淬火溫度對高鉻合金組織及性能的影響探究

孔凡洪，何曉靜，錢兵羽

（黑龍江科技大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150020）

高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵之后逐漸發展起來的新一代耐磨材料，高鉻合金與普通合金鋼相比，其耐磨性能更優。與普通白口鑄鐵相比，高鉻鑄鐵的強韌性能、抗高溫和耐蝕性能也更加優異[1-2]。高鉻鑄鐵基于其優異的性能，成為礦上設備磨機襯板及錘式破碎機錘頭的主要材料，在采礦、磨坊、礦業和機械生產等行業中廣泛應用[3]。隨著時代發展，設備呈大型化發展趨勢，對襯板等材料的磨損及沖擊加劇，使其服役周期縮短，設備利用率降低，成本增加[4]。因此，在不增加原料成本的基礎上，進一步提高礦山設備的使用壽命具有重要的意義。同時，高鉻鑄鐵的工作壽命已成為礦山、水泥等行業衡量設備的重要指標，不斷提高高鉻鑄鐵的使用壽命已成為耐磨材料行業發展的必然趨勢。

通過調控高鉻鑄鐵的熱處理工藝來改善其組織和性能是提高耐磨材料使用壽命的辦法之一。呂遠[5]對Cr26 型球磨機襯板的熱處理工藝進行了探究，認為1 050 ℃×3 h 油冷+300 ℃×2 h 空冷為最優熱處理工藝，其硬度（HRC）為58。于洪軍[6]研究發現，亞共晶高鉻鑄鐵在900 ℃淬火+低溫回火后，碳化物發生球化，且彌散均勻，硬度和沖擊韌性均較高。熱處理過程中高鉻鑄鐵性能優化主要受碳化物形態、數量和分布狀態的影響。高鉻鑄鐵組織中碳化物形態以M3C、M7C3、M23C6為主，當Cr 等合金元素溶入到M7C3型碳化物時，其碳化物硬度最高，合金耐磨性最好[7]。不同碳化物對溫度的敏感性也不同，M3C型碳化物奧氏體化溫度在1 050～1 200 ℃，M7C3型碳化物奧氏體化溫度在950～1 150 ℃，M23C6型碳化物奧氏體化溫度在1 150～1 200 ℃。Amporn[8]也提出在900～1 100 ℃時，高鉻鑄鐵處于失穩狀態，將會形成二次碳化物沉淀，從而影響硬度，改善性能。綜上所述，通過優化熱處理工藝獲得了硬度和韌性良好配合的高鉻鑄鐵，為提高其使用壽命提供了可能性。因此，本文在不打破現有復合鑄造工藝的基礎上，通過優化熱處理工藝，探究不同淬火溫度對高鉻鑄鐵組織及性能的影響規律。

1 實驗材料及方法

實驗材料選用w（C）=2.91%，w（Cr）=22%，w（Mo）=0.8%，w（Ni）=1.1%的高鉻白口鑄鐵，且含有微量的B、Cu、Mn、Si、Re 元素，其他為Fe，鉻碳比約為7.4。

利用NH7720A 型精密數控線切割機床，將高鉻鑄鐵切割成10 mm×10 mm×55 mm 的沖擊試樣，10 mm×10 mm×15 mm 的熱處理工藝試樣若干。將熱處理試樣放入KSL-1200X 型箱式電阻爐，分別加熱到860 ℃、920 ℃、980 ℃、1 040 ℃、1 100 ℃，保溫時間均為3 h，采用空冷冷卻。利用Zeiss Axio Lab.A1金相顯微鏡、DX-2700B 型X 射線衍射儀進行高鉻鑄鐵的顯微組織及物相分析，采用擺錘式沖擊試驗機、HR-150 洛氏硬度計測試材料性能。沖擊韌性為3 組試樣所取平均值，硬度值為5 組數據所取平均值。

