高鉻鑄鐵不同工藝軟化熱處理后的組織與性能

劉志學(xué)，羅玉龍，程巨強(qiáng)

（西安工業(yè)大學(xué)陜西光電功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710032）

高鉻鑄鐵不同工藝軟化熱處理后的組織與性能

劉志學(xué)，羅玉龍，程巨強(qiáng)

（西安工業(yè)大學(xué)陜西光電功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710032）

采用組織觀察、XRD物相分析和硬度測試等實(shí)驗(yàn)方法，研究了不同的軟化熱處理工藝對(duì)抗磨高鉻鑄鐵組織和硬度的影響。結(jié)果表明：在硬化態(tài)三種高鉻鑄鐵均具有較高硬度，具體硬度值≥58 HRC，組織均為初析M7C3型碳化物、共晶碳化物、馬氏體、奧氏體組成。Km TBCr22N iM o具有較好的軟化效果，分別采用950 ℃×2 h爐冷至820 ℃×4 h爐冷至250 ℃出爐空冷和1 050 ℃×4 h爐冷至720 ℃×10 h爐冷到室溫的兩種熱處理工藝軟化后，Km TBCr22N iM o的硬度分別由57 HRC降低為39.9 HRC和40 HRC。Km TBCr25N iM o和Km TBCr28N iM o在采用不同熱處理工藝軟化后，軟化效果均不理想，其最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為硬度由硬化態(tài)的60 HRC下降到53.7 HRC和由硬化態(tài)的61 HRC下降到54.5 HRC。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨高鉻鑄鐵中鉻含量的增加，其軟化難度增大。

高鉻鑄鐵；軟化熱處理；組織與性能

在煤礦、電力、建材、筑路與工程等機(jī)械中，許多易磨損件是用高鉻鑄鐵鑄造，其可以顯著提高部件的耐磨性。對(duì)一些需要加工的高鉻鑄鐵耐磨工件，如高鉻鑄鐵軋輥、介質(zhì)泵和泥漿泵的過流部件、磨煤機(jī)的磨輥和襯瓦、渣漿閥門閥板、重介質(zhì)旋流器等［1-3］，由于高鉻鑄鐵在鑄態(tài)和熱處理態(tài)硬度較高，且脆性也高，屬于硬脆性材料，機(jī)械加工時(shí)切削狀態(tài)極不平穩(wěn)，屬于機(jī)械加工困難的材料。

實(shí)際生產(chǎn)過程表明［4，5］，高鉻鑄鐵可采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行粗加工，但刀具磨損極快，切削易形成崩脆切削，表面粗糙度較大；而對(duì)于高鉻鑄鐵的精加工，采用陶瓷刀具可取得較低的粗糙度，但陶瓷刀具的抗沖擊能力較弱，對(duì)于切削高鉻鑄鐵這種硬脆性材料更容易受到?jīng)_擊，引起崩刃導(dǎo)致刀具破壞。

因此探討高鉻鑄鐵耐磨材料的軟化熱處理工藝，提高其加工性能，擴(kuò)大高鉻鑄鐵的使用范圍，具有重要的實(shí)際意義。本文研究了三種高鉻鑄鐵不同的軟化熱處理工藝后的組織和性能，為以后需要機(jī)械加工的高鉻鑄鐵件的生產(chǎn)提供了參考。

1　實(shí)驗(yàn)材料與過程

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料的牌號(hào)分別為KmTBCr22NiMo、KmTBCr25NiMo、KmTBCr28NiMo。

1.2實(shí)驗(yàn)過程

高鉻鑄鐵硬化態(tài)熱處理工藝為1 050 ℃正火+200 ℃回火。

設(shè)計(jì)的高鉻鑄鐵熱處理軟化工藝一：950 ℃×2 h隨爐冷到250 ℃出爐空冷；

熱處理工藝二：950 ℃×2 h隨爐冷至820℃×4 h隨爐冷至250 ℃出爐空冷；

熱處理工藝三：950 ℃×2 h隨爐冷至820℃×2 h隨爐冷至720 ℃×4 h爐冷室溫；

熱處理工藝四：1 050 ℃×4 h隨爐冷至720℃×2 h爐冷到室溫；

熱處理工藝五：1 050 ℃×4 h隨爐冷至720℃×4 h爐冷到室溫；

熱處理工藝六：1 050 ℃×4 h隨爐冷至720℃×6 h爐冷到室溫；

熱處理工藝七：1 050 ℃×4 h隨爐冷至720℃×10 h爐冷到室溫。

硬度測定采用HR-150A洛氏硬度計(jì)，金相組織觀察采用NIKON EPIHOT300型金相顯微鏡，試樣腐蝕液用8%硝酸酒精，物相分析采用XRD-6000型X射線衍射儀。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同工藝軟化熱處理后的硬度

