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显微组织在耐磨钢铁中结构与作用
发布时间:
2022-05-11 16:14
来源:
青岛市机械研究所,山东青岛266033
摘要:耐磨钢铁化学成分相同,而生产工艺不同,主要是热处理工艺的不同,得到的显微组织不同,其结果是力学性能、抗磨损性能、耐热耐蚀性能不同,性能相差几倍至十几倍。显微组织决定材料性能。材料的优异性能通过获得需要的显微组织实现。
关键词:显微组织、奥氏体、马氏体、碳化物
Microstructure in wear resistant steel and the role
WangDingXiang
Qingdao Machine Res Institute Shandong Qingdao 266033
Abstract: Wear the same steel chemical composition, and different production process, the main heat treatment process is different, different microstrutures were obtained, the result is the mechanical properties, wear resistance, corrosion resistance performance of different heat,a difference of a few times to ten times. The microstructure to determine material properties. The excellent properties of materials obtained by microsturcture to implementation.
Key word: Microstructure、Austenite、Martensite、Carbide
金属的原子是金属组织的最小单位。金属原子的排列方式构成晶体,晶粒是无数的晶体组成。晶体是由晶格组成的,晶格的最小单位是晶胞。晶胞的三个座标的边长尺寸与晶格常数其尺寸单位为nm(纳米)。1nm=10-7cm。晶体内原子排列的方式一般有三种,即体心立方晶格,晶胞见图1;面心立方晶格,晶胞见图2;密排六方晶格,晶胞见图3。纯铁(铁中无碳,例如电解铁)在固体下不同温度同素异构转变,纯铁的铁原子排列由液态1539℃冷却结晶至1392℃为体心立方晶格,称为δ-Fe,在1392℃转变到911℃为面心立方晶格,称为r-Fe,在911℃由r-Fe又转变为体心立方晶格至室温称为α-Fe。α-Fe的晶格常数为0.286nm,r-Fe的为0.365nm。δ-Fe与α-Fe晶格相同。
图1 体心立方晶胞 图2 面心立方晶胞 图3 密排六方晶胞
铁素体是碳与金属元素在α-Fe(或δ-Fe)中的固溶体。渗碳体是铁与碳的化合物以Fe3C表示,它具有复杂的斜方晶体结构。碳化物是铁、合金元素与碳的化合物。晶格是用金相显微镜或电子显微镜观察不到的,用X射线衍射仪才可以测定。而晶粒、铁素体、渗碳体、碳化物、珠光体、、奥氏体、贝氏体、马氏体等用金相显微镜及电子显微镜观察判断。
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作者简介:王定祥(1936——),男,教授级高级工程师,主要从事金属热处理、耐磨材料研究、应用与开发。
1、奥氏体 碳与合金元素在r-Fe中固溶体
碳原子的溶入r-Fe的点阵发生畸变,晶格常数增大。碳、氮等位于间隙位置,锰、硅、镍、钴等则置换部分碳原子处于面心立方晶格取代位置。奥氏体的晶胞见图4,奥氏体的显微组织见图5。
