亞臨界處理對高鉻鑄鐵組織及性能的影響

鐘運澤，邵紅紅，彭發(fā)學(xué)，鐘榮玥

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

高鉻鑄鐵作為抗磨材料，在建材、礦山等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［1－4］。目前大多數(shù)的高鉻鑄鐵是在鑄態(tài)下直接使用，由于組織中有粗大的一次碳化物，因此在使用過程中常出現(xiàn)碳化物脫落導(dǎo)致工件不耐磨的現(xiàn)象。雖然適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢愿纳聘咩t鑄鐵的組織和使用性能，但相變點以上的熱處理對導(dǎo)熱性能較差的高鉻鑄鐵來說很容易產(chǎn)生變形與開裂。資料顯示［5－8］，亞臨界處理可以顯著提高高鉻鑄鐵的硬度及耐磨性能。本文通過成分設(shè)計制備了新型的高鉻鑄鐵，并系統(tǒng)研究了亞臨界處理工藝參數(shù)對其組織和性能的影響，為提高高鉻鑄鐵的使用壽命奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 新型高鉻鑄鐵成分設(shè)計及制備

常用高鉻鑄鐵由于碳和鉻的含量較高，所以組織中一次碳化物多，且呈片狀分布，晶粒粗大，在使用過程中碳化物容易崩落，影響工件的使用壽命。本試驗設(shè)計了新型高鉻鑄鐵，即降低了C和Cr的含量，以減少一次碳化物;添加了Mo、V等合金元素，提高淬透性和二次硬化效果;加入微量B元素，細(xì)化晶粒。高鉻鑄鐵的熔煉在GWJ0.05-100-1中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行，出爐溫度約為1500℃，澆鑄形狀為φ20 cm的圓柱體，重15 kg。用線切割機將鑄件的表層氧化皮去除，取表皮下3～5 mm處的材料加工成10 mm×10 mm×10 mm的試樣?；瘜W(xué)成分見表1，鑄態(tài)顯微組織見圖1。鑄態(tài)組織由枝晶狀的殘余奧氏體與萊氏體基體組成，組織中無粗大的一次碳化物。鑄態(tài)下，枝晶處的硬度為454 HV;基體硬度47 HRC。

表1 高鉻鑄鐵的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of high chromium cast iron(ω，%)

圖1 高鉻鑄鐵鑄態(tài)金相組織Fig.1 Microstructures as cast of high chromium cast iron

2 試驗方法

亞臨界處理在箱式電阻爐中進(jìn)行，加熱溫度分別為480、520、560和 600 ℃，保溫時間分別為4、6、8、10和12 h，冷卻方式為空冷。試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨及拋光后，用王水腐蝕，在Nikon Epiphot 300倒置式金相顯微鏡上觀察試樣組織。試樣整體硬度采用HR-150A型洛氏硬度計測定，顯微硬度在HV-1000型顯微硬度計上測定，載荷為100 g，保載時間為20 s。用D/max-2500PC型XRD衍射儀測定物相。在ML-23型橡膠輪式磨損試驗機上做磨損試驗，試樣尺寸為55 mm×26 mm×6 mm，磨料為55～70目的石英砂，試驗載荷為450 g，在精度為萬分之一的光電天平上稱量，測量磨損前后的失重，磨損時間為1 h。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 亞臨界處理溫度對高鉻鑄鐵組織及硬度的影響

圖2為高鉻鑄鐵在不同亞臨界處理溫度下保溫4 h后的顯微組織，表2為相應(yīng)溫度下的硬度值。圖2顯示，經(jīng)過亞臨界處理后，高鉻鑄鐵的組織中白色枝晶區(qū)(初生奧氏體)有細(xì)小且彌散分布的二次碳化物(M23C6型，見圖3)析出，且隨著溫度的提高，析出量也在增多。因為在鑄態(tài)條件下，高鉻鑄鐵中的奧氏體固溶了過飽和的鉻、鉬等合金元素，在亞臨界處理的加熱及保溫過程中，這些過飽和的合金元素就會以二次碳化物的形式彌散析出，且加熱溫度越高，鉻、碳等元素的擴(kuò)散速度越快，二次碳化物的析出越明顯。此外，二次碳化物的析出使奧氏體枝晶中的合金元素含量下降，Ms點提高，部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，因而初生奧氏體枝晶隨著亞臨界處理溫度的提高，枝晶逐漸變小，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［9］一致。

圖2 不同亞臨界處理溫度下保溫4 h的顯微組織Fig.2 Microstructure at different subcritical treatment temperature holding for 4 h

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圖3 試樣經(jīng)600℃加熱保溫4 h亞臨界處理后的XRD圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of sample subcritical treated at 600℃holding for 4 h

表2 高鉻鑄鐵經(jīng)不同亞臨界溫度保溫4 h處理的硬度值Table 2 The hardness of high chromium cast iron at different subcritical temperature holding for 4 h

硬度結(jié)果表明，隨著亞臨界處理溫度的提升，雖然基體硬度差別不大，但是枝晶區(qū)域的顯微硬度有了較明顯提升。這是因為亞臨界處理溫度的提高，析出M23C6型二次碳化物(硬度為1000～1100 HV)數(shù)量增多，起到了彌散硬化的作用。

