熱處理對高鉻鑄鋼組織和性能的影響

魏海鴻 張騰 董立新

摘要：采用金相顯微鏡和掃描電鏡分析熱處理對高鉻鑄鐵的微觀組織的影響，通過硬度測試和耐磨性測試研究熱處理對高鉻鑄鐵的力學性能影響。結果表明：當固溶處理溫度在920 ℃以下時，淬火+回火后的組織為鑄態(tài)組織;當固溶處理溫度920 ℃及以上時，淬火+回火后鑄態(tài)組織消失，出現淬火組織;隨著固溶處理溫度的升高，高鉻鑄鐵硬度與耐磨性先升高后下降，在870 ℃時硬度達到最大值，耐磨性能最優(yōu);深冷處理不能提升鑄態(tài)組織高鉻鑄鐵的耐磨性，但可以提升淬火組織高鉻鑄鐵的耐磨性。

關鍵詞：高鉻鑄鐵;熱處理;耐磨性;深冷處理;顯微組織

0? ? 前言

高鉻鑄鐵具有優(yōu)良的耐磨性和耐蝕性、較高的強度和韌性，且生產成本低、鑄造方法便捷，是當代最常用的耐磨材料之一。但高鉻鑄鐵在鑄態(tài)時綜合性能較差，需要進行有效的熱處理工藝來改善材料的微觀組織，獲得馬氏體、殘余奧氏體和高硬度碳化物，以提高其耐磨性能[1]。相關研究表明，淬火處理的加熱溫度對高鉻鑄鐵的組織分布和調整有較大的影響。此外，深冷處理作為以液氮為制冷劑在-130 ℃以下對材料進行處理的方法對于改善材料耐磨性和強韌性有顯著作用[2-3]。為了提升高鉻鑄鐵的耐磨性，使生產效益最大化，本項目針對高鉻鑄鐵設計出兩套熱處理工藝，首先縱向探究了不同淬火溫度對于高鉻鑄鐵的顯微組織、硬度以及耐磨性能的影響，其次橫向對比得出深冷處理對于其顯微組織、硬度以及耐磨性的影響;為高鉻鑄鐵的熱處理工藝的改進提供了相關數據和理論參考。

1 實驗材料與方法

實驗用高鉻鑄鐵化學成分如表1所示。熱處理試樣尺寸為15 mm×30 mm×15 mm，分別在780 ℃、830 ℃、870 ℃、920 ℃、970 ℃、1 010 ℃和1 050 ℃對試樣進行固溶處理，保溫0.5 h后油淬。淬火后采取兩套熱處理工藝，A工藝：300 ℃回火3 h，循環(huán)兩次后空冷;B工藝：深冷處理+300 ℃回火3 h，循環(huán)兩次后空冷。

金相試樣尺寸為10 mm×15 mm×10 mm，分別用Leitz MM-6金相顯微鏡和PW-100-001掃描電鏡觀察顯微組織結構，腐蝕劑為4%濃度的硝酸酒精溶液。試樣硬度測量采用HBRV-187.5電動布洛維硬度計。在M-2000型磨損試驗機上進行摩擦磨損實驗，磨損方式為環(huán)塊摩擦磨損，使用精度為萬分之一的分析天平測量試樣質量損失。試驗機轉速為150 r/min，載荷為300 N。實驗前將試樣放在裝有酒精的燒杯中用超聲波清洗10 min，實驗結束后再次清洗10 min，干燥后放置于分析天平測量質量。每個試樣分別磨損兩次，分別測量磨損30 min和60 min后試樣的質量，并計算試樣質量損失。

2 結果與分析

2.1 顯微組織分析

低倍下不同固溶處理溫度與不同工藝下試樣的顯微組織如圖1所示，可以看出，當固溶處理溫度為780 ℃、830 ℃、870 ℃時，其組織特征為：有明顯的鑄態(tài)組織，其中亮條狀和粒狀的共晶組織為一次碳化物，黑色的樹枝晶為初生固溶體，亮白色小點為析出的細小的二次碳化物。隨著固溶處理溫度的升高，一次碳化物溶解量增加，邊角變圓，分布也更加均勻。初生固溶體中固溶度增加，二次碳化物析出量也增加。而深冷處理后（B工藝）的組織較未深冷處理的組織而言，出現少量碳化物集中的情況，這是由于大的過冷度阻礙了合金元素與碳的擴散運動，使碳化物的形成區(qū)域受限，導致集中現象產生。

當固溶處理溫度為920 ℃及以上時，鑄態(tài)組織幾乎完全消失，顯微組織為馬氏體（板條狀、細針狀）、殘余奧氏體和少量細小的碳化物。隨著固溶處理溫度的升高，晶粒長大，針狀馬氏體增多，板條狀馬氏體減少，殘余奧氏體量增多，碳化物逐漸溶解消失。這是由于此時高鉻鑄鐵組織已發(fā)生奧氏體化，溫度繼續(xù)升高，碳化物溶于奧氏體中，奧氏體中含碳量增加，在淬火時發(fā)生馬氏體轉變。奧氏體含碳量越高，發(fā)生馬氏體轉變后，越容易產生針狀馬氏體，而溫度升高同時也增加了奧氏體的穩(wěn)定性，故淬火+回火后殘余奧氏體量增多。而深冷處理后，高鉻鑄鐵內部馬氏體總量增多，殘余奧氏體量減少。

