铬、钒元素对高硅钼球铁组织和性能的影响

摘要

高硅钼球铁具备良好的高温强度，优良的耐氧化性、抗热疲劳性、抗生长性和良好的高温抗蠕变性等，在汽车发动机耐高温部件如排气歧管、涡轮壳等铸件上运用日趋广泛。汽车发动机排气歧管通过法兰与发动机直接连接，并将发动机各个气缸排出的废气汇集到一起排出。汽车在行进中启动和停车导致汽车排气歧管的工作状态会经历短时间的升温、降温的交替变换过程，同时排气歧管的表面与内腔温差较大，会造成热疲劳裂纹的产生。因此改善高硅钼球铁在高温下的热疲劳性能和耐氧化性对材料的使用寿命具有重要意义。
　　本文旨在通过添加铬、钒等合金元素来改善高硅钼球墨铸铁的组织和力学性能，借助抗拉强度测试、热疲劳测试、抗氧化性测试等手段对比研究各元素对高硅钼球墨铸铁性能的提高程度。研究结果表明：
　　高硅钼球墨铸铁的显微组织由铁素体基体、球状石墨、富钼碳化物和少量珠光体组成。石墨尺寸均匀，镶嵌在铁素体基体上，碳化物分布在晶界处。
　　添加铬元素的高硅钼球墨铸铁中珠光体和晶界碳化物数量明显增多，抗拉强度提高了8％，硬度提高了41%；添加钒元素的高硅钼球墨铸铁中微观组织显著细化，珠光体数量减少，抗拉强度提高了15%，硬度提高了7%；复合添加铬、钒元素的高硅钼球墨铸铁组织中珠光体数量趋于减少，晶界碳化物变得细小，抗拉强度提高了9%，硬度值基本不变。
　　在热疲劳测试过程中，4种高硅钼球铁试样首先发生不同程度的变形；当形变量达到一定程度时，于试样表面萌生裂纹；裂纹均在大表面上形成；热疲劳裂纹一般会在晶界的碳化物或消失的球状石墨处产生；裂纹在扩展过程中球状石墨能够改变裂纹扩展的方向；裂纹的扩展速度随着裂纹处氧化程度的加强而加快；在相同热循环条件下，当出现相同长度的热裂纹，含铬元素的高硅钼球墨铸铁所需的热循环次数最多。
　　在高温环境下，试验测定的4种高硅钼球铁的氧化增重皆随时间的增加而增加。同时表层的球状石墨因氧化作用而消失，试样表层皆会形成SiO2氧化膜，该膜会阻碍后续氧化过程的进行，对提高合金的抗氧化性有重要的作用。含铬高硅钼球铁表层还会形成Cr2O3氧化膜，进一步提高该合金的抗氧化性。在相同测试条件下，含铬高硅钼球墨铸铁单位面积的增重和氧化皮厚度最小，抗氧化性最好。

目录

声明

1 前言

1.1 研究背景

1.2 汽车发动机排气歧管性能要求

1.3 排气歧管用材质发展概况

1.4 铁素体球铁的强化机理

1.5 硅钼球铁的研究现状

1.6 问题的提出

1.7 研究目标及内容

2 研究方案

2.1 实验方案设计

2.2 合金试样的制备

2.3 合金性能测试

2.4 合金组织分析

2.5 技术路线

2.6 本章小结

3 铬、钒对高硅钼球铁铸态组织与力学性能的影响规律

3.1 概述

3.2 铬、钒元素对合金微观组织的影响

3.3 铬、钒元素对高硅钼球铁力学性能的作用规律

3.4 本章小结

4 铬、钒元素对高硅钼球铁热疲劳性能的影响规律

4.1 概述

4.2 热疲劳试样宏观形貌

4.3 热疲劳裂纹的形成与扩展

4.4 铬、钒元素与合金热疲劳性能的相关性

4.5 本章小结

5 铬、钒元素对高硅钼球铁抗氧化性能的影响规律

5.1 概述

5.2 高温氧化增重与脱碳分析

5.3 高硅钼球铁氧化层分析

5.4 铬、钒对高硅钼球铁氧化层的影响

5.5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献