高娜合金组织控制论文

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GCrl5轴承钢组织控制引言轴承是机械设备中的重要零件之一,使用过程中承受极高的交变载荷、摩擦、 腐蚀等,使用条件十分苛刻。因此对于轴承钢而言,耍求具有良好的强韧性配合 及较高的接触疲劳性能和耐磨性°GCrl5钢作为轴承钢的代表钢种,曲于其优良 的加工性能和使用性能,被广泛应用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和套圈等,其 使用态应为隐晶冋火马氏体+细小渗碳体颗粒组织。为此该钢在热处理前要具有 良好球化的珠光体组织。GCrl5的球化与其热处理时的奥氏休化状态紧密相连, 奥氏体化温度、渗碳体分布与形态都将影响实验钢的球化效果。一、影响GCrl5网状碳化物的因素网状碳化物级别升高1级,可使轴承寿命降低三分之一,GCrl5轴承经淬、回 火处理,约有7%的残余碳化物存在,残余碳化物的数量随钢的化学成分、碳化物 颗粒的大小和形态不同而发生变化,马氏体组织中含碳量为一定值时(一般为 0. 4%-0. 5%),碳化物平均粒度愈小则疲劳寿命愈高⑴,具体数据见表1. 1碳化物平均直径/ m疲劳寿命L10/次L50/次0.7850.49x1066.0* 1060.6550.86x1068.0*1060.0904.00x10613.0x10°表1. 1碳化物平均粒度与疲劳寿命的关系1?化学成分及成分偏析网状碳化物是在过共析钢中沿奥氏体晶粒边界析出呈网络状分布的过剩二 次碳化物,它与钢的化学成分和偏析程度有关,高碳縮轴承钢中的碳化物不均匀 性实质上是钢液在冷却过程中宏观和微观偏析的结果。网状碳化物是过剩的二次 碳化物,因此钢屮含有碳化物形成元索的浓度愈高,过剩的二次碳化物数量就愈 多,碳化物网状组织也就愈严重。钢液结晶时,由于选分结晶,最先凝固的部分 溶质含量较低,溶质集聚于母液,浓度逐渐增加,因而最后凝固的部分溶质含量 则很高。显然在最终凝固结构屮溶质浓度分布是不均匀的,这种成分不均匀的现 象称为偏析。如果分析晶粒的成分分布时,我们会发现钢锭或铸环屮心溶质浓度 较高;而在一个晶粒的晶界处溶质的浓度较高。询者为宏观偏析,后者为显微偏 析。1.1宏观偏析钢液在凝固过程中,出于选分结晶,使树枝晶枝间的液体富集了溶质元素, 再加上凝固过程钢液的流动将富集了溶质元素的液体带到未凝固区域,使得铸坯 横截面上最终凝固部分的溶质浓度远高于原始浓度。引起钢液流动的因素很多, 像注流的注入、温度差、密度差、铸坯鼓肚变形、凝固收缩、以及气体、夹杂物 的上浮等均能引起未凝固钢液的流动,从而导致整体铸坯内部溶质元索分布的不 均匀性,即宏观偏析。1.2显微偏析图1. 1是一理想二元合金和图,A、B两元素在液相和固和都是无限溶解,取 图中助成分进行讨论。A kl k2 k3 B成分(质域分数)%图1.1钢中偏析发展过程示意图当温度〉t°C时,合金处于液态,成分是均匀的。当温度= t°C时,结晶开始,有以下两种情况:(1) 在完全平衡条件下结晶(二元素在固、液相屮相互充分扩散)当温度沿t、ti> t2…变化时,液相成分则沿a、且1、a2…变化,固相成分则 沿b、6、b?…变化。当温度降至「时,液相消失,固相成分则变至6。凝固后合 金不存在偏析。