亞臨界處理對高鉻鑄鐵組織及性能的影響

鐘運澤，邵紅紅，彭發學，鐘榮玥

(江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮江 212013)

高鉻鑄鐵作為抗磨材料，在建材、礦山等領域中有著廣泛的應用［1－4］。目前大多數的高鉻鑄鐵是在鑄態下直接使用，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碳化物脫落導致工件不耐磨的現象。雖然適當的熱處理可以改善高鉻鑄鐵的組織和使用性能，但相變點以上的熱處理對導熱性能較差的高鉻鑄鐵來說很容易產生變形與開裂。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。本文通過成分設計制備了新型的高鉻鑄鐵，并系統研究了亞臨界處理工藝參數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基礎。

1 新型高鉻鑄鐵成分設計及制備

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，細化晶粒。高鉻鑄鐵的熔煉在GWJ0.05-100-1中頻感應熔煉爐中進行，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。化學成分見表1，鑄態顯微組織見圖1。鑄態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 高鉻鑄鐵的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of high chromium cast iron(ω，%)

圖1 高鉻鑄鐵鑄態金相組織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。試樣經粗磨、細磨及拋光后，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為相應溫度下的硬度值。圖2顯示，經過亞臨界處理后，高鉻鑄鐵的組織中白色枝晶區(初生奧氏體)有細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，這一結果與文獻［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域的微觀組織。由圖4可以看出，高鉻鑄鐵經600℃亞臨界處理保溫6 h后的二次碳化物細小呈顆粒狀彌散分布，此時，軟的殘余奧氏體基體對細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，二次碳化物發生較明顯的聚集長大現象，部分碳化物脫落如圖4(d)。硬度結果(見表3)也說明高鉻鑄鐵在600℃保溫6 h時，硬度出現峰值，當M23C6型二次碳化物發生聚集長大時，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。結果表明，高鉻鑄鐵的耐磨性隨著硬度的增加而提高。這一規律符合摩擦學原理，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600℃×6 h亞臨界處理的高鉻鑄鐵無論枝晶區，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(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 結論

1)新型高鉻鑄鐵鑄態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，最高達到690 HV。

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

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