Fe-Mo-Cr-Ni高温耐磨合金中Si含量对硬度的影响及其机理研究_陈欣.pdf

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Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni 高温耐磨合金中 Si 含量对硬度的影响 及其机理研究 ① 陈 欣1, 刘永雄2, 李洁翡2 (1.湖南省产商品质量监督检验研究院,湖南 长沙 410007; 2.湘潭大学 材料科学与工程学院,湖南 湘潭 411105) 摘 要 通过熔炼配制了8 种不同 Si 含量的 FeMo25Cr14Ni10 合金样品,利用 SEM⁃EDS(扫描电镜+能谱仪)、硬度计等实验手段,研 究了 Si 含量对该高温耐磨合金组织及其硬度的影响。 结果表明,合金样品的铸态和退火态组织均为 α⁃Fe(Mo,Cr,Ni)+Laves 相。 添加 Si 使合金的铸态组织形貌从针状的魏氏体变为粗大的枝晶组织,也使退火态合金样品组织形貌发生明显变化,从球状到枝晶 状、短棒状、块状。 该系列合金样品表现出很好的热稳定性,铸态与退火态时的硬度都较高,最低值也达到了 50HRC;加入 Si 后,合 金的硬度发生改变,Si 含量从 0 增加到 1.0%,合金硬度下降较快;当 Si 含量在 2.0%~4.0%范围内变化时,Si 含量每增加 1.0%,铸态 合金硬度就降低约 1HRC。 合金经均匀化退火态后,Si 含量 3.0%的合金硬度升高到 54HRC,这可能是合金在退火过程中生成了少 量的硬质相。 关键词 高温耐磨合金; 硅; Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni; Laves 相; 硬度 中图分类号 TG174.44文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2017.05.029 文章编号 0253-6099(2017)05-0122-04 Mechanism and Influence of Si⁃content on Hardness of High⁃temperature Wear⁃resistance Alloy Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni CHEN Xin1, LIU Yong⁃xiong2, LI Jie⁃fei2 (1.Hunan Testing Institute of Product and Commodity Supervision, Changsha 410007, Hunan, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, Hunan, China) Abstract Eight kinds of FeMo25Cr14Ni10 alloy samples with different Si content were prepared by smelting, and influences of different Si content on structure and hardness of such high⁃temperature wear⁃resistant alloy were investigated by using SEM⁃EDS and hardness tester. Results show that the microstructures of both as⁃cast alloys and annealed alloys are α⁃Fe(Mo, Cr, Ni)+Laves phase. With an increased Si content, the microstructure of as⁃cast alloy has changed from Widmanstatten into dendrite, and the structure and morphology of annealed alloy sample also has significantly changed from globular to dendrite shape, short rod and lump shape. This series of alloy samples show good thermal stability, with the higher hardness for both as⁃cast and annealed state, minimum at 50HRC. And the addition of Si has changed the hardness of the alloy. With the content of Si increased from 0 to 1.0%, the hardness decreased obviously. However, when the Si content changed within the range of 2.0% ~ 4.0%, the hardness of as⁃cast