热处理工艺对高铬铸铁组织与性能的影响①

刘 芬， 宋春梅， 周海涛， 荣守范， 朱永长 ， 韩苗苗

(1. 佳木斯中唯实业有限公司，黑龙江佳木斯154007;2. 佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯154007 )

0 引 言

铬系白口铸铁产生于20 世纪初期，随着工业化水平的提高，耐磨材料也逐渐由普通白口铸铁、高锰钢、镍硬铸铁向铬系白口铸铁发展［1-3］. 近年来，为满足工业生产日趋提高的苛刻要求，国内外科研工作者对铬系白口铸铁中进行了大量研究，并结合相应的热处理工艺，使得材料的性能得到不断提高.目前在矿山开采及物料破碎方面都有着大量的应用，并取代了耐磨锻钢、中锰球铁和低合金钢等材质，主要用于生产磨球、锤头及鄂板等，其中部分高校科研院所结合液固、液液等金属复合技术，有效的将铬系白口铸铁与其他合金材料有效复合在一起，更充分发挥了铬系白口铸铁高耐磨性的优势，从而降低材质本身对于韧性的要求［4，5］. 对于铬系白口铸铁中影响性能的主要因素为铬碳比及热处理工艺，因此研究铬元素的作用及热处理工艺就显得尤为必要［6，7］.

本文主要通过改变铬的含量，利用中频炉对高铬铸铁进行熔炼，通过调控成分、浇注及热处理工艺，研究了热处理工艺参数对高铬铸铁组织与性能的影响.

1 实验材料与方法

为了保证高铬铸铁具有优良的综合力学性能，通常根据铁碳相图采用亚共晶成分，主要是为了保证材料具有一定的韧性.实验成分确定Cr 含量分别为12%、14%、16%，C 含量为3.2% ～3.4%.材料的化学成分如表1 所示.

表1 不同试样的化学成分(wt%)

本实验利用了GW -0.02 -60/25J 中频无铁芯式感应电炉，进行熔炼处理. 将获得的试样放在SX2 -2.5 -12 箱式热处理炉中进行热处理. 热处理工艺参数如表2.

利用HR -150A 洛氏硬度计对材料的宏观硬度进行的测试. 采用ZBC -300B 型全自动金属摆锤冲击试验机获取冲击韧性值. 然后利用OLYMPUS-GX71 型光学电子显微镜对材料的显微组织进行观察.

2 实验结果与分析

2.1 高铬铸铁的微观组织

高铬铸铁的铸态组织根据加热和冷却条件的不同，可以有多种转变产物. 本实验中高铬铸铁的铸态组织如图1 所示. Cr12 高铬铸铁的铸态组织为:初生奥氏体+碳化物，其中碳化物有两种，一种是块状M7C3型，一种是共晶碳化物，每一共晶团的碳化物呈菊花瓣状分布，彼此被基体组织隔离;Cr14 的铸态组织为:奥氏体+碳化物，其中碳化物是M7C3型;Cr16 的铸态组织为:奥氏体基体+碳化物，其中碳化物是M7C3 型.

图1 高铬铸铁铸态组织(×100)

图2 Cr12 经不同介质淬火后高铬铁的组织形态(×100)

图3 Cr14 经不同介质淬火后高铬铸铁的组织形态(×100)

图4 Cr16 经不同介质淬火后高铬铸铁的组织形态(×100)

2.2 热处理工艺对组织的影响

在铸态组织经过加热奥氏体化以后，随着热处理工艺条件的改变，奥氏体基体中的过饱和合金元素以二次碳化物析出，从而降低了奥氏体的稳定性，最终转变成马氏体，在提高材料基体本身硬度的同时，降低了白口铸铁的冲击韧性.从图2 ～图4中可以看出，铸态组织中的网状碳化物消失，碳化物的尖角也发生了明显的改变，碳化物组织铸件趋于块状，对基体的割裂作用大大降低，从而利于提高铸铁的冲击韧性，结果也说明了热处理后的冲击韧性要优于铸态.