KmTBCr22NiMo、KmTBCr25NiMo、KmTBCr28NiMo三種高鉻鑄鐵錘頭材料硬化態(tài)的硬度分別為58 HRC、60.5 HRC和61 HRC，如此高的硬度會(huì)造成高鉻鑄鐵機(jī)械加工困難。表1是三種高鉻鑄鐵件不同熱處理工藝后的平均硬度，可以看出：由于工藝一加熱溫度較低，碳在奧氏體中溶解度較小，加熱保溫時(shí)發(fā)生奧氏體的脫溶，析出二次碳化物，緩冷過程繼續(xù)析出二次碳化物，但由于馬氏體組織緩冷過程中析出的碳化物較少，熱處理后實(shí)驗(yàn)材料的硬度雖有所下降，但下降幅度較小，軟化效果不佳；工藝二實(shí)驗(yàn)材料在奧氏體和碳化物兩相區(qū)，隨溫度降低，奧氏體析出二次碳化物，在820 ℃保溫促使更多的二次碳化物析出，在隨后的緩冷過程中奧氏體進(jìn)一步析出碳化物及部分碳化物聚集長大，進(jìn)一步降低基體材料的硬度；熱處理工藝三通過950 ℃到820 ℃爐冷，使奧氏體中發(fā)生碳的脫溶，析出二次碳化物，820 ℃保溫促使更多二次碳化物分解，720℃保溫時(shí)奧氏體發(fā)生分解，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和碳化物，碳化物部分聚集長大，降低基體的硬度，對(duì)于KmTBCr22NiMo材料來說，其硬度降低明顯，洛氏硬度由硬化態(tài)的58 HRC降低到40 HRC，降低幅度較大；熱處理工藝四～工藝七的目的是通過1 050℃保溫，雖然處于奧氏體和碳化物兩相區(qū)，但因加熱溫度較高，更多的共晶碳化物發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變使成分均勻化，使二次碳化物等充分溶于奧氏體，使碳和鉻在奧氏體中溶解度增加，在隨后冷卻過程馬氏體析出二次碳化物，降低了奧氏體的穩(wěn)定性，促使其在720 ℃不同時(shí)間保溫奧氏體發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和碳化物，形成粒狀碳化物，降低材料的硬度。

圖1　三種材料硬化熱處理后的XRD圖譜

從工藝四到工藝七的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，KmTBCr22NiMo材料隨720 ℃保溫時(shí)間的延長，硬度有降低的趨勢(shì)，但鉻含量較高的材料硬度下降不明顯，軟化效果較差。因此可以看出，高鉻鑄鐵隨鉻量的增加，由于形成的碳化物數(shù)量增加，軟化效果較差，軟化困難。

表1　三種高鉻鑄鐵件不同熱處理工藝后的平均硬度

2.2不同工藝軟化熱處理后的物相和金相組織

圖1是三種不同鉻含量的實(shí)驗(yàn)材料XRD物相分析結(jié)果，可以看出，三種材料的物相由鐵素體、奧氏體、M7C3型碳化物組成。根據(jù)三種實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分，由鉻系高鉻鑄鐵的碳當(dāng)量公式［6］CE= C%+0.05Cr+0.33Si，分別計(jì)算其碳當(dāng)量，計(jì)算結(jié)果為KmTBCr22NiMo的CE=4.53%，KmTBCr25NiMo的CE=4.65%，KmTBCr28NiMo的CE=4.75%，可以看出三種抗磨鑄鐵的成分均為過共晶成分。因此三種材料鑄造結(jié)晶過程基本一致，區(qū)別在于隨碳當(dāng)量的提高，組織中初析碳化物數(shù)量增加。

圖2是三種材料采用工藝一熱處理后的組織圖片。

由圖2可以看出，KmTBCr22NiMo的組織（圖2.a）由馬氏體、M7C3型碳化物、共晶碳化物和殘余奧氏體組成，組織中塊狀碳化物為M7C3型初析碳化物，集束狀細(xì)板條碳化物的為未溶的共晶碳化物。

KmTBCr25NiMo的組織（圖2.b）也為馬氏體、M7C3型碳化物、共晶碳化物和殘余奧氏體組成，初析M7C3型碳化物為六方狀，板條的為未溶的共晶碳化物，黑色組織為奧氏體轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體組織。KmTBCr28NiMo金相組織（圖2.c）和前兩者一樣，三種材料初析塊狀M7C3型碳化物上存在黑色的孔洞為奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

圖3是三種材料采用工藝三熱處理后的實(shí)驗(yàn)材料組織圖片。

圖2　三種材料采用工藝一熱處理后的組織圖片

圖3　三種材料采用工藝三熱處理后的組織圖片

由圖3可以看出，三種材料的組織均為奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物、M7C3型碳化物、共晶碳化物和殘余奧氏體組成，組織中的六邊形塊狀碳化物為M7C3型碳化物，黑色組織為細(xì)粒狀珠光體組織。此外，工藝三增加720 ℃保溫，使奧氏體發(fā)生鐵素體和碳化物轉(zhuǎn)變，形成粒狀珠光體組織，碳化物顆粒較小，有粒狀化的趨勢(shì)，熱處理后實(shí)驗(yàn)材料的硬度下降幅度較大。

