Cr15Mo3高铬铸铁件的生产和检测

2018-05-08孙建昌边功勋丰新宇

铸造设备与工艺 2018年1期

孙建昌，王波，边功勋，丰新宇

（太原重工股份有限公司冶铸分公司，山西太原 030024）

高铬铸铁广泛使用在采矿、水泥、电力、筑路机械、耐火材料等方面，常见于衬板、锤头、磨球材料。通常情况下，高铬铸铁件以铸态、硬化态、退火态及去应力态交付使用，实际应用中，以铸态和硬化态居多。本文主要探讨硬化态的Cr15Mo3高铬铸铁生产和检测。

1 技术参数

国家标准[1]、美标及奥标等对各种牌号的抗磨白口铸铁都做了详细的规定，其中Cr15Mo3高铬铸铁是使用较广的一种，有“王牌”高铬铸铁之称，通过调整碳含量，可具有良好淬透性，适用于大断面铸件。使用铬、钼强化的高铬铸铁成本要比镍硬铸铁的成本低，这也是高铬铸铁应用广泛的原因之一。

按照奥标规定的Cr15Mo3高铬铸铁，铸造出断面厚度为60 mm的铸件，硬化、回火热处理后取其本体作为试验料，要求成分、性能、金相满足技术参数[2]，其化学成分及技术参数见表1.

表1 Cr15Mo3化学成分及技术参数

2 工艺设计

2.1 铸造工艺设计原则

高铬铸铁属典型的抗磨白口铸铁，凝固过程不析出石墨，不发生膨胀，不能自补缩，同时凝固收缩率大，需要采用冒口补缩，铸造工艺应与碳钢类似，但又不及碳钢塑韧性好，浇冒口不能直接用气割切除，只能采用易割冒口或侧边冒口锤击去除冒口[3]。高铬铸铁的凝固方式与铸钢件的顺序凝固方式相同，需要充分的补缩，冒口应按照碳钢件设计，尽可能避免缩孔、气孔和夹渣等缺陷引起的使用寿命不能达到要求[4]。通过MAGMA进行凝固模拟，避免以上缺陷的产生。浇注系统的设计类似灰铸铁，留易割槽，便于锤击去掉。

2.2 热处理

高铬铸铁在铸型内的冷却过程中，基体一般过饱和地溶解了合金元素和碳元素，组织处于不稳定状态。通过硬化（空淬）和回火处理，得到需要的宏观硬度及微观结构。淬火时加热温度的选择至关重要。随着合金中含铬量的增加，热处理加热温度也应相应变化，相关的研究资料[5]显示，铬质量分数为15%的白口铸铁，得到最大硬度的淬火温度是940℃～970℃.淬火后的高铬铸铁件，内应力较大，应及时回火处理。回火温度选择在400℃～450℃时，既能消除淬火内应力，又不降低硬度，这是因为回火处理时组织中的残余奥氏体减少，析出少量碳化物。本次试验生产的Cr15Mo3衬板铸件，采用970℃保温5 h，空气中快速冷却，然后420℃回火8 h的热处理工艺，最终测得硬度值为HBW585，符合标准要求，见表2.

表2 硬度值

3 检测

3.1 硬度

从宏观角度来讲，硬度是判断高铬铸铁抗磨损能力的最主要性能指标。

在实际工作条件下，耐磨性并不完全由硬度决定，还与磨粒或硬凸起的相对硬度大小有关。由表2可以看出，Cr15Mo3淬火后虽满足奥标AS2027的要求，然而与普通抗磨白口铸铁相比硬度值并不高，这是由于在一些冲击较大的场合下使用时，适当降低硬度，虽使铸件的耐磨性有所降低，然而却有效回避了铸件脆性大造成的磨损剥落，因此在考虑提高高铬铸铁的硬度的同时，必须兼顾铸铁的韧性，使用时才能充分发挥出抗磨材料Cr15Mo3的优点。

3.2 碳化物体积分数

3.2.1 测定碳化物体积分数的意义

高铬抗磨铸铁组织组成物中分为硬质相和基体，硬质相主要是一些共晶碳化物，提高硬质相本身的硬度，或增加硬质相的体积百分数，均可提高铸铁的硬度。因此碳化物的体积分数是一项重要的验收指标，国外的一些优秀企业会将碳化物体积分数作为常见的检测手段。由表1可知，本试验用Cr15Mo3高铬铸铁件硬化热处理后碳化物体积分数应大于30%.通常测定碳化物体积分数的常规方法有人工点计数法、自动图像法等。

3.2.2 人工点计数法测定体积分数的试验方法

《ASTM E562人工点计数法测定体积分数的试验方法》也称割线法，是一种显微镜下利用网格计数测定体积分数的方法，常用于碳化物及铁素体的测定。本试验采用美国标准，显微镜放大到200倍下微观视场，测定结果见表3.

表3 碳化物体积分数测定

3.2.3 自动图像法

随着显微镜技术的不断发展，由显微镜自动区分各组织组成物，直接读出碳化物的体积分数，这种方法可以更加快速地测定出体积分数。执行标准《GB/T 18876.1-2002应用自动图像分析测定钢和其它金属中金相组织、夹杂物含量和级别的标准试验方法》，测定Cr15Mo3高铬铸铁试样的碳化物体积分数为34.18%，满足技术要求。

3.3 组织组成物

硬化处理状态下的Cr15Mo3高铬铸铁件，组织组成物以马氏体为基体，硬质相包括共晶碳化物和其他一些离散的二次碳化物，残余奥氏体，不允许有游离石墨。经过回火处理，马氏体转变为回火马氏体，残余奥氏体的量有所减少。显微镜放大至200倍（图1）和500倍（图2），观察微观组织形貌，符合Cr15Mo3材料在硬化状态下的特征。