摘要:采用消失模铸渗工艺在ZG310-570表面制备了钒铬表面复合层,并考察了其显微组织、增强相的结构、基体组织构成、显微硬度以及干滑动
磨损性能。结果表明,钒碳化物为条状,铬碳化物为板条状。铸渗复合层中主要存在Cr7C3、V8C7、VC0.75、V2C四种硬质相。1 000℃淬火后的铸
渗层基体组织为马氏体加奥氏体和少量的贝氏体组织,马氏体包括板条马氏体和孪晶马氏体。在距铸渗层表面0~1 mm处的显微硬度要低于距表面
1~4 mm的显微硬度,在过渡区显微硬度呈递减分布,在大于4.5 mm以后的区域显微硬度趋于平稳。在450 N载荷下,铸渗复合层的耐磨性为ZG310-
570的13.6倍。
关键词:铸渗;钒铬复合层;显微组织;干滑动磨损
铸渗法是一种新兴的表面强化技术,与非铸造途径的表面改性技术相比,铸渗法具有不需专门设备、生产周期短、表面处理层厚、成本低、零件
不变形等优点[1-2],是一种经济有效的表面强化手段。但传统的铸渗工艺存在许多难以解决的问题[3-5]:在铸型型腔内涂覆合金化涂料或粘附
合金化涂料制成的膏块,操作困难且位置局限性大;涂覆层容易被金属液冲散,难以获得平整光洁的铸件合金化层;熔剂和粘结剂等产生的气体不
容易排除,在合金化层形成熔渣、气孔等缺陷。
消失模铸渗技术是铸渗技术与消失模铸造技术相结合的新兴技术,此技术无需起模,可以得到具有良好表面质量的金属铸件,且工艺简化,具有很
强的实用性。在可发性聚苯乙烯模上涂挂涂料,操作容易,可以生产复杂结构件,拓宽了铸件表面合金化的应用范围;浇注时抽真空,可以及时将粘
结剂和熔剂等产生的气体抽出,减少气孔等缺陷,克服了传统工艺存在的困难。近年来消失模铸渗技术已经受到国内科技工作者的广泛关注[6-
10]。本研究以火车车钩、轧钢导卫板等表面承受干滑动磨损的零件为研究背景,采用消失模铸渗技术,以ZG310-570为基体,以钒铁和高碳铬铁作
为增强颗粒添加在铸渗剂中,对制备出的铸渗复合层进行了研究。
1试验过程
1.1试样制备
试验采用70 mm×70 mm×60 mm的聚苯乙烯泡沫试样,在尺寸为70 mm×70 mm的一个表面预留长、宽为50 mm,深4 mm的渗剂填充区域。渗剂中主
要增强颗粒为60~80目的钒铁粉和高碳铬铁粉,以还原铁粉为添加剂,硼砂为熔剂,酚醛树脂酒精溶液作为粘结剂,将它们按照一定的比例调成糊状
涂敷在预留的填充区域。模样涂刷专用耐火涂料后,干砂造型,负压浇注,经热处理、线切割加工制成尺寸为20 mm×8.5 mm×10 mm的块试样,对
比材料为ZG310-570,环试样采用正火处理的ZG310-570加工而成。渗剂中各组分的主要化学成分,铸渗剂中的钒铁粉、高碳铬铁粉、还原铁粉、
脱水硼砂以及酚醛树脂的质量分数分别为30%、35%、30%、2%和3%。浇铸好的试样在箱式电阻炉中进行热处理,工艺为:由室温加热至300℃,升温
速度300℃/h,保温0.5 h,然后以200℃/h的升温速度升至700℃,保温0.5h,再以300℃/h的升温速度升至1000℃,保温1 h。
1.2微观分析及性能测试
采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜对铸渗复合层的组织进行观察;利用扫描电子显微镜附件EDAX能谱仪对铸渗复合层局部进行成分分析;用H-800
型透射电子显微镜分析铸渗层中的各相组织构成。在HVS-1000型数显显微硬度计上检测铸渗复合层的显微硬度,从渗层到基体每间隔一定距离进
