17不同处理态高铬铸铁的组织与性能

不同处理态高铬铸铁的组织与性能①
徐国富,尹志民
(中南工业大学材料科学与工程系,湖南长沙410083)
摘　要:借助X射线仪、金相显微镜、扫描电镜及硬度仪等,研究了不同处理态高铬铸铁的组织与性能。

结果
表明:高铬铸铁的性能与不同状态下的组织结构具有良好的对应关系;中温短时回火可改善材料的使用性能。

关键词:高铬铸铁;组织与性能;合金淬火
磨损是造成机械零件失效的主要原因之一。

统计
资料表明:在失效的机械零件中,大约有75%～80%
是属于磨损。

供给机器的能量大约有30%～50%消
耗于摩擦和磨损过程中[1]。

仅对我国冶金、煤炭、电
力、建筑材料、农机等5个部门的不完全统计,金属件
在与砂土、矿石、水泥相接触过程中被磨损的钢材量就
在100万t以上,再考虑因更换设备而降低的生产效
率,1年所浪费的资金估计可高达30亿元[2]。

因此,
研究磨损机理及研制抗磨材料在国民经济上具有很重
要的意义。

高铬铸铁是目前应用比较普遍的抗磨材料,它在
不同的热处理态下,组织结构不同,因而其性能也有不
同。

而热处理一般只改变基体的组织和结构,对碳化
物的影响不大。

因此,本文研究的重点就放在基体组
织与性能的关系上,同时,对合金淬火后的回火制度进
行了摸索。

1　材料与实验方法
111　试验用合金的化学成分
试验用合金的化学成分为:w(C)=216%～219%;w(Cr)=18%～21%;w(P)<0106%;w(Mn)= 015%～115%;w(M o)=114%～210%;w(S)< 0105%;w(Cu)=015%～112%;w(Si)≤110%
112　试验用合金的处理工艺
1)铸态样。

采用湿型砂铸造,未做任何后期处理。

2)退火态样品。

样品随炉升温至于930℃,保温4h,随炉冷却。

3)淬火态样品。

960℃×3h退火,然后出炉用强风冷却。

4)回火态样品。

将淬火处理后的样品在箱式电阻炉内加热至300℃,分别保温015,1,115,2,215,3, 4,6,8,10h,然后空冷至室温。

113　试验用合金的性能测试
1)冲击韧性。

将样品线切割成10mm×10mm×60mm,然后在国产JB—5型摆锤式冲击试验机上用3 kg摆锤测试试样的αk值。

2)硬度。

在国产HW—18715型布洛维三用硬度计上测定宏观硬度;在苏联产ПМТ—3型显微硬度计上测定显微硬度。

114　合金显微组织的观察与分析
1)金相分析。

将经4%硝酸酒精溶液侵蚀过的样品在德国产NE OPH OT—21大型卧式金相显微镜上进行全面的观察、分析和摄影。

2)物相分析。

用X射线衍射仪测定不同处理态样品的物相。

3)用SE M观察断口形貌。

将退火态、淬火态、回火态(300℃×1h)的冲击断口用“HIT ACHI”X—650型扫描电镜进行形貌观察和分析。

2　实验结果与分析讨论
211　X射线衍射图谱及分析
图1是各种状态样品的XRD图谱。

从图中可以图1　高铬铸铁不同状态试样的XRD图谱
第20卷第1期2000年3月
矿　冶　工　程
MINING AN D META LLURGICA L ENGINEERING
V ol.20№1
M arch2000
①收稿日期:1999207220 第一作者　男　工程师　硕士
看出:不同状态的样品其衍射峰有明显的差异,说明它们所含的物相有差异;退火态和回火态样品的衍射峰较尖,且又高又窄,而铸态和淬火态样品的衍射峰较宽、较低、较钝,还有宽化现象。

这是由于晶格畸变引起的。

因为合金在铸态时,其内部受到铸造时热应力的影响,导致晶格发生畸变;合金在淬火态时,基体组织由奥氏体转变为马氏体,产生了相变应力,从而导致晶格畸变发生。

而退火态和回火态样品都经过各自的热处理,可在一定程度上消除内应力,从而减小晶格畸变,使衍射峰的宽化现象减少或消失。

通过各种状态试样的XRD峰与标准PDF卡片对照可知:①铸态样的相主要为奥氏体(γ2Fe)及M7C3型碳化物;②退火态样的相主要为珠光体(Fe3C+α2Fe)及M
7
C3型碳化物;③淬火态样中的主要相为马氏体(过饱和的α2Fe)及(Cr,Fe)7C3型碳化物;④回火态样中的主要相为回火马氏体(α2Fe)及M7C3型碳化物。

212　试验用合金的硬度
将960℃×3h保温后强风淬的样品,在300℃的箱式电阻炉内保温不同时间后空冷,其硬度值见表1。

表1　试验用合金不同回火时间下的洛氏硬度值
回火时间/h00.51 1.52 2.5346810硬度值/HRC6062.563.563.462.563.56363.162.561.561
从表1可以看出:随回火时间的增加硬度有所上升,约1h后出现峰值(HRC为6315),随后略显下降趋势。

