高铬铸铁的正火组织与性能研究

高铬铸铁的正火组织与性能研究
仵海东;冯妮;李韬;高柳君;刘筱薇
【摘要】研究正火温度对新型高铬铸铁组织、硬度(HRC)及冲击韧性的影响.实验结果表明高铬铸铁在800 ～950 ℃正火时,其组织由珠光体+少量铁素体+网状共晶碳化物组成;在1 000～1 050℃正火时,碳化物溶解析出,珠光体球化,得到铁素体基体上分布的粒状碳化物+共晶碳化物+少量珠光体,硬度略有降低;在1 100 ～1 150℃正火时,共晶碳化物溶解得更多,冷却过程中奥氏体中析出弥散碳化物,冷却后得到马氏体(过饱和铁素体)基体上弥散碳化物+共晶碳化物,硬度明显升高,并在1 150℃时硬度达到最大值,在800 ～1 150℃正火加热温度范围内,冲击韧性在
4.2 ～ 4.7 J/cm2之间波动,总体变化不大.
【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(016)005
【总页数】4页(P104-106,126)
【关键词】高铬铸铁;正火;组织;性能
【作者】仵海东;冯妮;李韬;高柳君;刘筱薇
【作者单位】重庆科技学院冶金与材料工程学院,重庆401331;重庆科技学院冶金与材料工程学院,重庆401331;重庆科技学院冶金与材料工程学院,重庆401331;重庆科技学院冶金与材料工程学院,重庆401331;重庆科技学院冶金与材料工程学院,重庆401331
【正文语种】中文
【中图分类】TQ03
高铬铸铁是继普通白口铸铁、高锰钢和镍硬铸铁之后的第三代抗磨材料，它的室温组织是马氏体上均匀分布着的高硬度金属型碳化物，且彼此孤立分布，不连成网状，大大减小了对基体的割裂。

使其在抗磨的同时还有一定的韧性。

因此，高铬铸铁在采矿、铺路、建筑和电力等行业应用广泛［1－2］。

影响铬系白口铸铁性能的主
要因素为铬碳比及热处理工艺，因此研究铬元素的作用及热处理工艺尤为必要［3－4］。

目前高铬铸铁的热处理方式主要为加热到950～1000℃后，经保温空冷淬火后再进行200～260℃的低温回火。

高温球化处理即是在1140～1180℃保温
16 h后空冷却，可以明显提高冲击韧度和耐磨性能。

但这些方式都比较复杂且成
本较高，而正火的热处理工序相对简便，若高铬铸铁用正火处理后的使用性能可以与其他复杂热处理相当，则可以大大减小生产成本，缩短生产周期。

本文研究正火温度对一种可以用于垃圾焚烧发电炉排的新型高铬铸铁组织与性能的影响，从而找出温度与组织性能的变化规律，为该材料的推广应用提供实验依据。

1 实验材料及方法
实验所选材料C含量为1.60% ～1.80%，Cr含量为 16.0% ～ 19.0%，且含有少
量的 Al、Si、Mn、Ti及稀土等元素。

采用中频感应炉熔炼，浇注成炉排，在炉排中取样，利用线切割机试样切割成50 mm×10 mm×10 mm的长方体，然后在
试样中心开2 mm的U型缺口制成冲击试样。

然后对制好的试样进行热处理，具
体热处理工艺温度见表1，保温时间为2 h，冷却方式均为空冷。

表1 试样热处理工艺试样1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#加热温度℃ 800 850 900 950 1000105011001150
将铸态试样放入箱式加热炉中，以350℃h的速度升温加热，保温2 h后取出试样，在常温下空冷。

将热处理后的试样用冲击试验机进行冲击试验，将冲击后的试样表
面磨光，去掉氧化皮，利用布氏硬度机测出不同热处理后的试样的洛氏硬度。

然后借助XJP－6A型号的金相显微镜对铸态及各个热处理状态下的试样进行显微组织观察，最后用S－3700N型号的电子显微镜进行微观分析。

2 实验结果与讨论
2.1 正火温度对高铬铸铁组织的影响
经过不同的正火加热温度处理后可以得到不同的组织。

高铬铸铁铸态下的金相图(见图1)，其基体由珠光体+铁素体+共晶碳化物组成。

当正火温度在800～900℃时，其组织并没有较大的变化，黑色部分为珠光体，白色部分为共晶Cr7C3碳化物，因为此时正火温度低于相变温度，但是珠光体有球化趋向(见图2)。

