熱處理工藝對(duì)高鉻鑄鐵組織及性能的影響分析

高建輝 范軻

摘 要： 在各種工業(yè)材料中，高鉻鑄鐵以其優(yōu)越的抗磨性能與良好的韌性，在國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。鉻可以使共晶碳化物的特性發(fā)生改變，改善碳化物自身的形態(tài)，提高硬度，不斷提升鑄鐵的耐磨性與韌性。為了不斷提升高鉻鑄鐵的性能，在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)計(jì)出科學(xué)的熱處理技術(shù)，通過(guò)一系列試驗(yàn)分析沖擊韌性與硬度、熱處理技術(shù)與成分、冷卻組織與速度之間的關(guān)系，以形成理論上的支持。

關(guān)鍵詞： 熱處理工藝；高鉻鑄鐵組織；性能；影響

二十世紀(jì)初，隨著世界工業(yè)化水平的不斷提升，所采用的耐磨材料也進(jìn)行了更新?lián)Q代，由過(guò)去的白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵以及高錳鋼鑄鐵逐步過(guò)度到鉻系白口鑄鐵。近年來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)鑄鐵工藝提出了越來(lái)越高的要求，使鑄鐵技術(shù)面臨巨大的發(fā)展壓力。國(guó)內(nèi)外眾多專業(yè)技術(shù)人員對(duì)鉻系白口鑄鐵做了深入研究，并根據(jù)有關(guān)的熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)了材料性能的持續(xù)提升。鉻系白口鑄鐵當(dāng)前在礦山施工與物料粉碎等方面能夠發(fā)揮重要作用，可以成功替代低合金鋼、耐磨鍛鋼以及中錳球鐵等材質(zhì)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)鄂板、磨球等部件。高校研究院根據(jù)液液、固液等材料復(fù)合工藝，把鉻系白口鑄鐵和多種合金材料進(jìn)行了完美的符合，使鉻系白口鑄鐵所具有的良好耐磨性能得到了充分發(fā)揮，進(jìn)一步降低了工業(yè)生產(chǎn)對(duì)材料韌性方面的要求。在鉻系白口鑄鐵中，熱處理技術(shù)與鉻碳比是影響其性能的關(guān)鍵因素。所以對(duì)鉻元素的化學(xué)與物理作用進(jìn)行研究，并結(jié)合熱處理工藝進(jìn)一步發(fā)揮鉻元素的作用顯得非常重要。

本文主要采用改變鉻含量的技術(shù)處理手段，通過(guò)中頻爐設(shè)備充分熔煉高鉻鑄鐵，利用中頻爐設(shè)備進(jìn)行調(diào)控、物理澆注等操作，對(duì)熱處理工藝對(duì)高鉻鑄鐵組織及性能的影響進(jìn)行了整體分析。

一、實(shí)驗(yàn)材料與方法

為了使高鉻鑄鐵突出的力學(xué)性能得到充分保留，一般結(jié)合鐵碳相圖選擇亞共晶成分，目的就是確保加工材料的韌性符合生產(chǎn)需要，實(shí)驗(yàn)成分中的Cr檢測(cè)指標(biāo)各為12%、14%、16%，其中C含量為2.9%～3.3%。本次實(shí)驗(yàn)所選用的設(shè)備為GW系列中頻無(wú)鐵芯感應(yīng)電爐，在完成熔煉技術(shù)處理后，把最后的試樣置于SX2系列箱式熱反應(yīng)器內(nèi)完成熱處理操作。通過(guò)HR系列洛氏硬度計(jì)測(cè)試生產(chǎn)材料自身的宏觀硬度，利用ZBC系列全自動(dòng)金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)來(lái)獲取實(shí)際沖擊韌性值，最后利用光學(xué)電子顯微鏡觀察生產(chǎn)材料中的顯微組織。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.高鉻鑄鐵中的微觀組織

高鉻鑄鐵所具有的鑄態(tài)組織結(jié)合冷卻與加熱條件的差異，能夠形成多種形態(tài)的產(chǎn)物，本次試驗(yàn)中，Cr12高鉻鑄鐵所形成的鑄態(tài)組織是碳化物+初生奧氏體，碳化物包含兩種，即共晶碳化物與塊狀M7C3型，每一共晶團(tuán)中所包含的碳化物均呈菊花瓣?duì)?，相鄰之間隔有基體組織；Cr14高鉻鑄鐵所形成的鑄態(tài)組織是碳化物+奧氏體，碳化物為M7C3型；Cr16高鉻鑄鐵所形成的鑄態(tài)組織是碳化物+奧氏體基體，碳化物為M7C3型。

2.熱處理工藝對(duì)高鉻鑄鐵組織的影響

鑄態(tài)組織進(jìn)行加熱處理形成奧氏體化后，在熱處理技術(shù)條件發(fā)生改變的情況下，奧氏體基體內(nèi)所含有的二次碳化物與過(guò)飽和合金元素全部析出，造成奧氏體自身穩(wěn)定性下降，逐漸變?yōu)轳R氏體，在材料基體硬度得到提升的同時(shí)，還有效減弱了白口鑄鐵所承受的沖擊韌性。從實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)組織中所含有的網(wǎng)狀碳化物成分已經(jīng)完全消失，而且碳化物尖角也出現(xiàn)了明顯變化，從形狀上來(lái)看，鑄件已經(jīng)基本成塊狀，有效降低了基體所產(chǎn)生的割裂作用，對(duì)提升鑄鐵沖擊韌性具有積極的作用，這些反應(yīng)表明經(jīng)過(guò)熱處理之后所具有的沖擊韌性要明顯好于鑄態(tài)組織。