图4 奥氏体的晶胞 图5 奥氏体的显微组织
大部分钢铁合金加热到临界点AC3或ACm以上组织全部转变为奥氏体,称为奥氏体化。
1)、奥氏体锰钢(高锰钢)
加入一定锰量的钢铁合金经固溶处理在室温获得奥氏体组织的钢称为奥氏体锰钢。国家标准GB/T5680-2010奥氏体锰钢铸件共10个牌号:ZG120Mn7Mo1、ZG110Mn13Mo1、ZG100Mn13、ZG120Mn13、ZG120Mn13Cr2、ZG120Mn13W1、ZG120Mn13Ni3、ZG90Mn14Mo1、ZG120Mn17、ZG120Mn17Cr2。
而奥氏体的初始硬度不高约HRC20(固溶处理后HBW170-220),韧性及抗腐蚀性能好。在奥氏体锰钢的抗磨损性能是在实际工况条件下晶格发生畸变,原子错排形成应力集中,发生位错,提高了硬度、强度这便是位错理论,而不是产生了马氏体。位错几个示例:图6为螺旋位错示意图,图7为刃型位错示意图,图8为大角度位错示意图。
○上层原子 ●下层原子
图6 螺型位错示意图 图7 刃型位错示意图 图8 大角度位错示意图
水泥球磨机(干法球磨机)用奥氏体做筒体衬板时,初始硬度为HRC20,而经使用产生位错硬化硬度为HRC34,硬度提高不多,故而不耐磨。火电厂磨煤风扇磨冲击板用奥氏体锰钢初始硬度为HRC20经使用产生位错硬化硬度仅为HRC28-38不抗磨。而锤头、齿板、轧臼壁、破碎壁用奥氏体产生位错硬化硬度达HR55,抗磨损性能好。湿法球磨机衬板因有腐蚀作用采用奥氏体锰钢效果也好。
2)、奥氏体耐热耐磨钢
奥氏体系单相组织,在高温条件具有抗蠕变性能抗断裂性能抗氧化及耐蚀性能,同时还具有高温抗磨粒磨损性能。因此在耐热耐磨钢中奥氏体组织仍是首选,在不超过650℃工作温度有1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Mo、45Cr14Ni14W2Mo、12Cr16Ni等牌号;在不超过950℃工作温度有ZG40Cr22Ni10Si2Mn牌号;在不超过1100℃工作温度有ZG40Cr25Ni2Si2Mn、ZG35Ni24Cr18Si2Mn等牌号;在不超过1150℃工作温度有ZG40Cr25Ni20Si2Mo。
2、珠光体 珠光体是奥氏体发生共析转变形成的铁素体与碳化物(在铁碳合金中为渗碳体)的共析体。是铁素体与碳化物相间的层片状组织,也称片状珠光体。力学性能介于其组成的铁素体与碳化物之间,硬度、强度适中,塑性和韧性较好。
珠光体内片间距为150-450nm,一般HBW在190-230,珠光体组织见图9。索氏体内片间距为80-150nm,一般HBW 230-320,又称细珠光体,索氏体组织见图10。屈氏体内片间距为30-80nm,一般HBW在330-400,又称极细珠光体或托氏体,屈氏体组织见图11。
(a)光学显微镜下形貌400X;(b)电子显微镜下形貌
图9 珠光体组织
(a)光学显微镜下形貌400X;(b)电子显微镜下形貌
图10 索氏体组织
(a)光学显微镜下形貌400X;(b)电子显微镜下形貌
图11 屈氏体组织
在球化退火时,珠光体中碳化物呈球状,称球状珠光体。在相同化学成分情况下,球状珠光体的强度、硬度稍低(HBW在160-190),但塑性、韧性较好。球状珠光体切削性好,冷挤压成型性好,淬火时变性、开裂倾向小。
3、马氏体 马氏体是碳与合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体转变是在低温进行的,铁原子与碳原子是无扩散r-Fe内原子产生位移,形成切变为α-Fe,碳在α-Fe中是间隙固溶体,引起晶格畸变,造成立方体C轴伸长,α轴缩短,c/a称为正方度。马氏体的晶胞示意图见图12。合金元素加入钢铁中是形成置换固溶体,对马氏体晶格常数影响不大。