高倍下不同固溶處理溫度與不同工藝下試樣的顯微組織如圖2所示。固溶處理溫度為780 ℃、830 ℃、870 ℃時，可以清楚地看到桿狀和粒狀的碳化物以及位于初生固溶體中析出的細小的二次碳化物。隨著固溶處理溫度的提升，碳化物析出總量增加：一次碳化物形態(tài)更多由桿狀變?yōu)榱罨驂K狀，分布更加均勻;二次碳化物析出數量增多，分布也得到改善。基體也逐漸出現少量馬氏體形態(tài)。另一方面，深冷處理后確實導致了碳化物析出時的聚集，但對于870 ℃保溫+深冷處理的試樣，基體有少量馬氏體生成，這說明深冷處理提供的高過冷度仍然可以使固溶處理時產生的少量奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。

當固溶處理溫度為870 ℃以上時，試樣組織由馬氏體、殘余奧氏體及少量碳化物組成，說明材料已基本奧氏體化，在一定溫度范圍內提高固溶處理溫度會使更多碳和合金元素溶于奧氏體中，導致淬火后針狀馬氏體逐漸增多，碳化物量逐漸減少;碳化物形態(tài)呈羽毛狀分布在晶界附近或殘余奧氏體聚集區(qū)，起到一定的彌散強化作用。同時，晶粒進一步長大。另一方面，深冷處理明顯改善了基體與碳化物之間的分布，使組織細化，碳化物更加細小，且殘余奧氏體量明顯少于同溫度下未經深冷處理的組織。

2.2 熱處理對高鉻鑄鐵硬度的影響

不同淬火溫度下和有無深冷處理時高鉻鑄鐵的平均硬度值如表2所示。可以看出，不同溫度的固溶處理對高鉻鑄鐵的硬度變化有明顯影響。當固溶處理溫度在920 ℃以下時，隨著固溶處理溫度的升高，硬度值逐漸提升，這是由于碳化物分布更加均勻，析出量也增多，穩(wěn)定了基體，符合顯微組織分析結果。當固溶處理溫度在920 ℃及以上時，大部分合金碳化物溶解于奧氏體中，隨后淬火+回火生成馬氏體和殘余奧氏體，硬度下降，隨著固溶處理溫度的繼續(xù)升高，碳化物溶解，殘余奧氏體量增多，故硬度有所下降。

深冷處理普遍降低了高鉻鑄鐵硬度。當固溶處理溫度在920 ℃以下時，在相同溫度下，深冷處理使合金元素和碳的擴散受到限制，碳化物的形成較為集中，一定程度上導致硬度降低;當固溶處理溫度在920 ℃以上時，深冷處理促進了殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，宏觀硬度應隨之提高，而深冷處理后的硬度值低于未深冷處理的試樣，與理論不符。關于此處硬度值出現的特異情況，還需進一步進行探究。

2.3 熱處理對高鉻鑄鐵耐磨性的影響

高鉻鑄鐵磨損量變化如圖3所示。可以看出，磨損60 min整體磨損量變化趨勢與磨損30 min大致相同。其中，固溶處理溫度為870 ℃與970 ℃的試樣磨損量最小，耐磨性較為優(yōu)良。

當固溶處理溫度在920 ℃以下時，隨著固溶處理溫度的升高，磨損量下降，耐磨性得到提升。這是由于碳化物析出量增多，分布更加均勻，且部分碳化物由桿狀轉變?yōu)閴K狀所致;當固溶處理溫度在920 ℃以上時，隨著固溶處理溫度的升高，磨損量上升，耐磨性能減弱。這是由于高鉻鑄鐵內部殘余奧氏體量增多，馬氏體量減少所致。

固溶處理溫度高于920 ℃時，磨損量普遍高于870 ℃處理的試樣。這是由于碳化物硬度高于馬氏體，在抗摩擦磨損過程中貢獻大于馬氏體，因此以馬氏體為主的高鉻鑄鐵的磨損量上升，故其耐磨性低于以碳化物為主的高鉻鑄鐵。

當固溶處理溫度在920 ℃以下時，B工藝的耐磨性低于A工藝。這是由于深冷處理導致了碳化物的集中，使基體的穩(wěn)定性下降，在實驗中更容易被磨損;當固溶處理溫度在920 ℃以上時，B工藝的耐磨性高于A工藝。這是由于深冷處理使殘余奧氏體轉化為馬氏體的量增多，增強了基體的強韌性。

3 結論

文中就熱處理對高鉻鑄鋼組織和性能的影響進行了研究，結果表明：

（1）當固溶處理溫度在920 ℃以下時，淬火+回火后的組織為鑄態(tài)組織（桿狀和粒狀的碳化物、初生固溶體和二次碳化物）;當固溶處理溫度920 ℃及以上時，淬火+回火后鑄態(tài)組織消失，出現淬火組織（回火馬氏體、殘余奧氏體和少量碳化物）。隨著固溶處理溫度的升高，高鉻鑄鐵硬度與耐磨性先升高后下降，在870 ℃時硬度達到最大值，耐磨性能最優(yōu)。

（2）深冷處理普遍降低了高鉻鑄鐵的硬度，對于淬火組織的高鉻鑄鐵試樣，深冷處理引起其硬度下降的機理仍需進一步研究。深冷處理不能提升鑄態(tài)組織高鉻鑄鐵的耐磨性，但可以提升淬火組織高鉻鑄鐵的耐磨性。

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