高鉻鑄鐵接受淬火技術(shù)處理后，主要有以下幾種變化：①高鉻鑄鐵接受淬火技術(shù)處理后，基體組織會(huì)發(fā)生由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，但是因?yàn)轳R氏體的轉(zhuǎn)變無(wú)法徹底完成，依舊會(huì)剩余部分奧氏體，這些材料中會(huì)析出一定份量的二次碳化物，該組織配合會(huì)將高鉻鑄鐵自身的硬度提升到HRC66以上；②高鉻鑄鐵接受淬火技術(shù)處理后，基體組織變成碳化物+馬氏體，碳化物包含兩種，即共晶碳化物與塊狀M7C3型碳化物，能夠把高鉻鑄鐵自身的硬度提升到HRC65以上。③高鉻鑄鐵接受淬火技術(shù)處理后，基體組織變成碳化物+馬氏體，碳化物包含兩種，即菊花狀共晶碳化物與塊狀M7C3型碳化物，能夠把高鉻鑄鐵自身的硬度提升到HRC66以上。

三、熱處理工藝對(duì)高鉻鑄鐵力學(xué)性能產(chǎn)生的影響

隨著高鉻鑄鐵中鉻元素含量的不斷增加，其洛氏硬度也隨之提升。淬火處理過(guò)程中的溫度變化增加了基體中所含有的溶碳量，在接受淬火技術(shù)處理后實(shí)現(xiàn)了向馬氏體的轉(zhuǎn)變，材料本身的硬度大幅增加。此外，結(jié)合F.Maratry所給出的回歸方程式：12.33×（%C）+0.55×（%Cr）-15.2=碳化物（%），對(duì)各試樣含碳量進(jìn)行檢測(cè)，算出的占比百分?jǐn)?shù)各為：Cr12-33.3%，Cr14-34.4%，Cr16-35.5%，各試樣材料中所含有的碳化物量是不斷增加的趨勢(shì)，結(jié)合鉻碳比會(huì)對(duì)碳化物形成產(chǎn)生一定影響的規(guī)律考慮，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所獲取的材料顯微組織，可以確定碳化物的基本類型是M7C3型

為了獲得更高的材料淬透性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一般加入大量合金元素，如Mo、Ms等，影響C曲線向右移動(dòng)，從而使馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變的初始溫度Ms有一定的提高，最終產(chǎn)生二氧碳化物成彌散狀態(tài)分布的全馬氏體基體組織。在這次實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有添加Cr、Mo等任何元素，但是并沒(méi)有對(duì)材料所具有的淬透性產(chǎn)生影響，原因在于試樣材料截面面積比較小，反應(yīng)發(fā)生率低，這些問(wèn)題將在今后的實(shí)驗(yàn)研究中進(jìn)行再次驗(yàn)證。

總結(jié)：

近年來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)鑄鐵工藝提出了越來(lái)越高的要求，使鑄鐵技術(shù)面臨巨大的發(fā)展壓力。鉻系白口鑄鐵憑借其顯著優(yōu)勢(shì)，在礦山施工與物料粉碎等方面能夠發(fā)揮重要作用，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)鄂板、磨球等部件。在鉻系白口鑄鐵中，熱處理技術(shù)與鉻碳比是影響其性能的關(guān)鍵因素。高鉻鑄鐵在接受淬火技術(shù)處理后，會(huì)產(chǎn)生洛氏硬度非常高的馬氏體基體組織，以及成彌散狀態(tài)分布的M7C3型碳化物，可以有效降低碳化物對(duì)材料沖擊韌性所產(chǎn)生的影響。鑄鐵基體組織所含有的碳化物通常為二次碳化物與初生碳化物，這些物質(zhì)狀態(tài)呈條塊狀。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有添加Mo、Cu等任何元素，但是并沒(méi)有影響實(shí)驗(yàn)材料的淬透性。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)于金屬材料與熱處理工藝的探討[J]. 李林. 化工設(shè)計(jì)通訊. 2016（12）.

[2]關(guān)于舉辦“關(guān)鍵零部件（齒輪、軸承）熱處理工藝技術(shù)培訓(xùn)”的通知[J]. 金屬熱處理. 2017（05）.

[3]德國(guó)工程師們?cè)鯓涌焖俚鼐幹聘咚降臒崽幚砉に嘯J]. 謝寶強(qiáng)，宗長(zhǎng)江，黃維. 金屬加工（熱加工）. 2017（11）.

[4]熱處理工藝對(duì)25CrMoRE鋼組織及性能的影響[J]. 石曉霞，張行剛，田偉. 包鋼科技. 2017（03）.

[5]特殊要求的12Cr1MoVR鋼板熱處理工藝研究[J]. 王青，秦紅新，管秀兵. 寬厚板. 2017（04）.