a)碳原子在α-Fe间隙的可能位置;(b)碳原子在α-Fe间隙产生正方度
图12 马氏体的晶胞示意图
⑴、片状马氏体
在中碳合金钢及高碳合金钢经奥氏体化后淬火往往得到片状马氏体。光学显微镜下观察呈针状,也叫针状马氏体。立体形态为片状,中间厚,两端尖细。图19为金相显微镜500X的片状马氏体。图14为透镜片状马氏体形貌。
(ZG42Cr2Si2MnMo钢) (a) (b)
图13 片状马氏体 500X 图14 透射电镜中片状马氏体形貌
片状马氏体硬度高,一般HRC 48-67,而冲击韧度稍低,马氏体的硬度主要是随含碳量的增加而提高,而加入合金元素对马氏体硬度提高作用较小,而对淬透性的影响很大。含碳量的增加使淬火后残留奥氏体量增多,而使硬度下降。片状马氏体中含C量愈多溶入形成α-Fe过饱和固溶体C原子愈多,合金元素的进入形成过饱和α-Fe间隙固溶体,晶格畸度愈严重,形成的应力场的应力愈大,硬度更高,抗磨损性能更高,但是抗氧化、抗腐蚀及抗高温腐蚀磨损性能愈低。ZG42Cr2Si2MnMo钢、ZG45Cr2SiMo、ZG40Cr5Mo均是片状马氏体钢。对于用做水泥球磨机筒体衬板耐磨性很好,一般为高锰钢衬板的使用寿命的3-6倍。ZG50Cr5Mo及ZG60Cr5Mo钢的显微组织是片状马氏体+碳化物,也用做球磨机筒体衬板。从显微组织来看片状马氏体+碳化物的耐磨性优于片状马氏体。片状马氏体在湿法球磨机做衬板的耐磨性不如干法球磨机做衬板的效果好,是因为湿法球磨机衬板有严重的腐蚀性而片状马氏体抗腐蚀性差。
(a)光学显微镜下形貌(400X);(b)透射电镜下马氏体板条内的位错
图15 板条马氏体显微组织示意图 图16 板条马氏体
CrMnSiB板条马氏体钢使用效果:
1)、铝厂用于φ3.2×4.5m湿式棒磨机筒体衬板使用情况。工况条件:铝土矿石,衬板为凸棱衬板,衬板最厚处为110mm,磨内温度80-100℃,钢棒直径φ100mm,矿桨为高碱性。衬板硬度HRC48的CrMnSiB板条马氏体钢与硬度HRC53的ZG42Cr2Si2MnMoRE片状马氏体钢对比试验,前者6000小时,后者为3200小时,使用寿命前者为后者的1.875倍。而高锰钢的使用寿命不足3200小时。
2)、铁矿山用于φ2.7×4.6m湿法球磨机筒体衬板使用情况。工况条件铁矿矿石以磁铁矿、钛铁晶石为主,矿石含铁20%-53%,含TiO2为5.8-11.8%,矿石硬度为f=12-14。脉石矿物中钛辉石约占脉石总量的56%。入料粒度15mm。钢球直径φ100mm。HRC48的CrMnSiB板条马氏体与ZG120Mn13Cr2奥氏体钢对比试验,前者使用寿命6636时,后者为4758时,使用寿命前者为后者的1.39倍。
3)、日本小松400型尖齿用于在吉林通化铁矿山装载于挖掘机各六齿,CrMnSiB板条马氏体钢与日本ZG30CrSiMo钢对比试验,前者中间齿4个使用寿命为30天,边齿2个为21天,后者中间齿4个使用寿命15天,边齿为10天,使用寿命前者比后者提高一倍。由此可见,板条马氏体钢是钢铁耐磨材料一个重要的发展方向。
4)、贝氏体 贝氏体是钢铁过冷奥氏体在Ms点以上~470℃中温转变产物是碳在α-Fe(铁素体)正方晶格的过饱和固溶体,又分上贝氏体与下贝氏体。在贝氏体转变过程中,不发生铁原子的扩散,奥氏体向铁素体的晶格改组依靠切变方式进行,并通过碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。因此贝氏体转变是碳原子的扩散而铁原子的不扩散的半扩散型相变。上贝氏体是在贝氏体转变区上部温度范围形成的,呈羽毛状;下贝氏体是在贝氏体转变区下部温度范围形成的,呈针状。因此贝氏体包括上贝氏体与下贝氏体又都称为针状铁素体。等温淬火时过冷奥氏体不能全部转变为贝氏体,最多能转变60%-80%,因此得到是的以贝氏体为主的混合组织,例如贝氏体+奥氏体。通常下贝氏体强度高,韧性好,而上贝氏体强度低,韧性差。往往控制得下贝氏体多。见图17(a)可以看到成束的条状铁素体,但对条间碳化物不能分辨,形似羽毛,故又有羽毛状贝氏体。见图17(b)在电子显微镜下可以看到由许多平等的铁素体与不连续短杆状碳化物组成形貌。