alloys regularly decreased by about 1HRC with an 1.0% increase in Si content. After alloy was subjected to the homogenizing annealing, the hardness of alloy with Si content at 3.0% has increased to 54HRC, which may be attributed to a small amount of hard phase generated during the alloy annealing. Key words high⁃temperature wear⁃resistant alloy; Si; Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni; Laves phase; hardness 高温耐磨合金具备优异的高温稳定性和耐磨性, 在工业上尤其军工产品上得到了广泛应用。 现役高温 耐磨合金按基体类型主要可分为 Co、Ni、Fe 基 3 种类 型。 目前应用最广泛的是 Co 基合金,如 T⁃800 合金, 它是美国 Stellite 公司开发的一种 Co⁃Mo⁃Cr⁃Si 合金, 由基体保证韧性、硬质 Laves 相弥散分布于钴基体上 来保证合金的硬度及耐磨性能。 然而,我国钴、镍资源 不足[1],所以若能开发出一种以Fe 替代Co 的新型铁基 ①收稿日期 2017-04-27 基金项目 湖南省质量技术监督局科研计划(2015KYJH09) 作者简介 陈 欣(1982-),男,湖南宁乡人,硕士,工程师,主要研究方向为金属材料失效分析。 通讯作者 刘永雄(1980-),男,湖南衡阳人,硕士,实验师,主要研究方向为金属材料工程。 第 37 卷第 5 期 2017 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.37 №5 October 2017 ChaoXing 高温耐磨合金将具有重要意义。 本课题组前期通过热 力学计算法设计了一系列 Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni 合金,并实验研 究了热处理工艺对该系列合金组织与性能的影响[2-3], 结果验证基于 Laves 相强化的 Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni 合金具有出 色的热稳定性、耐磨性和耐蚀性,其中 FeMo25Cr14Ni10 在该系列合金中具有最佳综合性能。 Si 是常用来提高 高温耐磨合金耐蚀性能的合金元素之一[4],为进一步优 化该新型铁基高温耐磨合金,本文在前期研究[5]的基础 上,研究 Si 含量对 FeMo25Cr14Ni10 合金组织及硬度的 影响,为研制新型高温耐磨合金提供理论基础。 1 实验方法 按表 1 配置 8 种不同 Si 含量的 FeMo25Cr14Ni10 合金,实验原料为纯度 99.99%的铁粒、钼片、铬粒、镍 粒、硅粒。 每个样品总质量 10 g,称量精度为 0.000 1 g。 合金原料混合均匀后,依次放入非自耗钨极磁控真空 熔炼炉中进行熔炼,反复翻转样品 7~8 遍,使合金样 品成分尽可能均匀。 合金样品随炉冷却后按顺序取 出,装入相应编号的试样袋中。 表 1 样品成分(质量分数) / % 样品编号SiMoCrNiFe 10.0025.0014.0010.00Bal. 20.5025.0014.0010.00Bal. 31.0025.0014.0010.00Bal. 41.2525.0014.0010.00Bal. 51.5025.0014.0010.00Bal. 62.0025.0014.0010.00Bal. 73.0025.0014.0010.00Bal. 84.0025.0014.0010.00Bal. 将铸态样品线切割成尺寸为 4 mm 8 mm 10 mm 的小样品,其中一部分样品用于相关实验,另一部 分样品真空封装在石英管内,放入 1 150 ℃ 管式炉内 保温 9 h 进行均匀化退火处理,然后取出,进行空冷。 利用洛氏硬度计(HRC⁃150)和显微硬度计(HV⁃ 1000)分别对铸态、退火态样品进行硬度测定。 测试 前,先对样品表面打磨,去除氧化皮,样品的上两面要 保持水平、光洁,以免影响测试结果的准确性。 将经过硬度测试的样品进行镶样→粗磨→细磨→抛 光→腐蚀→酒精洗→吹干→金相观察→扫描电镜观察分 析。 实验所用腐蚀剂为盐酸(100 mL)+H2O(100 mL)+ CuSO4(4 g)。 2 实验结果与分析 2.1 Si 含量对合金硬度的影响 材料的耐磨性能一般与其硬度值成正比关系,所 以硬度测试往往成为检验材料耐磨性能的重要手段。 不同 Si 含量的铸态样和退火样的硬度值(取 7 次测试 结果的平均值)见图 1。 