2 實驗結果

2.1 硬度

下頁圖1 為不同淬火溫度下的高鉻鑄鐵硬度曲線。從圖1 中可以看出，高鉻鑄鐵在不同淬火溫度保溫3 h，隨后空冷，得到其合金硬度均高于鑄態硬度，隨加熱溫度升高，硬度值先增加后減小。淬火溫度為860 ℃時，試樣平均硬度（HRC）為58.2（2 162 MPa），隨著淬火溫度的升高，硬度逐漸升高。淬火溫度1040 ℃時，試樣平均硬度值（HRC）最高，達到67.5（2 582.2 MPa）。淬火溫度繼續升高，硬度（HRC）下降至62.7（2365.3 MPa）。硬度為耐磨材料的重要性能指標，為保證高鉻鑄鐵具有較好的耐磨性，因此淬火溫度選擇1 040 ℃較為合適。

圖1 不同淬火溫度高鉻鑄鐵硬度曲線

2.2 沖擊韌性

高鉻鑄鐵在不同工況下均需承受一定的沖擊載荷，因此需要在保證高鉻鑄鐵高硬度的同時，要具有良好的沖擊韌性。表1 為高鉻鑄鐵不同淬火溫度沖擊韌性情況，鑄態試樣沖擊韌性為4.00 J/cm2，淬火溫度為980 ℃時，沖擊韌性仍為4.00 J/cm2，淬火溫度在1 040 ℃時，沖擊韌性為3.96 J/cm2。由實驗數據可知，淬火溫度變化對沖擊韌性無顯著影響，數值都在4 J/cm2左右。

表1 高鉻鑄鐵不同淬火溫度沖擊韌性 J/cm2

2.3 XRD 物相分析

圖2 為高鉻鑄鐵不同淬火溫度的XRD 圖。在不同熱處理保溫溫度下，組織主要由M3C、M7C3、M23C6碳化物、馬氏體以及殘余奧氏體相組成。由圖2 可知，淬火溫度為860 ℃時，組織中碳化物以M3C 型化合物為主，分別以Fe3C 及（Fe，Mo）3（B，C）形式存在。除碳化物外，還存在馬氏體及大量的殘余奧氏體。當淬火溫度升高至920 ℃時，碳化物形式發生變化，以M7C3型為主，存在Fe7C3、（Fe，Cr）7C3、（Fe，Cr，Mo）7C3多種形式。同時，殘余奧氏體衍射強度大大降低。淬火溫度繼續升高至980 ℃時，碳化物仍然以M7C3型為主，但（Fe，Cr，Mo）7C3碳化物衍射峰強度明顯增加。1 040 ℃時，碳化物為（Fe，Cr，Mo）7C3碳化物，同時馬氏體衍射峰逐漸寬化，呈現漫散峰，說明此時晶粒較細小。淬火溫度最高在1 100 ℃時，相組成發生了明顯變化，出現了M23C6型碳化物。綜上所述，隨著淬火溫度的升高，高鉻鑄鐵中碳化物存在形式M3C→M7C3→M23C6的轉變。

圖2 高鉻鑄鐵不同淬火溫度的XRD

2.4 顯微組織分析

下頁圖3 為不同淬火溫度下的高鉻鑄鐵金相顯微組織。亞共晶高鉻鑄鐵凝固組織由奧氏體、馬氏體及碳化物組成。組織中樹枝晶為初生奧氏體，隨后的空冷過程中，奧氏體將發生分解，形成馬氏體和碳化物，并保留部分殘余奧氏體。枝晶間主要是共晶組織組成，具體由共晶碳化物、奧氏體轉變產物和二次碳化物組成。淬火溫度為860 ℃時，組織較粗大，部分共晶組織形成以馬氏體為核心，碳化物成放射型的菊花狀組織，樹枝晶中出現大塊灰白色碳化物。920℃淬火時，樹枝晶及共晶組織明顯細化，并且共晶組織中菊花狀組織消失。980 ℃淬火時，共晶碳化物中出現集束狀碳化物。結合XRD 結果，此時的碳化物為M7C3型，M7C3型碳化物中含有大量層錯、孿晶等缺陷，缺陷致使碳化物[0001]方向生長速度遠大于側面[1010]方向，故生長成棒狀[10-11]。1 040 ℃淬火處理后，組織中依然存在集束狀碳化物，但是碳化物明顯都比980 ℃淬火組織細小。1 100 ℃淬火處理后，組織中集束狀碳化物消失，出現顆粒狀碳化物，結合XRD 分析，該組織可能為M23C6型碳化物。同時可以觀測到在顆粒狀碳化物周圍出現環形區域，該區域并非典型的共晶組織，判斷形成該組織的過程中可能存在伴生現象。

