熱處理工藝對高鉻鑄鐵組織及性能的影響分析

高建輝 范軻

摘 要： 在各種工業材料中，高鉻鑄鐵以其優越的抗磨性能與良好的韌性，在國內外工業生產中得到了廣泛的應用。鉻可以使共晶碳化物的特性發生改變，改善碳化物自身的形態，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，在生產過程中設計出科學的熱處理技術，通過一系列試驗分析沖擊韌性與硬度、熱處理技術與成分、冷卻組織與速度之間的關系，以形成理論上的支持。

關鍵詞： 熱處理工藝；高鉻鑄鐵組織；性能；影響

二十世紀初，隨著世界工業化水平的不斷提升，所采用的耐磨材料也進行了更新換代，由過去的白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵以及高錳鋼鑄鐵逐步過度到鉻系白口鑄鐵。近年來，工業生產對鑄鐵工藝提出了越來越高的要求，使鑄鐵技術面臨巨大的發展壓力。國內外眾多專業技術人員對鉻系白口鑄鐵做了深入研究，并根據有關的熱處理工藝，實現了材料性能的持續提升。鉻系白口鑄鐵當前在礦山施工與物料粉碎等方面能夠發揮重要作用，可以成功替代低合金鋼、耐磨鍛鋼以及中錳球鐵等材質，廣泛應用于生產鄂板、磨球等部件。高校研究院根據液液、固液等材料復合工藝，把鉻系白口鑄鐵和多種合金材料進行了完美的符合，使鉻系白口鑄鐵所具有的良好耐磨性能得到了充分發揮，進一步降低了工業生產對材料韌性方面的要求。在鉻系白口鑄鐵中，熱處理技術與鉻碳比是影響其性能的關鍵因素。所以對鉻元素的化學與物理作用進行研究，并結合熱處理工藝進一步發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處理手段，通過中頻爐設備充分熔煉高鉻鑄鐵，利用中頻爐設備進行調控、物理澆注等操作，對熱處理工藝對高鉻鑄鐵組織及性能的影響進行了整體分析。

一、實驗材料與方法

為了使高鉻鑄鐵突出的力學性能得到充分保留，一般結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需要，實驗成分中的Cr檢測指標各為12%、14%、16%，其中C含量為2.9%～3.3%。本次實驗所選用的設備為GW系列中頻無鐵芯感應電爐，在完成熔煉技術處理后，把最后的試樣置于SX2系列箱式熱反應器內完成熱處理操作。通過HR系列洛氏硬度計測試生產材料自身的宏觀硬度，利用ZBC系列全自動金屬擺錘沖擊試驗機檢測來獲取實際沖擊韌性值，最后利用光學電子顯微鏡觀察生產材料中的顯微組織。

二、實驗結果及分析

1.高鉻鑄鐵中的微觀組織

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

2.熱處理工藝對高鉻鑄鐵組織的影響

鑄態組織進行加熱處理形成奧氏體化后，在熱處理技術條件發生改變的情況下，奧氏體基體內所含有的二次碳化物與過飽和合金元素全部析出，造成奧氏體自身穩定性下降，逐漸變為馬氏體，在材料基體硬度得到提升的同時，還有效減弱了白口鑄鐵所承受的沖擊韌性。從實驗過程能夠發現，鑄態組織中所含有的網狀碳化物成分已經完全消失，而且碳化物尖角也出現了明顯變化，從形狀上來看，鑄件已經基本成塊狀，有效降低了基體所產生的割裂作用，對提升鑄鐵沖擊韌性具有積極的作用，這些反應表明經過熱處理之后所具有的沖擊韌性要明顯好于鑄態組織。

高鉻鑄鐵接受淬火技術處理后，主要有以下幾種變化：①高鉻鑄鐵接受淬火技術處理后，基體組織會發生由奧氏體向馬氏體的轉變，但是因為馬氏體的轉變無法徹底完成，依舊會剩余部分奧氏體，這些材料中會析出一定份量的二次碳化物，該組織配合會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、熱處理工藝對高鉻鑄鐵力學性能產生的影響

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，在接受淬火技術處理后實現了向馬氏體的轉變，材料本身的硬度大幅增加。此外，結合F.Maratry所給出的回歸方程式：12.33×（%C）+0.55×（%Cr）-15.2=碳化物（%），對各試樣含碳量進行檢測，算出的占比百分數各為：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，結合鉻碳比會對碳化物形成產生一定影響的規律考慮，依據實驗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，在實驗過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，從而使馬氏體發生轉變的初始溫度Ms有一定的提高，最終產生二氧碳化物成彌散狀態分布的全馬氏體基體組織。在這次實驗中并沒有添加Cr、Mo等任何元素，但是并沒有對材料所具有的淬透性產生影響，原因在于試樣材料截面面積比較小，反應發生率低，這些問題將在今后的實驗研究中進行再次驗證。

總結：

近年來，工業生產對鑄鐵工藝提出了越來越高的要求，使鑄鐵技術面臨巨大的發展壓力。鉻系白口鑄鐵憑借其顯著優勢，在礦山施工與物料粉碎等方面能夠發揮重要作用，廣泛應用于生產鄂板、磨球等部件。在鉻系白口鑄鐵中，熱處理技術與鉻碳比是影響其性能的關鍵因素。高鉻鑄鐵在接受淬火技術處理后，會產生洛氏硬度非常高的馬氏體基體組織，以及成彌散狀態分布的M7C3型碳化物，可以有效降低碳化物對材料沖擊韌性所產生的影響。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，這些物質狀態呈條塊狀。在實驗過程中沒有添加Mo、Cu等任何元素，但是并沒有影響實驗材料的淬透性。

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