行显微硬度的检测,将检测到的数据在平面坐标轴下绘制成一条硬度与距离相关联的曲线,分析铸渗复合层到基体硬度的变化规律。采用MM-200
型磨损试验机检测铸渗复合层的干滑动磨损性能。
2铸渗层微观分析
2.1铸渗层扫描电镜能谱分析
铸渗层与基体部分结合处,可以明显看出铸渗层与基体的结合界线,界线以上的部分为铸渗层,界线以下的部分为基体,两者结合良好。本试验采
用电子探针仪对铸渗层进行了线扫描分析,旨在观察V、Cr元素在铸渗复合层中的分布情况,V、Cr元素大量存在于铸渗复合层中,而在过渡区由于
合金粉向基体内部扩散导致此处有少量的V、Cr元素存在,所以线扫描的峰值较低;在铸渗层内部,V、Cr元素的峰值有高有低。分析认为,铸渗剂
中的钒铁粉和铬铁粉在高温钢液的热作用下熔化,冷凝后形成钒和铬的碳化物,在这些碳化物上的电子探针线扫描的峰值较高;还有部分V、Cr元
素固溶于奥氏体中,形成置换固溶体,所以此处的电子探针线扫描的峰值较低。
铸渗层试样的扫描电镜照片,灰色板条状的碳化物和黑色条状的碳化物。利用EDAX能谱仪分别对灰色板条状的碳化物和黑色条状的碳化物进行成
分分析,A、B两处元素能谱定量分析的结果。灰色碳化物中含有较高的C、Cr、Fe元素,而含钒量较低,可以判定灰色相主要是C、Cr、Fe的碳化物
。黑色相中的V元素含量明显高于灰色相中V含量,而Cr元素含量低于灰色相中Cr含量,Fe质量百分含量只有1.51%,所以黑色相以钒的碳化物为主
。由图3可以看出,碳化钒在铸渗层中的分布状态主要是呈断续状沿晶界分布,并且有一定程度的团聚现象。碳化钒的沿晶界分布和团聚现象是由
于在凝固过程中,初生碳化钒被逐渐长大的奥氏体固液界面推移到晶界边缘,最后聚集凝固在晶界边缘上。但是由于碳化钒颗粒与钢铁基体有较
好的润湿性,在凝固过程中,少量的碳化钒颗粒被吞食而出现在基体中。初生碳化钒形态主要为团球状,由于共晶反应时碳化钒与奥氏体共生生长
,形成方向各异的条状碳化物,这种方向各异的条状碳化钒和团球状碳化钒共同分布于具有高韧性的基体之上,在基体中形成具有“钉扎”效应的
高硬质相,从而使复合材料具有高耐磨的特性。
2.2铸渗层透射电镜分析
由扫描电镜能谱分析,初步判定了在扫描电镜下观察到的各种不同颜色的相中含有的各元素的多少,并由此初步地确定了这些相的元素构成,而通
过对铸渗层的透射电镜分析,可以进一步确定这些相的结构组成。本试验即采用型号为H-800的透射电子显微镜对铸渗层中各种相的组织及结构
进行了分析。
2.2.1 Cr7C3透射电镜观察及衍射花样标定
Cr7C3显微形貌,由图可以看出,在Cr7C3内部存在规则的层错及畴界,有许多相互平行的细条纹,条纹间距大小不等。Cr7C3衍射斑点及标定,可以
确定铸渗复合层中存在Cr7C3相。对照标准衍射图谱可知,Cr7C3为正交晶系的面心立方晶格结构,其中晶格常数a=0.70 nm,b=1.21 nm,c=0.45 nm
。计算可得Cr7C3衍射斑点的晶带轴为。
2.2.2碳化钒透射电镜分析
V是非常强烈的碳化物形成元素,有资料表明,碳化钒的化学组成式中碳的系数常为小于1的小数[1。V8C7[2 20]电子衍射图,V8C7为简单立方结构
,晶格常数a=0.83 nm,经观察发现V8C7多为条状,对应的V8C7的电子衍射像。经观察还发现铸渗层中有少量的VC0.75、V2C相,即为它们的电子衍
射图,VC0.75为简单立方结构,晶格常数a=0.41 nm,V2C为斜方晶结构,a=0.46 nm,b=0.57 nm,c=0.50 nm。
2.2.3铸渗层的基体透射电镜观察
