高鉻鑄鐵的正火組織與性能研究

仵海東 馮妮 李韜 高柳君 劉筱薇

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331)

高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、高錳鋼和鎳硬鑄鐵之后的第三代抗磨材料，它的室溫組織是馬氏體上均勻分布著的高硬度金屬型碳化物，且彼此孤立分布，不連成網(wǎng)狀，大大減小了對基體的割裂。使其在抗磨的同時還有一定的韌性。因此，高鉻鑄鐵在采礦、鋪路、建筑和電力等行業(yè)應(yīng)用廣泛［1－2］。影響鉻系白口鑄鐵性能的主要因素為鉻碳比及熱處理工藝，因此研究鉻元素的作用及熱處理工藝尤為必要［3－4］。目前高鉻鑄鐵的熱處理方式主要為加熱到950～1000℃后，經(jīng)保溫空冷淬火后再進(jìn)行200～260℃的低溫回火。高溫球化處理即是在1140～1180℃保溫16 h后空冷卻，可以明顯提高沖擊韌度和耐磨性能。但這些方式都比較復(fù)雜且成本較高，而正火的熱處理工序相對簡便，若高鉻鑄鐵用正火處理后的使用性能可以與其他復(fù)雜熱處理相當(dāng)，則可以大大減小生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。本文研究正火溫度對一種可以用于垃圾焚燒發(fā)電爐排的新型高鉻鑄鐵組織與性能的影響，從而找出溫度與組織性能的變化規(guī)律，為該材料的推廣應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所選材料C含量為1.60% ～1.80%，Cr含量為 16.0% ～ 19.0%，且含有少量的 Al、Si、Mn、Ti及稀土等元素。采用中頻感應(yīng)爐熔煉，澆注成爐排，在爐排中取樣，利用線切割機(jī)試樣切割成50 mm×10 mm×10 mm的長方體，然后在試樣中心開2 mm的U型缺口制成沖擊試樣。然后對制好的試樣進(jìn)行熱處理，具體熱處理工藝溫度見表1，保溫時間為2 h，冷卻方式均為空冷。

表1 試樣熱處理工藝

將鑄態(tài)試樣放入箱式加熱爐中，以350℃h的速度升溫加熱，保溫2 h后取出試樣，在常溫下空冷。將熱處理后的試樣用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，將沖擊后的試樣表面磨光，去掉氧化皮，利用布氏硬度機(jī)測出不同熱處理后的試樣的洛氏硬度。然后借助XJP－6A型號的金相顯微鏡對鑄態(tài)及各個熱處理狀態(tài)下的試樣進(jìn)行顯微組織觀察，最后用S－3700N型號的電子顯微鏡進(jìn)行微觀分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 正火溫度對高鉻鑄鐵組織的影響

經(jīng)過不同的正火加熱溫度處理后可以得到不同的組織。高鉻鑄鐵鑄態(tài)下的金相圖(見圖1)，其基體由珠光體+鐵素體+共晶碳化物組成。當(dāng)正火溫度在800～900℃時，其組織并沒有較大的變化，黑色部分為珠光體，白色部分為共晶Cr7C3碳化物，因?yàn)榇藭r正火溫度低于相變溫度，但是珠光體有球化趨向(見圖2)。

圖1 高鉻鑄鐵鑄態(tài)下的金相組織

圖2 高鉻鑄鐵在900℃正火組織

隨著溫度升高，碳化物的形態(tài)和數(shù)量發(fā)生變化，當(dāng)正火溫度增加到950～1000℃時，進(jìn)入了兩相區(qū)，部分珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于加熱溫度相對較低，奧氏體化過程進(jìn)行的不夠充分，碳化物不能完全溶解，而形成了奧氏體及其基體上分布的未溶碳化物，冷卻過程中，未溶碳化物成為碳化物析出的核心，形成顆粒狀碳化物，使珠光體球化，得到鐵素體基體上分布的粒狀碳化物+共晶碳化物+少量珠光體，從圖3中可以明顯看到這種變化。在1100～1150℃加熱，奧氏體化溫度進(jìn)一步升高，奧氏體化進(jìn)程逐漸加快，珠光體在形成奧氏體的過程中碳化物溶解過程基本完成，但成分均勻化沒有充分進(jìn)行，同時網(wǎng)狀的共晶碳化物融入奧氏體的量也在增加，碳化物的溶解使奧氏體中的Cr和C含量增加，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，使珠光體轉(zhuǎn)變，C曲線右移，冷卻過程中，奧氏體基體中含C量高的區(qū)域析出細(xì)小粒狀的碳化物，當(dāng)過冷奧氏體冷卻到Ms點(diǎn)以下，發(fā)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變，從圖5可以看出，組織為馬氏體(或過飽和鐵素體)基體上分布著彌散細(xì)小的粒狀碳化物+沿晶界分布的共晶碳化物，對比圖3和圖4可以明顯看到共晶碳化物的數(shù)量變少，表明有較多的共晶碳化物在加熱過程中發(fā)生溶解。