⑵、板条状马氏体
低碳合金钢经奥氏体化淬火在光学显微镜下观察呈现不同位向板条组成的显微组织故称板条马氏体。板条马氏体显微组织示意图如图15所示。由图可见,一个奥氏体晶粒可以形成几个(常为3-5个)位向不同的板条群(图15中A区),板条群可以由两种板条束组成(图15中B区),也可由一种板条束组成(图15中C区),板条束之间呈不同位向,一个板条束内有很多近于平行的细长马氏体板条(图15中D区),位向相同的板条之间晶界为小角晶界。每一个板条马氏体为一 个单晶体,立体形态为扁条状,宽度在0.025~2.25μm之间,多数板条宽度在0.1~0.2μm之间。图16为板条马氏体显微组织。透射电镜和原子探针分析,这些密集的板条之间通常由含碳量较高的残余奥氏体隔开,这一薄层残留奥氏体的存在显著地改善钢的力学性能。透射电镜观察板条状马氏体内有大量的位错,位错密度高达(0.3~0.9)×1012cm-2,位错分布不均,形成胞状亚结构,称为位错胞。在板条马氏体内部有时也可以观察到孪晶,但数量极少。因此,板条马氏体又称“位错马氏体”。
板条马氏体钢冲击吸收能量高,KN2=50-200J,且抗腐蚀能力极强,可用于各种湿法球磨机筒体衬板、隔仓板、篦板。破碎机筛板。拖拉机履带板。挖掘机斗齿等。作者研制了一个CrMnSiB板条马氏体钢。图16为CrMnSiB板条马氏体钢显微组织。力学性能HRC48-53,KN2=50-120J。
(a) (b)
(a)光学显微镜(400X);(b)电子显微镜(5000X)
图17 上贝氏体
见图18下贝氏体。图18(a)光学显微镜下下贝氏体中铁素体呈现颜色暗黑针状,铁素体片之间互成一定角度,相似马氏体形貌。在图18(b)电子显微镜看到下贝氏体的针片铁素体内成排地分布着细微的ε碳化物。这些碳化物与铁素体长轴约成55°~60°角。下贝氏体的针状铁素体是过饱和固溶体,类似低碳马氏体。
(a)光学显微镜(500X) (b)电子显微镜(5000X)
图18 下贝氏体
5、碳化物
碳化物是化合物,不是固溶体,是碳与金属形成的化合物。它不同于非金属化合物,具有金属特性,不具有非金属化合物的正常价规律。碳化物具有间隙结构,与复杂晶格结构的。具有间隙结构的相称为“间隙相”。它们的晶体结构特征是由金属原子半径rm及非金属原子半径rx的比值决定的,若rx/rm<0.59,则形成间隙相;若rx/rm>0.59则形成复杂晶格的相。
图19为Fe3C复杂的斜方晶胞结构。图20为TiC间隙相晶胞结构。
图19 Fe3C的复杂的斜方晶胞结构 图20 TiC间隙相晶胞结构
(1A°(1埃)=1×10-8公分)
单独把碳化物制成产品直接使用较少,而是通过在钢铁中加入碳、合金元素或者直接加入碳化物被利用,它的作用体现在钢铁耐磨材料产品中。
⑴、低铬铸铁
低铬铸铁在国标GB/T8263-2010抗磨白口铸铁中牌号ZQCr2碳化物为(Fe、Cr)3C,从表知显微硬度比白口铸铁Fe3C显著要高,耐磨性好。用ZQCr2制做球磨机磨球,用金相显微镜观察,可以看清显微组织形貌。铸态:显微组织为连续网状共晶碳化物+二次碳化物+素氏体见图32,形貌不好。加稀土硅铁合金变质处理后,铸态显微组织为断续网状共晶碳化物+二次碳化物+索氏体见图33,形貌较好。此形貌之低铬铸球其耐磨性在生产每吨水泥单耗在80克以下,破碎率不超过1%。
图21 铸态:连续网状共晶碳化物 图22 变质处理的铸态:断续网状共晶碳化物
+二次碳化物+索氏体100X +二次碳化物+索氏体
⑵、中铬铸铁