圖3 不同淬火溫度高鉻鑄鐵金相組織

3 實驗結果分析

隨著淬火溫度的升高，高鉻鑄鐵硬度出現先升高后降低趨勢。結合實驗數據，對其原因進行分析。

3.1 淬火溫度的影響

隨著淬火溫度的升高，碳化物類型存在M3C→M7C3→M23C6轉變，碳化物類型對高鉻鑄鐵性能產生重要影響。860 ℃淬火時，碳化物形態主要為M3C型，M3C 型碳化物硬度（HV）為1 000～1 230[12]，低于其他類型碳化物。920～1 040 ℃淬火時，碳化物形態均以硬度（HV）最高（1 300～1 800[13]）的M7C3型為主，但隨著溫度的升高，原子的擴散能力增強，逐漸形成合金碳化物，當Mo 元素固溶到碳化物中，碳化物硬度進一步提升[8]。1 100 ℃淬火時，碳化物類型轉變為M23C6型，其硬度（HV）值在1 140～1 500，低于M7C3型硬度，致使硬度下降。結合Fe-C-Cr 變溫截面[14]，進一步探究碳化物轉變機制。在升溫過程中，低溫區間可能存在α+M3C→γ+M7C3（這里α 相代表低溫組織）和M3C→γ+M7C3兩種反應，都促使M3C型向M7C3型轉變。但合金顯微組織發生α+M3C→γ+M7C3反應可能性較大。繼續升溫，存在α+M7C3→γ+M23C6包共析轉變。李浩[15]研究發現，在共晶合金或過共晶合金中，在1 000 ℃附近會發生包共析轉變，本實驗合金成分和其研究對象略有差異，轉變溫度也可能略有差異。本實驗在1 100 ℃時，出現了較明顯的M23C6型碳化物，使合金性能降低。結合α+M7C3→γ+M23C6包共析反應，也可知在形成M23C6型碳化物的同時，其周圍貧碳，形成奧氏體組織，奧氏體在降溫過程中形成低溫組織，這可能是M23C6型碳化物周圍出現環狀組織的主要原因。

3.2 奧氏體含量的影響

奧氏體含量也是高鉻鑄鐵性能的重要影響因素。通過XRD 測試發現，低溫淬火時，奧氏體衍射峰較強，大量奧氏體的存在使得合金硬度進一步降低。這也是在860 ℃淬火后，合金硬度最低的另一個原因。1 040 ℃淬火時，高鉻鑄鐵中出現少量的奧氏體，這主要是由于溫度高，合金元素大量溶入到奧氏體中，提高了奧氏體穩定性，使其少量奧氏體組織保留至室溫。少量奧氏體組織的存在，提高了高鉻鑄鐵的韌性，這可能是1 040 ℃下合金在具有較高硬度的同時仍保持較高韌性的主要原因。

3.3 組織形態的影響

組織形態也是影響高鉻鑄鐵性能的另一重要因素。980 ℃和1 040 ℃淬火后，均獲得了硬度較高的M7C3型碳化物，但明顯1 040 ℃組織更加均勻細小，細晶強化效果明顯，使材料既獲得了高硬度，又保持了很好的沖擊韌性。分析其原因，可能是淬火溫度升高，奧氏體中溶解度增加，同時元素擴散能力增強，碳化物發生部分溶解。在隨后空冷過程中，細小組織被保留。

4 結論

1）高鉻鑄鐵在860～1 100 ℃溫度范圍內進行淬火+空冷熱處理工藝。隨著淬火溫度升高，高鉻鑄鐵硬度先增加后減少，1 040 ℃淬火后，高鉻鑄鐵硬度為最高，但沖擊韌性無明顯變化。

2）提高淬火溫度過程中將發生M3C 向M7C3的轉變，束集狀M7C3型碳化物有利于高鉻鑄鐵硬度的提高。

3）碳化物種類是影響高鉻鑄鐵性能的關鍵因素。隨著淬火溫度的升高，碳化物相應發生M3C→M7C3→M23C6轉變，轉變反應以包共析轉變為主。當組織中出現細小的集束狀M7C3型碳化時，高鉻鑄鐵硬度最高。