圖3 高鉻鑄鐵在950℃正火組織

圖4 高鉻鑄鐵在1050℃正火組織

圖5 高鉻鑄鐵在1150℃正火組織

2.2 正火溫度對材料力學(xué)性能的影響

2.2.1 正火溫度對硬度的影響

正火溫度與硬度的關(guān)系如圖7所示。在800～1050℃之間加熱正火，試樣的硬度在33～38HRC之間波動，但正火溫度在850～1000℃之間時硬度略有下降，這是因?yàn)樵谶@段溫度區(qū)間里，珠光體組織開始球化，但是球化后的珠光體顆粒較大，從而硬度略有下降。當(dāng)正火溫度高于1000℃時，其硬度升高，并且正火溫度高于1050℃時硬度陡增，這是因?yàn)殡S加熱溫度進(jìn)一步升高，奧氏體化進(jìn)程加快，而且含鉻的共晶碳化物溶解量增大，碳及合金元素Cr在奧氏體中的溶解度增加，奧氏體的穩(wěn)定性增加，C曲線右移，淬透性提高，Ms點(diǎn)降低。上述變化隨正火加熱溫度的提高，變化越明顯。冷卻過程中奧氏體中的未溶碳化物與析出的二次碳化物程彌散狀態(tài)分布在基體上，Ms點(diǎn)以下奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形成了馬氏體與基體上的彌散碳化物+少量殘余奧氏體+共晶碳化物的組織形態(tài)(見圖6、圖7)，使硬度明顯提高。試樣在1100～1150℃加熱，共晶碳化物溶解增加，空冷后組織二次碳化物變得短小，直至均勻彌散分布使硬度顯著增加［5］。

圖6 1150℃正火后碳化物分布SEM照片

圖7 正火溫度與硬度的關(guān)系

2.2.2 正火溫度對沖擊韌性的影響

正火溫度與沖擊韌性的關(guān)系如圖8所示。在800～1150℃溫度范圍內(nèi)，隨著正火溫度的升高，其沖擊韌性在4.2～4.7 Jcm2之間波動，總體變化不大。結(jié)合各溫度下組織的變化情況，可以看出，在整個溫度范圍內(nèi)正火，盡管各階段組織有所不同，但對韌性有重要影響，即沿晶界分布的共晶碳化物在各溫度下始終存在，從而使韌性整體上變化不大且處于較低水平。

圖8 正火溫度與沖擊韌性的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)隨著溫度的升高，高鉻鑄鐵中的碳化物有先溶解后析出的現(xiàn)象，并在1100～1150℃加熱時共晶碳化物的量明顯減少，并且變成菊花狀形態(tài)，提高了材料的硬度。

(2)隨著正火溫度的升高，珠光體組織逐漸球化，共晶碳化物逐漸溶解，在1100℃以上正火，形成了過飽和鐵素體(或馬氏體)基體上分布大量的均勻細(xì)小的二次碳化物+共晶碳化物的組織形態(tài)，硬度增加明顯，沖擊韌性稍有改善。

［1］張香平，唐建新.熱處理溫度對高鉻鑄鐵組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2011(7):34-36.

［2］劉海娟.一種新型高鉻鑄鐵磨球的研制與應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自動化，2006(6):160-162.

［3］何希杰，王青云，耿英杰.抗磨白口鑄鐵沖擊韌性的影響要素排序［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2002(2):37-38.

［4］子澍.高鉻鑄鐵熱處理工藝的改進(jìn)［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2005(2):17-20.

［5］談淑詠.熱處理對高鉻鑄鐵組織和性能的影響［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，21(1):62-65.