中铬铸铁在国标GB/T8263-2010牌号为ZQCr8。碳化物为(Fe,Cr)7C3+(Fe,Cr)3C,从表2知显微硬度比低铬铸铁更高,耐磨性更好。ZQCr8经淬火+低温回火获得显微组织为马氏体+碳化物+二次碳化物+残余奥氏体见图23。
图23 马氏体+碳化物+二次碳化物+残余奥氏体 500X
⑶、高铬铸铁
高铬铸铁在抗磨白口铸铁国标GB/T8263-2010中牌号BTMCr12-DT、BTMCr12-GT、BTMCr15、BTMCr20、BTMCr26中碳化物为M7C3。M7C3显微硬度HV1200-1800比M3CHV1097-1288、M23C61000-1520高,故高铬铸铁比中铬铸铁、低铬铸铁耐磨性好。由于含Cr量大于10%,碳化物断网,冲击韧性也高。
作者以ZGCr13SiMo(即牌号BTMCr12-DT)制做球磨机衬板装机于河北省冀东水泥厂φ4.5×15.11m球磨机第二仓,与日本石川岛重工株式会社CLX-2L钢(与ZGCr13SiMo牌号对应)进行对试,该衬板磨损量为0.51g/t,而日本衬板磨损量为0.55g/t,该衬板的耐磨性为日本衬板的1.08倍,无断裂,使用寿命达20年。该衬板的显微组织为马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+残余奥氏体,图24(a)为放大倍数100X及(b)500X的显微组织。
图24 马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+残余奥氏体(中国衬板)
BTMCr12-DT与BTMCr12-GT在合金元素含量相同而含碳量不同的条件下,经热处理后硬度可以相同,而冲击韧性BTMCr12-DT比BTMCr12-GT要高些。日本衬板的显现组织为马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+残余奥氏体。图25(a)为放大倍数100X及(b)500X的显微组织。两者比较ZGCr13SiMo钢衬板比日本CLX-2L钢衬板钢晶粒细些。
图25 马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+残余奥氏体(日本衬板)
⑷、超高铬铸铁
通常称BTMCr20、BTMCr26为超高铬铸铁,而把BTMCr12-DT、BTMCr12-GT、BTMCr15为高铬铸铁。除加入纳米变质剂外,超高铬铸铁是目前最耐磨的钢铁耐磨材料。
图26为BTMCr26显微组织放大400X;图27为BTMCr20显微组织放大400X;图28为BTMCr20显微组织放大400X;图29为BTMCr20显微组织)放大400X。显微组织均为马氏体+碳化物+二次碳化物+残余奥氏体。
400X 400X
图26 BTMCr26显微组织 图27 BTMCr20显微组织
图28 BTMCr20显微组织 图29 BTMCr20显微组织
图28 BTMCr20显微组织 图29 BTMCr20显微组织
图26至图29所显示的超高铬铸铁四种微组织的抛丸机产品在相同类型的抛丸清理机,相同的抛丸叶片数量以及相同的铸件的工况条件下对比试验得出的叶片的使用寿命如下:图26的显微组织叶片使用100小时,图27的200小时,图28的400小时,图29的600小时。显微组织的名称相同而显微组织的形貌及内含都有重大差别,图29所显示的显微组织最佳,叶片的寿命最长。抗磨白口铸铁需要获得什么样的显微组织最耐磨?是在马氏体基体上得到趋向颗粒化、细小的、弥散的均匀分布的,硬度极高的碳化物。牌号的化学成分很宽,对产品化学成分设计与生产工艺,特别是热处理工艺的制定,对产品产生最佳显微组织起决定性的作用。
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