變質(zhì)處理提升中鉻鑄鐵材料性能

蘇 偉，張華聰

(國家電投集團重慶合川發(fā)電有限公司，重慶 401536)

由于鉻能有效改變白口鑄鐵的組織和性能，顯著提高材料的抗磨能力，且鉻資源相對豐富，價格適中，多年來，國內(nèi)外的科研人員對鉻白口鑄鐵進行了大量的研究[1]。目前，鉻白口鑄鐵在電力、礦山、水泥等重工業(yè)部門都得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。高鉻鑄鐵是目前國內(nèi)外使用最為廣泛的耐磨鑄鐵，但制造成本較高。中鉻鑄鐵由于鉻含量較高鉻鑄鐵偏低，因此成本優(yōu)勢較為明顯，是諸如球磨機襯板等常用的材料。但中鉻鑄鐵碳化物大多為MC3型碳化物，材料的耐磨性、韌性較高鉻鑄鐵都有較大幅度降低[5]，這在一定程度上限制了中鉻鑄鐵的應(yīng)用范圍。添加變質(zhì)劑改善鉻白口鑄鐵的組織，是提高其性能的常用手段。本文對中鉻鑄鐵Cr6進行復(fù)合變質(zhì)處理后，針對變質(zhì)處理對其組織和性能的影響進行了研究。

1 試驗材料及方法

原材料為CrMoMnTi合金，利用KGPS-1000型中頻熔煉爐進行熔煉，澆注溫度為1 480～1 520 ℃。采用稀土硅、鈦鐵為變質(zhì)劑，變質(zhì)處理為鋼水沖包。鑄造后的熱處理工藝：900 ℃加熱保溫2 h后用環(huán)保淬火液淬火，360 ℃回火。未經(jīng)變質(zhì)處理的對比材料除不添加變質(zhì)劑，其他工藝均與變質(zhì)處理的相同。Cr6的化學(xué)成分如表1所示。

表1 中鉻鑄鐵Cr6的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

從澆注好的Cr6鑄錠上截取部分并將其加工成相應(yīng)的試樣。其中磨損試樣的規(guī)格：30 mm×25.5 mm×10 mm，沖擊試樣為按《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229—2010)加工的標準U型缺口試樣，拉伸試樣直徑d0=5 mm，標距L0=25 mm。

利用MLG-130B型干砂橡膠輪磨損試驗機對Cr6變質(zhì)前后的兩種試樣進行耐磨性檢測，測試條件：橡膠輪轉(zhuǎn)速200 r/min，橡膠輪直徑 176 mm，橡膠輪硬度 60(邵爾硬度)，磨料為40～70目石英砂，磨料流量約460 g/min，載荷130 N，磨損時間 10 min，橡膠輪總轉(zhuǎn)數(shù)約2 000轉(zhuǎn)。磨損試樣(橫截面)經(jīng)磨光、拋光后，用4%的硝酸酒精侵蝕，用Motic(K400LED)型光學(xué)金相顯微鏡(OM)、S-3400型電子顯微鏡(SEM)對其顯微組織進行觀察與分析。利用OLYMPUS DSX510型超景深顯微鏡觀察磨損形貌。利用TH903型多功能硬度計和HV-1000型顯微維氏硬度計測試試樣的硬度。沖擊韌性使用JB-300B型沖擊試驗機測試，利用DNS100型電子萬能試驗機按《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)進行室溫拉伸試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 變質(zhì)處理對顯微組織的影響

圖1所示為中鉻鑄鐵Cr6變質(zhì)前后的光學(xué)顯微照片，其組織均為回火屈氏體和共晶碳化物。從圖中可以看出，變質(zhì)前組織多為粗大的樹枝晶，變質(zhì)后粗大的樹枝晶基本消失，組織明顯細化。圖2為變質(zhì)前后Cr6的掃描電鏡照片。不難發(fā)現(xiàn)，無論是變質(zhì)前還是變質(zhì)后，碳化物以顆粒狀沿初生奧氏體的晶界分布。由于變質(zhì)處理后初生奧氏體細化，共晶碳化物分布的集中程度明顯降低，分布相對更為均勻。此外，從圖2還可以看出，由于共晶碳化物的沿晶界聚集，在后續(xù)淬火過程中出現(xiàn)了微裂紋，而變質(zhì)前的試樣的微裂紋更多，也更為連續(xù)。