从整体来看,其硬度的变化不大,可近似的认为硬度随回火时间的延长没有明显的变化。

而淬火态样品与回火1h后的样品硬度差值明显(ΔHRC为315)。

由此说明回火处理对高铬铸铁的硬度产生了一定的影响。

其主要原因是:由于试验用合金的合金元素含量较高(达25%左右),碳当量较大,因此伴随淬火过程马氏体的生成,必然会有奥氏体未能完全转变成马氏体而残留下来,在回火过程中,这部分残余奥氏体转变为高强的回火马氏体,从而使合金的硬度升高。

随着回火时间进一步延长,这种转变逐渐变缓,而过饱和的α2Fe逐渐趋于稳定,其原子错排度(晶格畸变)减小,从而使合金硬度降低。

表2为试验不同处理状态下的硬度对照表。

由表2可知:当合金的基体组织不同时,高铬铸铁的宏观硬度有较大的差异。

当合金的基体为马氏体时(淬火态和回火态),其硬度最高,而当基体为珠光体时退火态硬度最低,铸态合金的硬度居中。

表2　不同处理态下高铬铸铁的硬度值
样品处理状态宏观硬度值/HRC基体的显微维氏硬度值/H V 铸态45335
退火态28325
淬火态60660
回火态(1h)63.5625
213　实验合金的冲击韧性与分析
表3是不同处理态高铬铸铁的冲击韧性αk值。

从表中可以看出,不同状态的αk值是有差异的,回火态的最高,铸态次之,淬火态最低。

表3　不同处理态高铬铸铁的冲击韧性值
状态铸态淬火态回火态
冲击韧性αk(J/cm2) 6.25 5.92 6.78
冲击韧性值的大小是评判材料优劣的主要指标,它反应材料冲击吸收功的大小。

从试验结果看:①淬火态样品的αk值较铸态有所降低,这是因为铸态样的奥氏体基体较淬火态的马氏体具有更高的塑性变形能,裂纹穿过奥氏体比穿过马氏体需要克服更大的阻力,相应地奥氏体的冲击吸收功就会比马氏体要大,而在高铬铸铁断裂过程中,基体组织的主要作用是阻止裂纹从一个碳化物粒子向另一个碳化物粒子扩展[4]。

②回火态与淬火态相比αk值有了较大幅度的提高,这可能是由于两种状态下试样内部的应力状态不同引起的。

淬火态试样的基体发生了奥氏体向马氏体的转变,其内部存在较大的相应应力,促进了微裂纹的产生,而回火态的样品,由于马氏体由过饱和向接近饱和转变,应力水平降低,减少了应力集中,使微裂纹减少,从而提高了αk值。

因此,仅从冲击韧性的角度考虑,回火态的高铬铸铁具有最佳的冲击韧性值,可以抵抗生产使用过程中的冲击,延长工件的使用寿命。

214　实验合金的金相组织观察与分析
从铸态、退火态、淬火态、回火态(1h)样品的金相组织。

可以看出,在不同热处理态下高铬铸铁的共晶碳化物的组织形貌没有大的改变,说明热处理对高铬铸铁组织中的碳化物影响不大,主要是改变其基体组织。

215　实验合金的冲击断口SEM观察与分析
图2为不同处理态高铬铸铁冲击断口的SE M形貌像。

从图2可以看出:①材料的状态不同,其冲击断口形貌差异明显。

②淬火态及回火态的裂纹较平
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第1期徐国富等:不同处理态高铬铸铁的组织与性能
图2　不同处理态高铬铸铁冲击断口的SEM照片×3000
(a)铸态;(b)淬火态;(c)回火态
直,且断裂单元与铸态相比出现了粗化现象,说明其塑性不及铸态试样。

(3)3种状态的冲击断裂都具有解理断裂和韧性断裂的特征。

3　结 论
1)不同处理态高铬铸铁组织都含有(Fe,Cr)7C3型粗块状共晶碳化物,但基体组织结构不同:铸态的基体为奥氏体,退火态的基体为珠光体,淬火态为马氏体+残余奥氏体,回火态的为回火马氏体+残余奥氏体。

2)高铬铸铁的性能变化与显微组织的演变密切相关。

3)回火处理可改善高铬铸铁的使用性能,短时中温(1h,300℃)回火是Cu50Cr50合金的最佳回火工艺。

参考文献
[1]　郝石坚.高铬耐磨铸铁.北京:煤炭工业出版社,1993:230
[2]　周庆德,饶启昌,苏俊义.铬系抗磨铸铁(论文汇编).西安:西安
交大出版社,1987:3
[3]　Bereza J M.The British F oundryman,1981,10:205
[4]　Sane I R.M etals T echnology,1979,11:412
[5]　翟启志.铸铁物理冶金理论与应用.北京:冶金工业出版社,
199517
[6]　符寒光.现代铸造,1994,1:10
Microstructure and Properties of H igh Chromium C ast
Iron in Different T reatment States
X U Cuo2fu,YI N Zhi2min
(Department o f Materials Science and Engineering,Central South Univer sity o f Technology410083,China)
Abstract:The microstructure and properties of high chromium cast iron in different treatment states are studied by use of mea2 surement technologies,such as XRD,OM,SE M and Hardness test.Experimental results show that materials with different m orphology and structure have different performance and short2time and middle2tem perature tem pering can im prove the materi2 als’service performance.
K ey w ords:high chromium cast iron;microstructure and property;alloy quenching
66矿　冶　工　程第20卷。