样品编号 65 60 55 50 45 40 35 30 21346578 硬度HRC ● ● ● ● ● ● ● ● ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 铸态样 退火样 ● ■ 图 1 铸态和退火态合金样品的洛氏硬度对比图 从图 1 可以看出,对比同一编号的铸态与退火态 样品的硬度值可以发现,仅有 5#、6#和 8#样品经退火 后其硬度值降低了,其它样品的硬度并没有下降,表明 该系列合金拥有很好的热稳定性,与课题组前期研究 结果相一致。 从图 1 可知,合金中加入 Si 后,铸态合金的硬度 有下降趋势,加入 0.5%Si 后,硬度值下降得很快,但此 后铸态合金硬度下降趋势变缓,硬度值基本维持在 50HRC 左右。 对于退火态合金样品,当 Si 含量小于 1.5%时,硬度值随 Si 含量增加而直线下降;当 Si 含量 大于 1.5%时,硬度值变化不大,只有 7#样品经过退火 处理后,其硬度值发生突变,达到了 54.4HRC。 7#样品 铸态时洛氏硬度为 50.6HRC,但在显微硬度的测试中, 有多次测试结果为 419.30HV,换算成洛氏硬度约为 42.7HRC;在显微硬度测试中,没有出现明显的硬质 相,测试点不同导致测试数据波动较大。 7#样品均匀 化退火后硬度值突变的原因可能是在 1 150 ℃均匀化 过程中,合金基体中析出了少量类似于 σ 相的硬质金 属间化合物[6],导致合金的洛氏硬度值明显提高。 2.2 机理分析 图 2 为 8 个样品的铸态组织扫描电镜图片。 其中 的(a) ~(h)依次对应 1#~8#样品(下同)。 从图 2 可 看出,1#、2#、3#样品合金组织由交错的针状组织混合 构成,主要是针状魏氏体组织,与文献[6] 研究的 Fe⁃30Mo 合金铸态组织形貌相似。 在合金凝固过程中 铁基固溶体基体相 α⁃Fe(Mo, Cr, Ni) 先形成,硬质 Laves 相随后析出,其过程与 Bechtoldt 等[7]的研究工 作相似。 而当 Si 含量达到 1.25%时,针状魏氏体组织 消失了,出现了硬度相对较低富 Mo 的枝晶组织,而针 状魏氏体组织是一种脆性组织,这就很好地从组织上 解释了铸态时1#~4#样品合金硬度随 Si 含量增加而下 降的原因。 而当 Si 含量从 1.25%升至 2.0%时,合金中 以富 Mo 的枝晶组织为主;当 Si 含量达到 3.0%时,合 321第 5 期陈 欣等 Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni 高温耐磨合金中 Si 含量对硬度的影响及其机理研究 ChaoXing 金中出现了一种规则的层状组织,由共晶形式协同生 长而成的 FCC+Laves 相,这种组织在 Fe⁃Mo⁃Si 合金中 也出现过[8];当 Si 含量达到 4.0%时,合金以更粗大的 枝晶组织为主。 这也从组织上解释了 5#~8#样品硬度 逐步降低的原因。 图 2 铸态组织扫描电镜图 图 3 为 8 个样品经过 1 150 ℃均匀化退火 9 h 后 的典型组织。 可以看出组织已经变得较为均匀。 经 SEM⁃EDS 检测表明,退火态合金的成分经熔炼、退火 工艺后基本保持不变,合金样品中包含两个相Laves 相和基体 α⁃Fe(Mo,Cr,Ni)相。 Laves 相中的 Si 含量 大约是 α⁃Fe(Mo,Cr,Ni)基体相中的 2 倍,且随着 Si 含量增加,Laves 相中的 Mo 含量也增加。 并且 Si 的加 入使得退火态合金组织有了明显的变化,不含 Si 的 1# 样品组织形貌类似于球状珠光体[9],而含 Si 0.5%的 2#样品中 Laves 相呈枝晶分布。 在铸态时合金样品 1#、2#、3#的针状魏氏体组织经 退火后消失了,在均匀的 α⁃Fe(Mo,Cr,Ni)基体相中出 现硬质 Laves 相,从而导致这 3 个合金样品的硬度反 而上升。在铸态时合金样品 4#、5#、6#的富 Mo 枝晶状 图 3 退火态组织扫描电镜图 组织细长但不连续,经退火后变得短而宽扁。 当合金 中 Si 含量达到 3.0%后的 7#样品经退火后组织变得弥 散,并且其 Laves 相同时含有一定量的 Fe2Mo、FeCrMo 及 FeMoSi,其 XRD 图谱如图 4 所示。 这是 7#样品经 退火后其硬度骤然上升的原因。 203530304050 2 / θ α-Fe基体相 FeMoCr Fe2Mo FeMoSi Fe,Cr,Mo,NixSi ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ● ■ ■ ■ ■ ■ ● ● ● ▲ ◆ ■ ■ ● 图 4 7#样品退火后的 XRD 图谱 3 结 论 利用 SEM⁃EDS、硬度计等实验手段,研究了 Si 含 421矿 冶 工 程第 37 卷 ChaoXing 量对 FeMo25Cr14Ni10 高温耐磨合金的组织及其硬度 的影响,结果表明 1) 合金铸态和退火态组织均为 α⁃Fe(Mo,Cr,Ni)+ Laves 相。 Si 含量增加,合金的铸态组织形貌从针状的 魏氏体变为粗大的枝晶组织。 2) Si 含量增加使退火态合金样品组织形貌发生 明显变化,从球状到枝晶状、短棒状、块状。 3) 该系列合金样品表现出很好的热稳定性,铸态 与退火态的硬度都较高,最低值也达到了 50HRC;加 入 Si 后,合金硬度发生改变,Si 含量从 0 到 1.0%的过 程中,硬度下降得较快,然而 Si 含量在 2.0% ~4.0%范 围内时,铸态合金以 Si 含量每增加 1.0%硬度规律性 地降低约 1HRC 变化。 