金屬型鑄造磨球不同保溫溫度組織分析

程巨強(qiáng)

高鉻系抗磨鑄鐵材料由于具有較高的硬度、優(yōu)良的耐熱、耐蝕及抗磨性能廣泛應(yīng)用于礦山、水泥、冶金設(shè)備等耐磨、耐熱及耐腐蝕的配件中。高鉻鑄鐵抗磨材料的成分設(shè)計(jì)中，隨著鉻含量的提高，當(dāng)鉻含量大于12%或Cr/C＞4時(shí)會(huì)出現(xiàn) (Cr,Fe)7C3M7C3型碳化物[1-3]，由于M7C3型碳化物具有高的硬度（1300~1800HV），鑄鐵組織中隨M7C3碳化物比例的增加，鑄鐵的耐磨性增加。由于高鉻鑄鐵組織中的M7C3型碳化物的硬度比M3C型碳化物的硬度高，再加之合金元素含量較高，提高了鑄鐵的淬透性，在實(shí)際生產(chǎn)中高鉻鑄鐵鑄態(tài)或經(jīng)過正火低溫回火處理可以獲得較高的硬度和耐磨性。高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織除了M7C3碳化物外，其基體組織主要有奧氏體及其奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，如馬氏體、珠光體、貝氏體等[4，5]，組織的獲得主要跟高鉻鑄鐵的化學(xué)成分及冷卻速度有關(guān)。屈氏體組織是一種細(xì)珠光體組織，屈氏體高鉻鑄鐵耐磨材料具有良好的耐磨性，在鑄態(tài)或熱處理狀態(tài)可獲得屈氏體基體組織，廣泛應(yīng)用于葉片、磨球等方面[6-8]。本文研究了KmTBCr12高鉻鑄鐵金屬型鑄造磨球鑄態(tài)和不同溫度處理磨球的組織，為KmTBCr12在磨球方面的組織分析奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為KmTBCr12鑄鐵，化學(xué)成分為：C3.2%、Si1.2%、Mn1.0%、Cr12.5%、V0.005%。磨球的直徑為?120mm，爐料采用廢鋼、生鐵、回爐料和中間合金；采用0.5t中頻感應(yīng)電爐冶煉，熔化工藝為：先熔清廢鋼、生鐵和回爐料，進(jìn)行爐前分析，再加入中間合金調(diào)整鋼液成分，用鋁終脫氧，采用爐前加入法，出爐溫度為1480℃，澆注溫度1400℃，澆注金屬型磨球，磨球脫模后為了減小金屬型鑄造的應(yīng)力和促使奧氏體的分解，分別進(jìn)行了空冷、350℃、450℃、500℃、600℃等溫處理,等溫處理保溫時(shí)間為4小時(shí)。金相檢驗(yàn)試樣取自于直徑為120mm的高鉻鑄鐵磨球，線切割加工成金相試樣，用Neophot-30型光學(xué)顯微鏡（OM）和Amaray-1000B型掃描電子顯微鏡觀察金相組織。組織觀察的腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。