铸渗层基体组织为马氏体加奥氏体和少量的贝氏体组织,马氏体包括板条马氏体和孪晶马氏体。在透射电镜下观察到的板条马氏体、孪晶马氏体
、奥氏体和贝氏体组织。
由铸渗层的透射电镜分析结果可知,经1 000℃淬火以后,铸渗层组织为碳化钒+Cr7C3+马氏体+奥氏体+少量贝氏体。热处理对铸渗层组织的影响
主要体现在基体上,由于碳化钒和Cr7C3的熔点或相变点均较高,所以热处理过程中铸渗层中的碳化物的类型、形态、分布并无明显变化。当铸渗
层加热至1 000℃时,基体组织被奥氏体化,在冷却过程中发生了马氏体转变、贝氏体转变,从而铸渗层中的碳化物被新的基体组织所包围,由于淬
火温度较高,有相当一部分的碳及合金元素溶于奥氏体中,从而在一定程度上提高了奥氏体的稳定性,在铸件冷却后铸渗层中存在一定量的残余奥
氏体。
3铸渗层显微硬度检测
从复合层外表面到基体的显微硬度测试结果,在距铸渗层表面0~1 mm处的显微硬度要低于距表面1~4 mm的显微硬度,在距表面1~4 mm的显微硬度
最高,在过渡区显微硬度呈递减分布,在大于4.5 mm以后的区域显微硬度趋于平稳。分析认为,铸渗层表面靠近消失模涂料及砂型,在钢水浇入以
后散失热量较快,铸渗剂获得的热量相对较少,导致其熔合质量较内部差,组织有一定程度的疏松,因而硬度值相对较低。位于铸渗层中部的合金
获得的热量充足熔合质量好,形成的复合层比较致密,所以在距表面1~4 mm处铸渗层的硬度相对较高且比较平稳。在4~4.5 mm处,由于增强颗粒在
热的作用下向基体内部扩散从而导致过渡层内增强颗粒的浓度降低,形成的硬质点或硬质相相对减少,从而造成过度区的硬度显著下降。在大于
4.5 mm以后的区域为铸钢基体,所以其显微硬度最低且趋于平稳。4铸渗层干滑动磨损性能测试干滑动磨损性能测试在MM200型磨损试验机上进行
,对比试样为正火处理的ZG310-570的块试样。将制备的铸渗层块试样和正火处理的ZG310-570的块试样分别与正火处理的ZG310-570环试样对磨,
试验条件为:环试样转速400 r/min,载荷450 N。为使块试样和环试样接触状态良好,试样预磨10 min,磨损行程为4 km。磨损前后均用酒精将试
样清洗干净,然后在BS210S电子天平上称重,以确定试样的磨损量,得出铸渗试样的相对耐磨性,结果如图12所示。从图可以看出,在本试验条件下
,铸渗层的耐磨性是ZG310-570的13.6倍。分析认为,铸渗层中存在Cr7C3、V8C7、VC0.75、V2C硬质相,这些高硬质碳化物分散分布在马氏体和残
余奥氏体的基体上,可以抵御来自法向和切向的摩擦应力,从而显著提高铸渗复合层的整体性能。
5结论
(1)采用消失模铸渗法可以在铸钢表面形成一层组织致密、无铸造缺陷的铸渗复合层。
(2)在本试验条件下,铸渗层中的钒碳化物为条状,铬碳化物为板条状。经透射电子显微镜分析研究,铸渗复合层中主要存在Cr7C3、V8C7、VC0.75
、V2C四种硬质相。
(3)铸渗层基体组织为马氏体加奥氏体和少量的贝氏体组织,马氏体包括板条马氏体和孪晶马氏体。
(4)铸渗层的显微硬度检测结果显示,在距铸渗层表面0~1 mm处的显微硬度要低于距表面1~4 mm的显微硬度,在距表面1~4 mm的显微硬度最高,在
过渡区显微硬度呈递减分布,在大于4.5 mm以后的区域显微硬度趋于平稳。
(5)在450 N载荷下,铸渗复合层的耐磨性为ZG310-570的13.6倍,具有较高的性价比。
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