Fe-1.5C-Mn-0.5Si-0.8Cr鋼鍛造后的組織與性能①

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(1.佳木斯中維實業(yè)有限公司,黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

半鋼又稱低碳鑄鐵，其含碳量一般在1.5%～2.25%之間，硬度高，耐磨性好，其機械性好于鑄鐵，而硬度優(yōu)于鋼；半鋼鑄態(tài)組織中含有塊狀、針狀的二次碳化物，通常以連續(xù)網(wǎng)狀分布于共晶奧氏體的晶界上[1]，割裂基體，導致半鋼韌性很低，限制了半鋼的應用。鑄態(tài)半鋼不適宜利用淬火改變其性能[2～4]，但是半鋼經(jīng)鍛造后使共晶碳化物變?yōu)轭w粒狀，提高其韌性[2,4～6]。

鑒于此，試驗采用鍛造的方式破碎共晶碳化物，并采用不同溫度的等溫淬火工藝，以期提高半鋼的韌性，生產(chǎn)出價格低廉，抗磨性能優(yōu)良的半鋼磨球，拓展半鋼磨球在水泥、礦山、發(fā)電等行業(yè)的應用范圍。

1 實驗材料及方法

實驗用原料為45鋼、灰鑄鐵、錳鐵，10Kg的中頻感應爐熔煉，潮模砂型鑄造，澆注溫度為1550～1600℃，利用鋁脫氧和稀土硅進行孕育處理。鑄態(tài)試樣的尺寸20 mm×20 mm×240 mm。其化學成分分析結(jié)果如表1所示。

將20mm×20mm×240mm的試樣，加熱到1100℃，鍛成橫截面為12mm×12mm的試樣，終鍛溫度為900～880℃，鍛后立即進行正火熱處理，然后磨制成10mm×10mm×55mm的標準沖擊試樣，分三組在50%KNO3+50%NaNO3鹽浴中進行等溫淬火處理。鍛造、正火及等溫淬火工藝如表2所示。

利用HR-150A洛氏硬度計測試試樣的洛氏硬度，ZBC-300B全自動金屬擺錘試驗機測試沖擊吸收功，WDT-10型微機控制電子萬能試驗機測試抗拉強度。利用OLYMPUS-GX71光學顯微鏡、JSM-636LV型掃描電鏡進行組織與斷口分析。

表1 試樣的化學成分分析

表2 鍛造、正火及等溫淬火工藝

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

鑄態(tài)試樣及鑄態(tài)試樣等溫淬火的金相組織如圖1所示。鑄造試樣含有一定量的珠光體，白亮色共晶碳化物呈塊狀，在低倍顯微鏡下可觀察到塊狀共晶碳化物以連續(xù)網(wǎng)狀沿晶界析出，連續(xù)網(wǎng)狀的組織形態(tài)割裂了基體，致使鑄件的沖擊韌性大大降低。等溫淬火處理的鑄態(tài)試樣獲得貝氏體組織和少量殘余奧氏體，但共晶碳化物仍然以網(wǎng)狀形式存在，因此，等溫淬火的工藝不能有效改善半鋼的韌性。

a)鑄件 b)310℃等溫淬火 c) 330℃等溫淬火d) 350℃等溫淬火

圖1 鑄件原始組織及鑄件直接等溫淬火45min的金相組織(1000×)

a)310℃等溫淬火 b) 330℃等溫淬火c) 350℃等溫淬火

鍛造、正火后再等溫淬火的金相組織如圖2所示。相對鑄件試樣而言，鍛造正火后進行等溫淬火，其貝氏體量要高于其它幾種處理方式。關鍵是鍛造正火后，原始塊狀的共晶碳化物變成細小的顆粒狀，并斷續(xù)分布在晶界上，此種組織對改善材料的沖擊韌性是有利的。

a)硬度b)沖擊功

a)鑄態(tài) b)鑄態(tài)等溫淬火 c)鍛造后正火再等溫

從圖1和圖2均可以看到，等溫淬火后的鑄態(tài)試樣和鍛后正火再等溫淬火的試樣都獲得了貝氏體組織，而且貝氏體的形態(tài)基本以針狀居多，長度約為20μm，從組織形態(tài)上可以推斷為下貝氏體。鍛后正火再等溫淬火的試樣中，在下貝氏體內(nèi)分布著細小、多量和彌散的碳化物，一方面可起彌散強化作用，使強度升高，同時也具有良好的韌性。另外，組織中還有少量馬氏體和殘余奧氏體存在，有利用改善材料的耐磨性。

2.2 硬度及沖擊韌性

鑄態(tài)試樣和鍛造后正火再等溫淬火的試樣硬度值的變化如圖3a)所示。主要是由于鑄態(tài)試樣350℃等溫時其組織出現(xiàn)較多的片層狀珠光體(如圖1)所致。鍛造后正火再等溫淬火的試樣硬度值隨著等溫溫度的升高而略有降低，可能是隨等溫溫度升高試樣中的上貝氏體組織增多的原因。

鑄態(tài)試樣和鍛造后正火再等溫淬火的試樣沖擊功的變化如圖3b)。由圖可知，無論是鑄態(tài)還是鍛造、正火后等溫淬火的試樣，均表現(xiàn)出隨著等溫溫度的升高其沖擊功逐漸增大的規(guī)律。與鑄態(tài)(沖擊功為3.5J)及鑄態(tài)等溫淬火試樣比較，鍛造、正火后等溫淬火的試樣的沖擊功有所提高，但是沖擊功仍然偏低，最高值僅為6.3J。對比圖1、圖2可知，鍛造、正火后等溫淬火可打碎共晶碳化物，獲得斷續(xù)分布的組織結(jié)構(gòu)，利于改善試樣的沖擊韌性。但破碎的共晶碳化物仍然沿晶界分布，割裂組織的現(xiàn)象仍然存在。若進一步增加鍛造比，充分破碎共晶碳化物，同時改變其沿晶界分布的結(jié)構(gòu)，將有可能進一步提高材料的韌性。

2.3 斷 口

圖4為不同狀態(tài)試樣沖擊斷口的掃描電鏡觀察形貌。鑄態(tài)試樣的斷口具有明顯的解理河流花樣特征，其微觀特征是極平坦的鏡面。鑄態(tài)試樣等溫淬火后和經(jīng)鍛造后正火再等溫淬火處理的試樣則可以看見明顯的脆性沿晶斷裂，斷口附近沒有宏觀的塑性變形跡象，斷口一般與主應力垂直，表面平齊，邊緣沒有剪切唇。宏觀斷口呈細瓷狀，較亮，在光線照射下可以看到閃閃發(fā)亮的小晶面。微觀斷口在掃描電鏡下為冰糖狀，晶界面清潔、光滑，界面棱角清晰，多面體感強。這是典型的脆性斷口特征，沖擊時裂紋沿晶迅速擴展而斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，因而試驗中的試樣沖擊韌性整體不高。

3 結(jié) 論

1)鑄態(tài)試樣的組織存在沿晶界連續(xù)網(wǎng)狀分布的塊狀共晶碳化物，鍛造、正火后再進行等溫淬火處理，共晶碳化物破碎為細小的顆粒狀，并斷續(xù)分布于晶界。

2)鑄態(tài)試樣經(jīng)鍛造、正火后再等溫淬火的處理工藝，硬度可提高10～12HRC，沖擊功可提高1.2-2.8J。

3)試樣經(jīng)鍛造、正火后900℃奧氏體化保溫30min，330℃等溫淬火45min時綜合性能最佳，其硬度為HRC52，沖擊韌性可達到5.7J。

參考文獻:

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