ZSF合金抗钻性及复合韧化效果

作者：信息来源:模具 2008-4-27

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本文通过研究ZSF合金的显微组织，分析了该合金的抗钻削能力及其机制，并考察了该合金与Q235A钢焊接复合后的韧化效果。1试验方法试验用材料为ZSF合金，其化学成分，见表1。ZSF合金在GW-005中频感应电炉中熔炼。同时，为间接考察ZSF合金与Q235A钢焊接复合后的韧化效果，还浇注了ZSF合金单体及其与Q235A钢复合结构的冲击对比试...

金属材料的抗钻削性与其显微组织及硬度密切相关。目前，关于金属材料抗钻削性及其机制的研究尚少。本文通过研究ZSF合金的显微组织，分析了该合金的抗钻削能力及其机制，并考察了该合金与Q235A钢焊接复合后的韧化效果。
1　试验方法
　　试验用材料为ZSF合金，其化学成分，见表1。ZSF合金在GW-005中频感应电炉中熔炼。标准冲击试样在浇注的Y型试块上切取，具体尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，U型缺口；硬度与金相试样均在做完的冲击试样上切取。同时，为间接考察ZSF合金与Q235A钢焊接复合后的韧化效果，还浇注了ZSF合金单体及其与Q235A钢复合结构的冲击对比试样，加工后的具体尺寸，见图1

表1　ZSF合金化学成分
Tab.1　Chemical composition of ZSF alloy　　%

CCrNiSiPS0.6～1.618～262～8≤1.6≤0.03≤0.03

(a) ZSF合金单体结构　(b) 复合结构(中间为ZSF合金)

图1　对比冲击试样
Fig.1　Comparision of impact test pieces

　在金相显微镜上观察铸态显微组织，在万能材料试验机上进行对比冲击试验，用D/max-γB自动X射线衍射仪分析相的组成。
2　实验结果与分析
2.1　ZSF合金的显微组织
　　ZSF合金的铸态显微组织由奥氏体和共晶碳化物组成(见图2)。由X射线衍射相结构分析(图3)可知，合金组织是以奥氏体为主(平均含量为94%),并含有少量的马氏体(平均含量为6%)，合金碳化物为M₇C₃型和M₂₃C₆型。

图2　ZSF合金铸态显微组织　×150
Fig.2　As-cast microstructure of ZSF metal

图3　X射线衍射图(钻削前)
Fig.3　The X-rays diffraction pattern (before drilling)

2.2　ZSF合金的抗钻性与冲击韧性
　　ZSF合金的硬度与冲击韧性，见表2。为考察ZSF合金的抗钻削性，用手电钻进行钻削试验，分别采用普通钻头和合金钻头，对ZSF合金和Q235A钢进行连续钻削，结果见表3

表2　ZSF合金的硬度与冲击韧性
Tab.2　Hardness and impact toughness of ZSF alloy

试样编号010203平均值HRC34.435.035.635.0a_K／（J^.cm^-2)3.884.503.884.09

表3　不同材料的钻削量(抗钻性比较)
Tab.3　Weight of drilling of different materials(comparison of drilling resistant ability

材料钻削量 /mm钻削时间
s

₁₀普通钻头

₅普通钻头

_4.3合金钻头ZSF合金

300Q235A钢28<DIV align=left>由此可见，ZSF合金具有极强的抗钻削能力，但冲击韧性较低。
2.3　ZSF合金与Q235A钢焊接接头的冲击韧性
　　ZSF合金与Q235A钢板以V型坡口形式对接，坡口尺寸，见图4。按照GB2649—89规定制取焊接接头的标准冲击试件，试验结果，见表4。</DIV><DIV align=center> </DIV>

图4　试板坡口尺寸及组对
Fig.4　The combination of welding joint and the dimension welding groove

表4　焊接接头冲击试验结果
Tab.4　The experimental result of shock test of weld joint

<DIV align=center>缺口位置焊缝中心靠Q235A钢
一侧熔合线靠ZSF合金
一侧熔合线靠ZSF合金
一侧热影响区

_K／（J^.cm^-2)12.95812.91711.679.58</DIV>

注：_K／（J^.cm^-2)为三个试样的平均值

2.4　ZSF合金单体与复合结构的抗冲击性能
　　为间接考察ZSF合金单体与复合结构的冲击韧性，采用快速加载缺口试样三点弯曲试验(因复合结构无法制作标准冲击试样)，加载压头速度为20 mm/min，试验结果，见表5。

表5　快速加载三点弯曲缺口试样冲断载荷
Tab.5　Break load of three point binding notched samples at high speed loading test

试样结构试样编号冲断载荷/kN平均值/kN单体结构01
02
036.5
1.1(断口有夹杂)
8.67.55复合结构01
02
0325.2
25.7
26.425.77<DIV align=left>由表5可见，ZSF合金复合结构较其单体结构具有较强的冲击韧性(冲断载荷提高3.4倍)。

表明，采取复合结构可以大大提高抗冲击能力。
3　讨论
3.1　ZSF合金组织中奥氏体的机械稳定性
　　ZSF合金的基体组织是奥氏体，奥氏体切削加工时加工硬化倾向很大，在应力作用下可诱发奥氏体转变成马氏体，使材料硬化^［2］。这种加工硬化的深度可达切削深度的1/3，该处硬化层的硬度可提高1.4～2.2倍，从而使刀具磨损加剧^［1］。据此，我们将钻削深度约2 mm左右(再深难以继续钻削)的ZSF合金试样进行X射线结构分析，结果见图5。</DIV><DIV align=center> </DIV>

图5　X射线衍射图(钻削后)
Fig.5　The X-rays diffration pattern (after drilling)

可见，钻削后合金组织中奥氏体的平均含量明显减少(由94%→57%)，而马氏体的平均含量则明显增多(由6%→43%)。这表明，ZSF合金组织中的奥氏体稳定性很差，在钻削加工硬化时发生了部分奥氏体转变为马氏体，使材料硬化、继续钻削难以进行。因此，ZSF合金虽然硬度不很高，但抗钻削能力极强。
　　此外，ZSF合金导热性差(因铬、镍元素均降低导热性^［1］)，钻削时会引起热量高度集中，使钻削温度很高，从而加剧钻头刃的磨损，这也使ZSF合金抗钻削能力提高。
3.2　ZSF合金复合结构的韧化效果
　　ZSF合金单体结构的冲击韧性较低，这是由于M₇C₃型和M₂₃C₆型共晶合金碳化物主要分布在奥氏体晶界所致；经焊接复合后，抗冲击能力显著提高，这不仅是充分发挥了Q235A钢具有很高冲击韧性的作用，而且与ZSF合金和Q235A钢焊接接头冲击韧性明显提高有关。因此，可以采用焊接复合方式以达到良好的综合性能。
4　结论
　　(1) ZSF合金具有极强的抗钻性，这主要是钻削时合金组织中的部分奥氏体转变成马氏体所致。
　　(2) ZSF合金冲击韧性较低，但与韧性好的Q235A钢焊接复合后，可使其抗冲击能力显著提高。