2 不同狀態(tài)的組織分析

圖1 金屬型鑄造空冷鑄態(tài)組織

圖1 是金屬型鑄造空冷磨球?qū)嶓w取樣的金相組織?？梢钥闯觯鹣嘟M織為典型的亞共晶高鉻白口鑄鐵的組織，由枝晶狀的初生奧氏體的轉(zhuǎn)變組織和碳化物以及少量的奧氏體組成，共晶組織呈菊花狀，組織中初生奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為黑色區(qū)域，白色為碳化物及少量殘余奧氏體。由于金屬型冷卻速度較快，金相顯微鏡下黑色奧氏體基體和共晶組織的形貌顯示不清楚，在掃描電子顯微鏡下觀察到奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的微觀形貌為細(xì)片狀，應(yīng)為屈氏體組織，共晶組織為菊花狀或條狀分布在奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間。金屬型鑄造形成屈氏體組織是因?yàn)樵囼?yàn)材料其Cr/C=3.91，研究表明[7]，對于金屬型鑄造，當(dāng)Cr/C≤4時(shí)無論金屬型鑄造和砂型鑄造空冷都可以獲得屈氏體組織。碳化物在金相顯微鏡下觀察為團(tuán)聚狀的形貌，掃描金相觀察碳化物形狀有條狀和菊花狀，條狀碳化物分布在屈氏體組織的晶界（圖1b），晶界形成的條狀的碳化物其實(shí)是離異共晶組織，為凝固結(jié)晶時(shí)液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成碳化物和奧氏體，共晶反應(yīng)形成的奧氏體會(huì)集聚在初生奧氏體上，便會(huì)在奧氏體晶界只留下條狀的碳化物。菊花狀的共晶組織其縱截面為集束狀，由奧氏體和碳化物形成，共晶組織的橫截面為菊花狀形態(tài)，花芯由塊狀碳化物組成，高倍下觀察塊狀碳化物為多邊形，有些碳化物中心還有呈黑色的小孔或奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，這種碳化物為M7C3型碳化物[2]。高鉻鑄鐵中M7C3型碳化物硬度最高，鑄鐵組織中含有這樣的碳化物鑄鐵具有良好的抗磨性能。由于鑄鐵合金化較高，會(huì)增加殘余奧氏體穩(wěn)定性，金屬型快冷后會(huì)殘留一些奧氏體組織，奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間或之上的白色角狀組織應(yīng)為殘余奧氏體組織。

圖2是金屬型鑄造在350℃保溫4h后空冷磨球的金相組織?？梢钥闯?，金相組織和鑄態(tài)一樣，由黑色的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和白色的碳化物及少量殘余奧氏體組成，350℃保溫與空冷組織相比，碳化物有集聚長大的趨勢，說明350℃保溫奧氏體析出碳化物。在掃描電子顯微鏡下觀察到基體的微觀形貌為細(xì)片狀的組織，為細(xì)珠光體組織，即屈氏體組織。碳化物在金相顯微鏡下觀察為片狀及小塊狀集聚狀分布，掃描金相觀部分碳化物形狀為集束狀的片條組織，為M7C3共晶碳化物。少量的殘余奧氏體呈白色分布在奧氏體基體上。

圖2 350℃×4h空冷組織

圖3 450℃×4h空冷組織

圖4 500℃×4h空冷組織

圖5 600℃×4h空冷的組織

圖3 是金屬型鑄造450℃保溫4h空冷磨球的金相組織。可以看出，光學(xué)金相組織由黑色的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和白色的M7C3碳化物及部分殘余奧氏體組成，碳化物形狀有菊花狀和小塊狀分布，為共晶碳化物。奧氏體的轉(zhuǎn)變組織在光學(xué)顯微鏡下看不清其相貌特征，在掃描電子顯微鏡下奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為細(xì)板條狀，為屈氏體組織。金相顯微鏡下奧氏體組織之上的白色組織應(yīng)為未發(fā)生轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體組織。

圖4是金屬型鑄造500℃保溫4h空冷磨球的金相組織，500℃×4h等溫處理過冷奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變形成屈氏體組織。從可以看出，金相組織由黑色枝晶狀的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和白色的碳化物組成，金相顯微鏡屈氏體組織形貌看不清楚，在掃描電子顯微鏡可以看到屈氏體形貌，為細(xì)板條狀組織。碳化物在金相顯微鏡下觀察主要為菊花狀的M7C3型共晶碳化物。

圖5是金屬型鑄造后600℃保溫4h空冷磨球的金相組織。可以看出，由黑色的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和白色的M7C3碳化物組成。在光學(xué)顯微鏡下白色的M7C3碳化物為集束狀及菊花狀分布，掃描電子顯微鏡下奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為粒狀珠光體組織。600℃保溫4h奧氏體發(fā)生分解形成粒狀珠光體。

3 結(jié)論

（1）鑄態(tài)KmTBCr12組織由屈氏體、不同形狀的共晶碳化物組成。共晶碳化物的主要形式為M7C3型，碳化物的分布主要有板條狀、小塊及菊花狀分布。

（2）鑄造后開模冷卻，350~500℃等溫處理，磨球的組織均為屈氏體和碳化物組成，碳化物形貌不發(fā)生變化，600℃等溫奧氏體發(fā)生分解，形成粒狀珠光體和碳化物組織。

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