(2) 在不平衡条件下结晶(二元素在固相中不能充分扩散)当温度沿t、ti、t2…变化时,液相成分沿a、a】、岂…变化,固相则按凝固先 后顺序存在着b、m、m…不同的化学成分:辖鹞露冉档絞时还不会完全凝固, 耍一直冷到tk温度,合金才凝固完毕。图中c、Cl、C2、???Ck为从开始凝固起到某 一结品区间的结品固相的平均成分。。k即为凝固结束时固相的平均成分。固相 中存在着b、bl、b2-bp不同成分的差异,即合金的偏析。影响显微偏析的因素:(1)冷却速度。(2)溶质元索的偏析倾向。(3)溶质元索在固体金属屮的扩 散速度。2. 原始组织加热时由丁奥氏体晶核大都萌生于珠光体屮的铁素体一碳化物相界而处,因 此,界面较多的片状珠光体原始组织在形成奥氏体的速度上高于粒状珠光体。如 果钢的成分相同,原始组织中碳化物分散度愈人,不仅相界面愈多,而且奥氏体 中碳化物形核率和长大速度提高。所以原始组织愈细,奥氏体形成速度愈快,其 转变温度愈低。当转变温度较低时,碳化物的形状通过溶解能力的不同而显示的 尤为突出。通常,粒状珠光体原始组织与片状珠光体相比,加热过程中的碳化物溶解和 奥氏体均匀化均较为缓慢。在相同加热条件卜由于碳化物溶解所需时间与其表 面积的平方成正比以及碳化物在奥氏体中的溶解度与其曲率半径成反比,所以, 片状碳化物较粒状碳化物溶解速度快,且碳化物分散度愈大,其溶解能力也随之 增大。与此相应,奥氏体屮碳及合金元索的平均间距的减小,奥氏体的成分均匀 化速度也必然加快。表1?2列出了几种不同碳化物粒度原始组织的GCrl5钢,在相 同加热条件卜-奥氏体的碳、钻等元素的平均浓度对比悄况。序号原始组织中粒状 碳化物平均直径/mm加热工艺残留碳化物 数量 (质匾分数/%)奥氏体中溶质平均含量(质量分数)/%C Cr Mn10.46.960.53 1.02 0.2620.7840*0保温15min7.590.49 0.89 0.2431.2&160.46 0.84 0.23表1.2奥氏体的碳、馅等元素的平均浓度对比情况由于二次碳化物的溶解通常是在奥氏体晶粒边界附近首先开始的,即奥氏体 的晶界在促进碳化物的溶解和成分均匀化等方面的作用是不容忽视的。因此,碳 化物细化以及晶粒细化将使奥氏体屮的碳与合金元索浓度梯度减小,从而有助于 均匀化⑵。3. 加热速度在连续加热过程屮,随着加热速度的提高,奥氏体开始转变温度和终了转变 温度的范围变宽,阳临界点相应升高,。其中同时给出了GCrl5钢退火态和淬火 态两组原始组织的对比数据。可见,在相同加热速度卜?,淬火态作为一种典型的 非平衡组织加热时极易发生转变,故其Ac】点较低。在加热速度较快的情况下,出于碳化物溶解的滞后性以及辂元素对稳定碳化 物的作用和对扩散的影响,使残留碳化物的溶解与奥氏体成分均匀化过程被推迟 到更高的温度下进行。不同加热速度时原始组织中碳化物粒度人小与奥氏体的碳浓度不均匀性的 关系,如表1?3所示。加热速度/r-s'温度/?CG ernes'1D /cm2-se,不同自径碳化物溶解的0.51 23185010-95x[0“0.0060.010.020.061095010-62?IOa0.0150.030.060.15100105010-55.9x10^0.050」00.200.50表1.3 GCrl5钢奥氏体中碳的不均匀性因碳化物溶解所引起的奥氏体中碳的不均匀性,随加热速度和碳化物颗粒大 小的增加而增大。其屮,在快速加热与粗大原始组织的情况下尤
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