3.2 亞臨界處理保溫時間對高鉻鑄鐵組織及硬度的影響

亞臨界處理的保溫時間同樣會影響高鉻鑄鐵的組織及硬度。在研究時間對其影響時，選擇硬度最高的600℃作為亞臨界處理的加熱溫度。圖4是在此溫度下保溫不同時間處理后枝晶區(qū)域的微觀組織。由圖4可以看出，高鉻鑄鐵經(jīng)600℃亞臨界處理保溫6 h后的二次碳化物細(xì)小呈顆粒狀彌散分布，此時，軟的殘余奧氏體基體對細(xì)小的二次碳化物會有很好的夾持作用，碳化物不易脫落。隨著亞臨界處理保溫時間的延長，二次碳化物發(fā)生較明顯的聚集長大現(xiàn)象，部分碳化物脫落如圖4(d)。硬度結(jié)果(見表3)也說明高鉻鑄鐵在600℃保溫6 h時，硬度出現(xiàn)峰值，當(dāng)M23C6型二次碳化物發(fā)生聚集長大時，硬度開始下降。

圖4 600℃亞臨界處理不同保溫時間的枝晶區(qū)顯微組織Fig.4 Structure in dendrite area after 600 ℃ subcritical treatment under different holding times

表3 高鉻鑄鐵經(jīng)600℃亞臨界處理保溫不同時間的硬度值Table 3 The hardness of high chromium cast iron at 600℃subcriticaltreatment under different holding times

3.3 亞臨界處理對高鉻鑄鐵磨粒磨損性能的影響

圖5 高鉻鑄鐵600℃亞臨界處理不同保溫時間的磨損量Fig.5 Wear loss of high chromium cast iron at 600 ℃ after subcritical treatment under different holding times

圖6 鑄態(tài)及600℃亞臨界處理不同保溫時間的高鉻鑄鐵磨粒磨損表面形貌(a)as cast;(b)4 h;(c)6 h;(d)8 h;;(e)10 h;(f)12 hFig.6 Surface morphologies of abrasive wear for high chromium cast iron at as-cast and after 600℃subcritical treatment under different holding times

圖5為高鉻鑄鐵經(jīng)600℃亞臨界處理不同保溫時間的磨損量，其磨損表面形貌見圖6。結(jié)果表明，高鉻鑄鐵的耐磨性隨著硬度的增加而提高。這一規(guī)律符合摩擦學(xué)原理，即材料的高硬度能有效地提高材料抗粘著磨損和磨粒磨損的能力。經(jīng)600℃×6 h亞臨界處理的高鉻鑄鐵無論枝晶區(qū)，還是基體硬度均為最高，所以它有最低的磨損量，同時磨損表面的“犁溝”也少和淺(圖6(c))，且碳化物的脫落相對較少。鑄態(tài)(圖6(a))和保溫時間12 h(圖6(f))由于硬度較低，所以磨損量較大，同時“犁溝”也多且深，尤其是碳化物脫落較多。這主要是鑄態(tài)下基體對共晶碳化物的支撐作用弱，600℃ ×12 h亞臨界處理后，二次碳化物聚集長大，殘余奧氏體對其的夾持作用減弱。

4 結(jié)論

1)新型高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織由枝晶狀的殘余奧氏體與萊氏體基體組成，組織中無粗大的一次碳化物。

2)亞臨界處理由于枝晶區(qū)彌散析出大量高硬度的M23C6型二次碳化物，硬度明顯提高，最高達(dá)到690 HV。

3)本試驗條件下，高鉻鑄鐵最優(yōu)的亞臨界處理工藝參數(shù)為600℃ ×6 h，此時高鉻鑄鐵具有最好的耐磨性能。

［1］ 褚祥治，張曉娟，苑少強，等.高鉻鑄鐵的研究應(yīng)用與發(fā)展［J］.唐山學(xué)院學(xué)報，2011，24(03):23 －25.

［2］ 劉華多，郭瑩.高鉻合金耐磨鑄鐵的工藝流程［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，29(16):112 －114.

［3］ 楊威，潘健，黃智泉.高鉻鑄鐵合金研究與發(fā)展的探討［J］.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報，2010(01):42－46.

［4］ 鄧進(jìn)俊，邵紅紅，彭玉婷，等.熱處理對高鉻鑄鐵組織與耐磨性的影響［J］.金屬熱處理，2013，38(03):82－85.

［5］ 劉浩懷，孫志平羅誠，等.錳對高鉻鑄鐵凝固組織和亞臨界硬化行為的影響［J］.金屬熱處理，2004，29(04):24－27.

［6］ 張香平，張懿，羅育平，等.亞臨界熱處理對不同Cr/C高鉻鑄鐵的組織與相變的影響［J］.熱加工工藝，2011，40(18):170 －173.

［7］ Sun Z P，Zuo R L，Li C.Relationship between retained austenite content，hardness and abrasion resistance of 16Cr－3C white iron［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2004，11(6):539 －544.

［8］ Karantzalis A E，Lekatou A，Mavros H.Microstructural Modifications of As-Cast High-Chromium White Iron by Heat Treatment［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，2009，18(2):174 －181.

［9］ 孫超，董長河，王毅堅.Cr26高鉻鑄鐵亞臨界處理工藝在熱磨機磨片的應(yīng)用研究［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2012，29(11):59－62.