淬火回火工藝對高碳熱磨片顯微組織及耐磨性的影響

王松 張衛紅 周嘯穎 王建剛

摘 要： 為了解決熱磨片服役過程中出現的磨損失效問題，對高碳熱磨片在淬火回火過程中的顯微組織變化及耐磨性進行了研究。以高鉻高碳鑄鐵為研究對象，利用金相顯微鏡、X射線衍射儀、硬度計、磨損試驗機等對經過熱處理后的樣品進行組織觀察和性能測試。實驗結果表明：樣品原始組織由初生（Cr，Fe）7C3、共晶（Cr，Fe）7C3、馬氏體及奧氏體組成;低溫回火時，碳化物變化不明顯，基體為回火馬氏體+奧氏體;隨著回火溫度的升高，碳化物逐漸增加，回火馬氏體逐漸減少;當溫度超過450 ℃時，回火馬氏體消失，基體組織轉變為鐵素體+奧氏體;硬度隨回火溫度的升高呈現先略微減小、然后增大再減小的趨勢，在450 ℃時硬度最高，為63.4HRC;與鑄態相比，均勻分布的碳化物耐磨性提高了2.53倍。研究淬火回火工藝對高碳熱磨片顯微組織及耐磨性的影響，為提高高碳熱磨片的耐磨性、延長其使用壽命提供了理論依據。

關鍵詞： 黑色金屬及其合金;高鉻鑄鐵;熱處理;組織轉變;碳化物;磨損性能

中圖分類號：TG163文獻標識碼： A

doi：10.7535/hbkd.2020yx06008

Effect of quenching and tempering processes on microstructure and

wear resistance of high-carbon hot grinding disc

WANG Song1，2， ZHANG Weihong3， ZHOU Xiaoying1，2， WANG Jiangang1，2

（1.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China;2. Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3.Hebei Qianjin Machinery Factory， Shijiazhuang， Hebei 050035， China）

Abstract：

In order to solve the problem of wear failure during the service of the hot grinding discs， the microstructure changes and wear resistance of high-carbon hot grinding discs during quenching and tempering were investigated. Taking high chromium high carbon cast iron as the research object， the microstructure and performance of the heat-treated specimen were studied by means of metallographic microscope， X-ray diffraction， hardness tester and wear tester. The results show that the original microstructure consists of primary （Cr，Fe）7C3， eutectic （Cr，Fe）7C3， martensite and austenite. When tempering at a lower temperature， the carbides are not obviously changed and the matrix is tempered martensite and austenite; with the increase of temperature， the carbides gradually increases and the tempered martensite gradually decreases; the tempered martensite disappears and the matrix microstructure changes to ferrite and austenite over 450 ℃. The hardness first decreases slightly， then increases and finally decreases， and the maximum value is 63.4HRC at 450 ℃. The wear resistance of uniformly distributed carbides is increased by 2.53 times. The results of the effect of quenching and tempering process on the microstructure and wear resistance of high-carbon hot grinding disc provide a theoretical basis for improving the wear resistance and service life of high-carbon hot grinding disc.

Keywords：ferrous metal and its alloy; high-chromium cast iron; heat treatment; microstructure change; carbide; wear performance

木材粉碎過程中所使用的熱磨片通常采用高耐磨的高鉻鑄鐵制作，該部件屬于易損件，在服役過程中受到溫度、交變載荷、酸性介質、木材中夾雜的硬質顆粒等影響，會導致零件因磨損而失效。熱磨片使用壽命的縮短會提高成本，降低效率，增加能耗，直接影響纖維板制造行業的經濟效益[1-4]。

目前，市場上使用的熱磨片含碳量為2.5%～3.3%（質量分數，下同），硬度為55～65 HRC，常在鑄態下直接使用，服役過程中易發生碳化物剝落，嚴重影響其耐磨性和使用壽命[5-6]。研究表明，除基體外，碳化物的數量、形態及大小對耐磨性的影響也較為顯著[7-9]。碳化物量的增加可以提高材料硬度，提升磨損性能[10-11]。鄧進俊等[12]發現，增加碳化物的析出量能夠提高顯微組織硬度，與鑄態相比，磨損量減少了35%。提高含碳量可以增加碳化物量，但是碳化物超過一定量后會以網狀析出，割裂基體，導致耐磨性降低[13]。碳化物的形態可由熱處理進行調控[14-15]。WIENGMOON等[16]發現，將高鉻鑄鐵在奧氏體化溫度保溫一定時間，二次碳化物會以點狀、方形狀析出。毛雙亮等[17]研究發現，初生奧氏體中析出的二次碳化物顆粒的大小會隨著淬火溫度的變化而改變，溫度高時顆粒較大，溫度低時顆粒較小。張瑞娜等[18]通過調整28Cr-3.37C高鉻鑄鐵的回火溫度，發現在510 ℃時碳化物呈彌散細小分布，此時的綜合性能較好，溫度升高時碳化物會發生聚集和長大。