从图2 可知，淬火后基体组织由奥氏体转变为马氏体，但由于马氏体转变不能进行到底，还有部分残余奥氏体析出二次碳化物，这种组织配合使高铬铸铁的硬度提高到HRC66 以上.

从图3 可以看出:淬火后高铬铸铁组织为马氏体+碳化物，碳化物包含M7C3型块状碳化物和团状共晶碳化物，使高铬铸铁的硬度提高到HRC65以上.

从图4 可以看出:淬火后高铬铸铁组织为马氏体+碳化物，碳化物包含M7C3型块状碳化物和菊花状共晶碳化物，使高铬铸铁的硬度提高到HRC66 以上.

图5 铬对高铬铸铁硬度的影响

表2 不同成分的高铬铸铁的热处理工艺

表3 铸态及不同介质淬火后高铬铸铁试样的硬度HRC

2.3 热处理工艺对力学性能的影响

用HR-150A 型洛氏硬度计测平均硬度值，见表3.

在ZBC-300B 型全自动金属摆锤冲击试验机上做无缺口冲击韧性试验，算出试样的αk 平均值结果见表4

表4 铸态及不同介质淬火后高铬铸铁试样的冲击韧性(J·cm-2)

随着铬元素含量的增加，高铬铸铁的洛氏硬度也同步得到提高. 一方面，淬火温度的升高使得基体的溶碳量增加，经过淬火处理后转变为马氏体促使硬度升高;另一方面，根据F. Maratry 的回归方程式［8］:碳化物(%)=12. 33·(%C)+0. 55·(%Cr)-15.2，获得各类试样含碳化物质量百分数分别为:Cr12 是33.3%，Cr14 是34.4%，Cr16 是35.5%.每组试样所含碳化物数量呈现逐渐递增的趋势，根据铬碳比影响碳化物形成规律，结合实际获得的显微组织，碳化物的类型主要是M7C3型，如图5 所示.

为获得高的淬透性，通常加入大量的合金元素Mo、Cu 等，使C 曲线右移，提高马氏体转变开始温度Ms，获得二次碳化物弥散分布的全马氏体基体组织.本次试验未添加Cr，Mo，但对材料的本身的淬透性并未产生影响，主要是因为试样截面积较小产生的，这将在后续的研究中进一步证明.

3 结 论

(1)高铬铸铁经过不同的淬火处理后，获得了具有较高洛氏硬度的马氏体基体组织和弥散分布M7C3碳化物，削减了碳化物对冲击韧性影响.

(2)铸铁基体组织中碳化物主要是初生碳化物和二次碳化物，碳化物呈条块状.

(3)实验材料中未添加Mo，Cu 等元素，但对实验材料本身的淬透性未产生较大影响.

［1］ 孙志平，沈保罗，高升吉. 高铬白口铸铁耐磨性和显微组织的关系［J］. 金属热处理，2005(7):60 -64.

［2］ 王均，沈保罗，高升吉等. 16Cr2Mo1Cu 高铬铸铁在亚临界处理中硬化行为研究［J］.材料科学与工艺，2005(1):78 -81.

［3］ 孙晓敏，杨华. 变质剂及热处理对高铬铸铁组织性能的影响［J］.热加工工艺，2007，36(9):30 -32.

［4］ 张山纲，张剑波，朱保钢. 高碳高铬白口铸铁材料及其应用［J］.铸造技术，2005(9):842 -849.

［5］ 何希杰，王青云，耿英杰. 抗磨白口铸铁冲击韧性的影响要素排序［J］.中国铸造装备与技术，2002(2):37 -38.

［6］ 子澍. 高铬白口铸铁热处理工艺的改进［J］. 现代铸铁，2005(2):5 -8.

［7］ 艾莹珺，艾云龙，丁家圆等. 热处理对高铬白口铸铁组织与性能的影响［J］. 材料热处理技术，2010，39(6):133 -135.

［8］ 荣守范，朱永长. 铸造金属耐磨材料手册［M］. 化学工业出版社，2008.10.