]。
为了保持高锰钢原有的韧性,提高其表面初始硬度,以弥补在低应力下的加工硬化能力较差的缺点,许多研究者进行了大量的研究,概括起来有以下几个方面:!在标准高锰钢成分基础上进行合金化,即添加Cr 、M n 、V 、T 、RE 等合金元素;∀制定新的弥散强化工艺;#进行表面强化(如挤压表面、强化爆炸、表面强化、表面喷涂、堆焊耐磨合金等)[4,6]。
高铬铸铁是继高锰钢和镍硬∃铸铁后的第3代耐磨材料,它的硬度可达到60H RC,其组织中容易形成显微硬度较高的M 7C 3型碳化物,该类型碳化物的数量越大,其耐磨性越好,但是整体高铬铸铁材料备件,不但消耗资源大、成本高,而且韧性较低,以至于它的&铸造技术∋02/2009牛立斌等:高铬铸铁棒/高锰钢复合材料的显微组织和耐磨性使用受到限制。
本文的思路是将高锰钢的韧性和高铬铸铁的硬度结合起来,在前期研究的基础上,利用高锰钢熔体的大热容量,将由高铬合金粉末制备的药芯焊丝烧结为高铬铸铁棒,从而得到高铬铸铁棒增强高锰钢基体的复合材料,拓宽材料的使用范围。
1 试验过程1.1 试样的制备试验选用直径为3.2mm的高铬合金药芯焊丝和高锰钢为主要复合材料,见表1,其中药芯焊丝是用厚度为0.25mm、宽度为15mm的H10钢带卷制而成,填充率为50%左右,合金粉的粒度为120~160目。
图1 试验示意图F ig.1 Schematic of the fabricating composites表1 试验选用材料的化学成分 w(%)T ab.1 Chemical composit ion of the r aw mater ials w(%)C Cr Si M n P S Fe 高铬合金粉 3.2027.21 1.440.120.0280.016Bal.高锰钢 1.12-0.8112.91<0.04<0.04Bal. 在制备试样时,将高铬药芯焊丝截制成一定几何形状和尺寸的预制体,如图1所示,烘干去掉焊丝中的水分。
选用石英砂和水玻璃造型,刷耐高温涂料,烘干备用。
在1480~1560(温度范围内,将高锰钢熔体浇注到砂型模后,立即将药芯焊丝的预制体插入到熔体中,并覆盖保温材料,让其缓慢冷却,确保烧结良好, 24h后从砂型内取出,在1100(下保温2h后水韧处理,得到复合试样。
需要说明的是图1中的关键尺寸L,是用来控制高铬铸铁棒在复合材料中的所占截面的面积分数,试验过程的参数见表2。
表2 试样过程中的主要参数T ab.2 M ain par ameters in experimental procedur e序号12345预制体中焊丝间距L/mm-9876浇注温度()5()/(14801500152015401560高铬铸铁棒面积/复合材料面积(%)010.913.918.925.2 1.2 试样检测用VEGA/T ESCAN扫描电镜对试样的显微组织和磨损后的表面形貌进行分析;物相鉴定是通过XRD (XCelerator)进行,主要是对复合材料中高铬铸铁棒的组织进行确认;用T UKON2100B显微硬度计对基体、磨粒以及碳化物颗粒的硬度进行测试;三体磨损测试是在MLD 10型磨损机上进行,被测试样以60r/ min的速度在直径为270m m的对偶面上进行水平旋转,磨损介质为80~100目的石英砂,每个试样先预磨20min后,再分别在40N和80N的两种载荷下进行30min测试,每次测试前后,用0.0001g精度的电子天平对试样进行称量,磨损率的计算是用重量损失除以测试时间、磨损面积以及按照混合原则计算的复合试样密度。
每个试样共进行3次测试,取其平均值。
为了更好的说明材料的性能,本研究以不含高铬铸铁棒的高锰钢作为对比试样。
2 结果与讨论2.1 复合试样的显微组织需要指出的是:当L较大时,越容易将药芯焊丝预制体插入到高锰钢熔体中,相反,当L较小时,由于熔体的流动性限制,越难以将预制体插入到熔体中。
在前期研究的基础上,按照表2的试验参数,得到的复合材料组织基本一致,所以,本文只对L=6mm时的复合材料显微组织进行分析和说明。
预制体中间距L=6mm时复合材料不同区域显微组织见图2。
从图中可以看出,在高锰钢熔体大热容量的影响下,H10钢带发生熔化,凝固后得到珠光体组织,药芯焊丝中的合金粉末熔化,并烧结成致密的高铬铸铁棒,均匀的分布在高锰钢基体中,表明焊丝中的合金粉末没有产生较大距离的扩散,达到了原位烧结以及复合的效果。
高铬棒为典型的高铬铸铁组织(图2b),由针状的初生M7C3碳化物、二次细小的碳化物颗粒、马氏体以及残余奥氏体组成[7]。
在高铬铸铁棒与钢带之间、钢带与高锰钢之间形成的过渡层厚度分别为20 m和40 m(图2c、d),过渡层的存在表明复合界面达到了冶金结合的程度,这对提高材料的性能非常有利。
图3是对高铬铸铁棒的XRD测试结果,与显微组织的分析基本一致。
图4为从基体到高铬铸铁棒的线扫描结果。
其中铁和铬元素的变化容易理解,而锰元素的变化就不同了,主要是因为,在药芯焊丝插入钢液的过程中,熔体对药芯焊丝有一定的压力,该压力会使熔体通过钢带间隙进入药芯焊丝内部,故在检测过程中发现高铬铸铁棒中有锰元素的存在。
表3是复合材料中各相以及SiO2磨粒的显微硬度,其中碳化物的硬度均比磨粒的硬度高,是主要的抗磨相[8],而奥氏体高锰钢的硬度较低,能够起到传递应%169%图2 预制体中间距L =6mm 时复合材料不同区域的显微组织F ig.2 SEM micr og raphs o f composite,at differ ent reg ions when L is 6mm图3 L =6mm 时复合材料高铬铸铁棒区的XRD 结果F ig.3 XRD patt ern of hig h chr omium cast ir on bar reg io nin the co mpo site when L is 6mm力的作用。