為了提高高碳熱磨片的抗磨損性能，本文擬以含碳量達到4%以上的高鉻高碳鑄鐵為研究對象，采用不同熱處理工藝對高碳熱磨片在淬火回火過程中的顯微組織變化及耐磨性進行研究，并對碳化物的形態進行調控，避免網狀碳化物的析出。

1 實驗材料及方法

高鉻高碳鑄鐵的化學成分見表1。將試樣線切割成10 mm×10 mm×10 mm的方形試樣。采用KSL-1400X型熱處理爐進行熱處理，控溫精度為±1 ℃。將試樣分別加熱到980，1 000，1 020和1 050 ℃，保溫2 h后空冷，分析不同淬火溫度下的組織變化。對淬火后組織和性能較好的樣品，分別在250，350，450和550℃進行回火，保溫3 h空冷。采用VERTA1型德國蔡司金相顯微鏡進行微觀組織觀察，采用HR-45型洛氏硬度計進行硬度測量，載荷為150 N，加載時間為10 s。采用MMW-1型萬能摩擦磨損試驗機進行磨損試驗，磨件為外貼240號SiC砂紙的45號鋼圓環，實驗力為30 N，轉速為120 r/min，時間為3 min。試樣在磨損前后都要進行超聲波清洗、吹干并稱重，計算磨損前后質量損失。采用VEGA3鎢絲掃描電鏡觀察磨損面，觀察前對磨損面進行清洗。

2 結果與討論

2.1 高鉻高碳鑄鐵顯微組織及失效分析

圖1為試驗材料的原始組織及XRD衍射圖。由圖1可知，該高鉻高碳鑄鐵組織由初生碳化物（Cr，Fe）7C3（六方形）、共晶碳化物（Cr，Fe）7C3、馬氏體及殘余奧氏體（黑色部分）組成。當鉻含量超過27%時，材料共晶點的含碳量由4.3%降低到2.9%左右[12]，因此該成分的合金屬于過共晶合金。較高的含碳量使初生碳化物的數量較多，平均尺寸約為48.3 μm，在初生碳化物的周圍出現菊花狀的共晶碳化物[19]。

為了研究熱磨片服役過程中的磨損行為，在高溫（70～80 ℃）、酸性（pH值為4～5）、高濕、密閉環境下，以1 500 r/min的轉速，對由高鉻高碳鑄鐵所制備的熱磨片磨削木材20 d后的表面形貌進行掃描電鏡觀察，結果如圖2所示。

由圖2可以看出，磨損表面劃痕較多，在高倍鏡下發現了碳化物的剝落坑，并出現少部分裂紋。采用熱磨片粉碎木材時，木材中會夾雜著SiO2等硬質顆粒，表面摩擦時，在一定壓力下這些顆粒一方面會對磨片表面進行切削，出現磨粒磨損，產生溝痕;另一方面，這些顆粒與木材混合，轉動時會對磨片表面進行反復沖擊，出現疲勞磨損，產生裂紋。初生碳化物出現折斷和剝落的原因是硬質顆粒在高壓力下“刻入”碳化物，而碳化物的硬度高，韌性較差，在進行移動時，磨粒給予碳化物的壓力很難通過形變進行釋放;另外，基體為奧氏體，硬度較低，對碳化物支撐作用較弱，產生崩斷現象[20]。

2.2 淬火溫度對高鉻高碳鑄鐵組織及硬度的影響

圖3為不同淬火溫度下的高鉻高碳鑄鐵的顯微組織。由圖3可知，淬火后的基體組織均由馬氏體和奧氏體組成。隨著淬火溫度的升高，初生碳化物的形態并未發生明顯變化，而共晶碳化物的形態變化明顯，數量下降。溫度升高，共晶碳化物中的碳和合金元素會熔于奧氏體中，淬火后得到的馬氏體含碳量較高，從而產生晶格畸變，使衍射峰向左略微偏移，如圖4所示。XRD圖譜顯示，溫度超過1 000 ℃時，由于奧氏體中溶入較多的碳和合金元素，使得奧氏體的穩定性增加，Ms點降低。在連續轉變過程中，奧氏體轉變為馬氏體的量減少，更多奧氏體得以保留，衍射峰增強。