图1 高铬铸铁铸态下的金相组织
图2 高铬铸铁在900℃正火组织
随着温度升高，碳化物的形态和数量发生变化，当正火温度增加到950～1000℃时，进入了两相区，部分珠光体转变为奥氏体，由于加热温度相对较低，奥氏体化过程进行的不够充分，碳化物不能完全溶解，而形成了奥氏体及其基体上分布的未溶碳化物，冷却过程中，未溶碳化物成为碳化物析出的核心，形成颗粒状碳化物，使珠光体球化，得到铁素体基体上分布的粒状碳化物+共晶碳化物+少量珠光体，从图3中可以明显看到这种变化。

在1100～1150℃加热，奥氏体化温度进一步升高，奥氏体化进程逐渐加快，珠光体在形成奥氏体的过程中碳化物溶解过程基本完成，但成分均匀化没有充分进行，同时网状的共晶碳化物融入奥氏体的量也在增加，碳化物的溶解使奥氏体中的Cr和C含量增加，提高了奥氏体的稳定性，使珠光体转变，C曲线右移，冷却过程中，奥氏体基体中含C量高的区域析出细小粒状的碳化物，当过冷奥氏体冷却到Ms点以下，发生部分马氏体转变，从图5可以看出，组织为马氏体(或过饱和铁素体)基体上分布着弥散细小的粒状碳化物+沿晶界分布的共晶碳化物，对比图3和图4可以明显看到共晶碳化物的数量变少，
表明有较多的共晶碳化物在加热过程中发生溶解。

图3 高铬铸铁在950℃正火组织
图4 高铬铸铁在1050℃正火组织
图5 高铬铸铁在1150℃正火组织
2.2 正火温度对材料力学性能的影响
2.2.1 正火温度对硬度的影响
正火温度与硬度的关系如图7所示。

在800～1050℃之间加热正火，试样的硬度在33～38HRC之间波动，但正火温度在850～1000℃之间时硬度略有下降，这是因为在这段温度区间里，珠光体组织开始球化，但是球化后的珠光体颗粒较大，从而硬度略有下降。

当正火温度高于1000℃时，其硬度升高，并且正火温度高于1050℃时硬度陡增，这是因为随加热温度进一步升高，奥氏体化进程加快，而且含铬的共晶碳化物溶解量增大，碳及合金元素Cr在奥氏体中的溶解度增加，奥氏体的稳定性增加，C曲线右移，淬透性提高，Ms点降低。

上述变化随正火加热温度的提高，变化越明显。

冷却过程中奥氏体中的未溶碳化物与析出的二次碳化物程弥散状态分布在基体上，Ms点以下奥氏体转变为马氏体，形成了马氏体与基体上的弥散碳化物+少量残余奥氏体+共晶碳化物的组织形态(见图6、图7)，使硬度明显提高。

试样在1100～1150℃加热，共晶碳化物溶解增加，空冷后组织二次碳化物变得短小，直至均匀弥散分布使硬度显著增加［5］。

图6 1150℃正火后碳化物分布SEM照片
图7 正火温度与硬度的关系
2.2.2 正火温度对冲击韧性的影响
正火温度与冲击韧性的关系如图8所示。

在800～1150℃温度范围内，随着正火温度的升高，其冲击韧性在4.2～4.7 Jcm2之间波动，总体变化不大。

结合各温度下组织的变化情况，可以看出，在整个温度范围内正火，尽管各阶段组织有所不
同，但对韧性有重要影响，即沿晶界分布的共晶碳化物在各温度下始终存在，从而使韧性整体上变化不大且处于较低水平。

图8 正火温度与冲击韧性的关系
3 结论
(1)随着温度的升高，高铬铸铁中的碳化物有先溶解后析出的现象，并在1100～1150℃加热时共晶碳化物的量明显减少，并且变成菊花状形态，提高了材料的硬度。

(2)随着正火温度的升高，珠光体组织逐渐球化，共晶碳化物逐渐溶解，在1100℃以上正火，形成了过饱和铁素体(或马氏体)基体上分布大量的均匀细小的二次碳化物+共晶碳化物的组织形态，硬度增加明显，冲击韧性稍有改善。

参考文献
［1］张香平，唐建新.热处理温度对高铬铸铁组织和性能的影响［J］.热加工工艺，2011(7):34-36.
［2］刘海娟.一种新型高铬铸铁磨球的研制与应用［J］.机械工程与自动化，
2006(6):160-162.
［3］何希杰，王青云，耿英杰.抗磨白口铸铁冲击韧性的影响要素排序［J］.中国
铸造装备与技术，2002(2):37-38.
［4］子澍.高铬铸铁热处理工艺的改进［J］.现代铸铁，2005(2):17-20.
［5］谈淑咏.热处理对高铬铸铁组织和性能的影响［J］.盐城工学院学报，2008，21(1):62-65.。