圖1 中鉻鑄鐵Cr6變質(zhì)前后光學(xué)顯微照片

圖2 變質(zhì)前后Cr6的掃描電鏡照片

2.2 變質(zhì)處理對耐磨料磨損性能的影響

圖3所示為變質(zhì)前后的Cr6鑄鐵的磨損率和相對耐磨性。經(jīng)過變質(zhì)處理，Cr6的耐磨性有所提高。磨損率由變質(zhì)前的9.63 g/h降為8.89 g/h。圖4為磨損形貌照片，可以看出，無論是變質(zhì)前還是變質(zhì)后，磨損表面均十分光滑，磨損形貌主要表現(xiàn)為犁溝，其磨損機理為微切削。硬度檢測結(jié)果表明，變質(zhì)前后材料的硬度分別為54.3 HRC和57.3 HRC，略有提升。這是材料耐磨性提高的主要原因。

圖3 Cr6變質(zhì)前后的耐磨性對比

圖4 變質(zhì)前后Cr6橡膠輪磨損試驗后的表面磨損形貌

2.3 變質(zhì)處理對沖擊韌性的影響

表2所示為變質(zhì)前后Cr6的沖擊試驗結(jié)果，從表中可以看到，變質(zhì)處理后Cr6沖擊韌性提高了22.7%。斷口形貌表明，變質(zhì)前后的沖擊斷口均為典型的解理斷口(如圖5所示)。事實上，從圖1至圖2可以看出，變質(zhì)前組織存在粗大的樹枝晶，碳化物沿著晶界集中析出，對基體有明顯的割裂作用。另一方面，變質(zhì)前由碳化物沿晶界集中析出導(dǎo)致的淬火微裂紋也更多更連續(xù)，這也是變質(zhì)前沖擊韌性較低的原因。此外，在變質(zhì)前的沖擊斷口上，還發(fā)現(xiàn)了少量的石墨(如圖6所示)，這是降低材料韌性的又一原因。

表2 中鉻鑄鐵Cr6變質(zhì)前后的沖擊韌性

圖5 變質(zhì)前后Cr6的沖擊斷口形貌

圖6 變質(zhì)前Cr6的沖擊斷口能譜分析

2.4 變質(zhì)處理對抗拉強度的影響

拉伸試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)前后的Cr6抗拉強度分別為1 192.85 MPa和979.02 MPa，變質(zhì)后抗拉強度明顯降低。二者的延伸率均近似為零，為脆性斷裂。從斷口的掃描電鏡照片發(fā)現(xiàn)，變質(zhì)前拉伸斷口的每個小斷裂面多為解理斷裂，但最后殘余連接部分的撕裂區(qū)域存在大量的韌窩，表現(xiàn)為典型的準解理斷裂，而變質(zhì)后Cr6的拉伸為典型的解理斷裂(如圖7、圖8所示)。此外，在變質(zhì)后的Cr6拉伸斷口上，可觀察到明顯的沿晶斷裂區(qū)域，這也是造成其拉伸強度降低的重要原因(如圖9所示)。

圖7 變質(zhì)前Cr6的拉伸斷口形貌

圖8 變質(zhì)后Cr6的拉伸斷口形貌

圖9 變質(zhì)后Cr6的拉伸斷口中的沿晶斷裂區(qū)域

3 結(jié)論

利用稀土硅、鈦鐵對Cr6型中鉻鑄鐵進行變質(zhì)處理，可有效細化材料的組織，提高材料的沖擊韌性和耐磨料磨損性能。

經(jīng)稀土硅、鈦鐵變質(zhì)處理后的Cr6型中鉻鑄鐵抗拉強度較變質(zhì)前有所降低。