圖5為不同淬火溫度后高鉻高碳鑄鐵的硬度變化曲線。由圖5可知，硬度隨溫度的升高先上升后下降，在1 000 ℃硬度最大。由組織分析可知，硬度上升主要是由于馬氏體中的含碳量增加，得到較硬的高碳馬氏體;硬度下降是由于Ms點降低，組織中的殘余奧氏體量增加。

2.3 回火溫度對高碳高鉻鑄鐵組織和性能的影響

通過對不同淬火溫度的研究發現，在1 000 ℃下試樣的硬度較高，整體性能較好。圖6為該溫度下試樣不同回火后的顯微組織。用ProImaging軟件測定腐蝕后不同回火溫度的碳化物體積分數，結果如圖7所示。回火過程主要是馬氏體的分解、鉻的碳化物析出以及殘余奧氏體轉變。隨著回火溫度的升高，基體由馬氏體+奧氏體逐漸轉變為α-Fe+殘余奧氏體;由于馬氏體分解，初生碳化物和共晶碳化物產生的熔斷呈增長趨勢，并均勻彌散分布在基體上。溫度過高時，二次碳化物團聚并長大，由原來顆粒狀、針狀變為長條狀、塊狀。圖8為不同回火溫度試樣的XRD 曲線。由圖8可以看出，在250 ℃時，主要由馬氏體、M7C3、殘余奧氏體組成;隨著回火溫度升高至450 ℃，馬氏體衍射峰明顯降低，同時α-Fe相和M7C3衍射峰升高;當回火溫度達到550 ℃時，合金主要由α-Fe，M7C3及殘余奧氏體相組成，與上述組織轉變過程一致。

圖9為不同回火溫度后試樣硬度的變化曲線。由圖9可以看出，硬度呈現先略微下降然后上升再下降的趨勢。隨著碳化物的析出，回火馬氏體的碳含量降低，硬度下降，在350 ℃時碳化物分布不太均勻，彌散強化效果略低于組織硬度的降低，兩者綜合后使得硬度略微降低;回火溫度升高，碳化物均勻分布并對硬度起主導作用，使得硬度升高;在550 ℃基體轉變為α-Fe+奧氏體，致使硬度急劇降低。

2.4 耐磨性能測試

對回火后的試樣進行磨損試驗，結果如表2所示，其中相對耐磨倍率[21]β=鑄態試樣磨損失重熱處理后試樣磨損失重。

由表2可知，單位面積磨損失重隨著回火溫度的升高呈現先下降后上升的趨勢，在450 ℃時最小值為0.133 mg/mm2，此時β值最大（2.53）;與已有報道的中碳高鉻鑄鐵相比[21]，相對耐磨倍率得到提高;硬度值為63.4HRC，達到國家標準要求（57.5HRC以上）[1]。

試樣的磨損表面形貌如圖10所示。隨著回火溫度的升高，碳化物逐漸增加且均勻分布，對基體的保護作用增強，從而使溝痕逐漸變淺，碳化物剝落坑變少。當溫度增加到550 ℃時，基體轉變為α-Fe和殘余奧氏體，與碳化物的硬度相差較大，磨損時易導致碳化物剝落，耐磨性降低。

3 結 論

1）高鉻高碳鑄鐵組織由初生碳化物（Cr，Fe）7C3、共晶碳化物（Cr，Fe）7C3、馬氏體及殘余奧氏體組成，經過1 000 ℃×2 h+450 ℃×3 h熱處理后，組織由M7C3型碳化物、回火馬氏體、少量殘余奧氏體組成。通過熱處理調控，碳化物含量提高到38.86%，均勻分布，基體組織得到改善。

2） 高碳熱磨片在工作條件下的失效形式主要為磨粒磨損，并伴有疲勞磨損。

3） 隨著淬火溫度的升高，高鉻高碳鑄鐵的硬度呈現先上升、后下降的趨勢，在1 000 ℃達到最高值60.7HRC;1 000 ℃淬火后，隨著回火溫度的升高，高鉻高碳鑄鐵的硬度先略微下降再升高后下降，在450 ℃達到最高值63.4HRC;隨著回火溫度的升高，耐磨性先增加、后減少，在450 ℃耐磨性達到最佳，相較于鑄態提高了2.53倍。

4） 本文在碳化物對磨損性能提升量化方面的研究還存在不足之處，下一步需要在此方面進行深入探討。

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