圖4是三種材料采用工藝七熱處理后的組織圖片。由圖4可以看出，組織為初析和共晶的M7C3型碳化物、奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，組織中可以看到奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物上含有較多的二次碳化物，轉(zhuǎn)變組織為鐵素體+碳化物。隨720 ℃保溫時(shí)間延長，奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中碳化物集聚長大，形成粒狀珠光體組織。由于組織中碳化物數(shù)量較多，軟化處理后硬度降低不明顯，由此可知鉻含量較高的鑄鐵，采用不同軟化工藝，軟化效果均較低。

圖4　三種材料采用工藝七熱處理后的組織圖片

3　結(jié)論

（1）三種高鉻鑄鐵在硬化態(tài)均具有較高的硬度，其組織均由馬氏體、M7C3型碳化物和殘余奧氏體組成。M7C3型碳化物可分為初析碳化物和共晶碳化物，初析M7C3型碳化物呈粗大柱狀、截面塊狀或六邊形分布，共晶M7C3型碳化物集束狀的呈板分布，截面呈菊花狀分布。

（2）KmTBCr22NiMo材料，采用950 ℃×2 h爐冷至820 ℃×4 h爐冷至250 ℃出爐空冷和1 050℃×4 h爐冷至720 ℃×10 h爐冷到室溫的兩種軟化工藝，具有較好的軟化效果，硬度由硬化態(tài)57 HRC降低為40 HRC。KmTBCr25NiMo和KmTBCr28NiMo材料，不同熱處理軟化工藝硬度由鑄態(tài)的60 HRC降到54～56 HRC工藝，熱處理軟化效果較差，且高鉻鑄鐵隨鉻含量增加，軟化難度增大。

（3）不同軟化熱處理工藝中初析碳化物形貌并不發(fā)生改變，主要為奧氏體組織和共晶組織的變化，軟化熱處理工藝中軟化效果較好的原因與組織中奧氏體分解為粒狀珠光體有關(guān)。

［1］ 宇文建鵬，焦斌，武劍博.挖泥船泥泵耐磨過流部件的研制［J］.熱加工工藝，2006，35（17）：24-26.

［2］ 許利民.多元高鉻鑄鐵在介質(zhì)固液泵上的應(yīng)用研究［J］.熱加工工藝，2005，34（2）：43-46.

［3］ 許利民，劉翔宇.高鉻鑄鐵重介質(zhì)旋流器的探索［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2012，8：50-52.

［4］ 龍曉林，王國順.高鉻鑄鐵的切削用量優(yōu)化計(jì)算［J］.機(jī)械，2001，28（6）：30-32.

［5］ 王美公，任玲，王建功.高鉻鑄鐵（Cr20）耐磨件機(jī)加工技術(shù)［J］.山西電力技術(shù)，1995，（5）：5-7.

［6］ 子澍.高鉻白口鑄鐵碳當(dāng)量對(duì)抗磨性能影響［J］.鑄造，2005，54（8）：741-744.

［7］ 解慶東.多元合金高鉻白口鑄鐵性能的研究［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，1996（6）.

Microstructure and Property of High Chromium Cast Iron After Different Softening Heat Treatment

LIU ZhiXue，LUO YuLong， CHENG JuQiang
（Xi'an Technological University， Xi'an 710032， Shaanxi，China）

The microstructure and hardness of high chromium cast iron after different softening heat treatment have been studied by microstructure observation， XRD Phase analysis and Hardness test. The results showed that the three kinds of high chromium cast iron with high hardness at the hardening state， and the hardness of three kinds of high chromium cast iron was all greater than 58 HRC. The microstructure of the three kinds of high chromium cast iron all consisted of M7C3primary carbide， eutectic carbide， martensite and residual austenite. The KmTBCr22NiMo had good softening effect after heat treatment at 950 ℃×2 h furnace cooling to 820 ℃×4 h furnace cooling to 250 ℃ air cooling and heat treatment at 1 050 ℃×4 h furnace cooling to 720 ℃×10 h furnace cooling to room temperature， the hardness lowered from HRC57 to HRC39.9 and HRC40 respectively. The KmTBCr25NiMo and KmTBCr28NiMo all had Poor softening effect after different softening heat treatment， the best test results was that the hardness of KmTBCr25NiMo lowered from HRC60 to HRC53.7 and the hardness of KmTBCr28NiMo lowered from HRC61 to HRC54.52. The results showed that with the increase of the content of chromium， to soften the high chromium cast iron became more diffi cult.

High chromium cast iron； Softening heat treatment； Microstructure and property

TG144;

A；

1006－9658（2015）01－0043-04

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.01.013

國家自然基金資助項(xiàng)目（51371133）

2014-08-11

稿件編號(hào)：1408-635

劉志學(xué)（1968—），男，副教授，碩士，從事新型高強(qiáng)耐磨材料及特種有色合金的研究與應(yīng)用工作.