合金经均匀化退火后,Si 含量 3.0%的合金硬度升高到 54HRC,这可能是合金在退火 过程中生成了少量的硬质相。 参考文献 [1] 徐 昱,王建平,吴景荣. 国钴矿资源现状及进出口分析[J]. 矿 业研究与开发, 2014,(5)112-115. [2] 丁忠发,尹付成,李洁翡,等. Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni 耐磨合金成分和热处理 工艺对组织及性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2015,36(7)36 -41. [3] Yin F C, Su X P, Zhang P. Phase relation of Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni alloys and tribaloy design. InZhou Y. Mechanics and Material Engineering for Science and Experiments[M]. New York Science Press New York Ltd, 2002370-373. [4] 马艳红,黄元伟. 硅含量对不锈钢耐蚀性能的影响[J]. 上海金 属, 1999(3)52-57. [5] 李洁翡,尹付成,刘永雄,等. Si 对 FeMoCrNi 高温耐磨合金的组织 和抗氧化性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2015,25(11) 3084-3091. [6] Carter R V, Douglass D L, Gesmundo F. Kinetics and mechanism of the sulfidation of Fe⁃Mo alloys[J]. Oxidation of Metals, 1989,31(5- 6)341-367. [7] Bechtoldt C J, Vacher H C. Phase⁃Diagram Study of Alloys in the Iron⁃Chromium⁃Molybdenum⁃Nickel System[J]. J Research Natl Bur Standards, 195758-60. [8] 李 丽,鲁晓宇,代富平. 落管中 Fe⁃Mo⁃Si 三元包共晶合金的快 速凝固机制[J]. 铸造技术, 2008,29(5)601-606. [9] 邓安华. 金属材料简明辞典[M]. 北京冶金工业出版社, 1992. 引用本文 陈 欣,刘永雄,李洁翡. Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni 高温耐磨合金中 Si 含 量对硬度的影响及其机理研究[J]. 矿冶工程, 2017,37(5)122-125. 欢欢迎迎订订阅阅 2 20 01 18 8 年年 黄黄金金 传传播播信信息息 传传递递经经验验 促促进进创创新新 服服务务行行业业 黄金于 1980 年创刊,是黄金行业的综合性科技期刊。 主要报道黄金及其相关行业在矿业经济 与管理、黄金市场、工业用金、黄金地质、采矿工程、机电与自动控制、选矿与冶炼、安全与环保、分析测试 等方面的科研成果和综合评述,以及新理论、新技术、新工艺、新设备、生产管理经验等内容,同时还开辟 了信息纵横(国内信息、国外信息)、读编往来等栏目。 黄金具有权威性,内容翔实,信息量大,实用性强,覆盖面广,现已遍布黄金、冶金、有色金属、黑 色金属、地质矿产、化工、机械、核工业、耐磨、金融及金银饰品等行业。 黄金广告合理的价格定位,全方位的优质服务,为客户提供了理想的宣传平台。 黄金广告现 已融入到黄金行业及相关行业的专业学术会议中,是厂矿企业联系的桥梁和纽带,是生产、经营、销售的 良师益友。 通过黄金广告宣传,有助于树立企业形象,创出企业名牌,提高企业知名度,促进产品销 售,增加企业效益。 黄金为月刊,国际标准连续出版物号 ISSN 1001-1277,中国标准连续出版物号 CN 22-1110/ TF, 国际期刊 CODEN 码 HANGFV,彩色封面,国际开本(A4),国内外公开发行,国内邮发代号 12-47。 国外 发行由中国国际图书贸易总公司代理,代号 M3331。 全国各地邮局和我社发行部均可订阅。 国内每册 定价 25.00 元,全年 300.00 元。 地 址吉林省长春市南湖大路 6760 号 黄金杂志社邮 编130012 电 话0431- 89243511 传 真0431-85511548-3235 网 址gold.ccgri.com 电子信箱journal@ ccgri.com 欢欢迎迎国国内内外外新新老老朋朋友友订订阅阅 黄黄金金 、 、洽洽谈谈 黄黄金金 广广告告业业务务 521第 5 期陈 欣等 Fe⁃Mo⁃Cr⁃Ni 高温耐磨合金中 Si 含量对硬度的影响及其机理研究 ChaoXing
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