劉 芬， 宋春梅， 周海濤， 榮守范， 朱永長(zhǎng) ， 韓苗苗

(1. 佳木斯中唯實(shí)業(yè)有限公司，黑龍江佳木斯154007;2. 佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007 )

0 引 言

鉻系白口鑄鐵產(chǎn)生于20 世紀(jì)初期，隨著工業(yè)化水平的提高，耐磨材料也逐漸由普通白口鑄鐵、高錳鋼、鎳硬鑄鐵向鉻系白口鑄鐵發(fā)展［1-3］. 近年來(lái)，為滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)日趨提高的苛刻要求，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)鉻系白口鑄鐵中進(jìn)行了大量研究，并結(jié)合相應(yīng)的熱處理工藝，使得材料的性能得到不斷提高.目前在礦山開(kāi)采及物料破碎方面都有著大量的應(yīng)用，并取代了耐磨鍛鋼、中錳球鐵和低合金鋼等材質(zhì)，主要用于生產(chǎn)磨球、錘頭及鄂板等，其中部分高校科研院所結(jié)合液固、液液等金屬?gòu)?fù)合技術(shù)，有效的將鉻系白口鑄鐵與其他合金材料有效復(fù)合在一起，更充分發(fā)揮了鉻系白口鑄鐵高耐磨性的優(yōu)勢(shì)，從而降低材質(zhì)本身對(duì)于韌性的要求［4，5］. 對(duì)于鉻系白口鑄鐵中影響性能的主要因素為鉻碳比及熱處理工藝，因此研究鉻元素的作用及熱處理工藝就顯得尤為必要［6，7］.

本文主要通過(guò)改變鉻的含量，利用中頻爐對(duì)高鉻鑄鐵進(jìn)行熔煉，通過(guò)調(diào)控成分、澆注及熱處理工藝，研究了熱處理工藝參數(shù)對(duì)高鉻鑄鐵組織與性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

為了保證高鉻鑄鐵具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，通常根據(jù)鐵碳相圖采用亞共晶成分，主要是為了保證材料具有一定的韌性.實(shí)驗(yàn)成分確定Cr 含量分別為12%、14%、16%，C 含量為3.2% ～3.4%.材料的化學(xué)成分如表1 所示.

表1 不同試樣的化學(xué)成分(wt%)

本實(shí)驗(yàn)利用了GW -0.02 -60/25J 中頻無(wú)鐵芯式感應(yīng)電爐，進(jìn)行熔煉處理. 將獲得的試樣放在SX2 -2.5 -12 箱式熱處理爐中進(jìn)行熱處理. 熱處理工藝參數(shù)如表2.

利用HR -150A 洛氏硬度計(jì)對(duì)材料的宏觀(guān)硬度進(jìn)行的測(cè)試. 采用ZBC -300B 型全自動(dòng)金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)獲取沖擊韌性值. 然后利用OLYMPUS-GX71 型光學(xué)電子顯微鏡對(duì)材料的顯微組織進(jìn)行觀(guān)察.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高鉻鑄鐵的微觀(guān)組織

高鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織根據(jù)加熱和冷卻條件的不同，可以有多種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物. 本實(shí)驗(yàn)中高鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織如圖1 所示. Cr12 高鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織為:初生奧氏體+碳化物，其中碳化物有兩種，一種是塊狀M7C3型，一種是共晶碳化物，每一共晶團(tuán)的碳化物呈菊花瓣?duì)罘植?，彼此被基體組織隔離;Cr14 的鑄態(tài)組織為:奧氏體+碳化物，其中碳化物是M7C3型;Cr16 的鑄態(tài)組織為:奧氏體基體+碳化物，其中碳化物是M7C3 型.

圖1 高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織(×100)

圖2 Cr12 經(jīng)不同介質(zhì)淬火后高鉻鐵的組織形態(tài)(×100)

圖3 Cr14 經(jīng)不同介質(zhì)淬火后高鉻鑄鐵的組織形態(tài)(×100)

圖4 Cr16 經(jīng)不同介質(zhì)淬火后高鉻鑄鐵的組織形態(tài)(×100)

2.2 熱處理工藝對(duì)組織的影響

在鑄態(tài)組織經(jīng)過(guò)加熱奧氏體化以后，隨著熱處理工藝條件的改變，奧氏體基體中的過(guò)飽和合金元素以二次碳化物析出，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性，最終轉(zhuǎn)變成馬氏體，在提高材料基體本身硬度的同時(shí)，降低了白口鑄鐵的沖擊韌性.從圖2 ～圖4中可以看出，鑄態(tài)組織中的網(wǎng)狀碳化物消失，碳化物的尖角也發(fā)生了明顯的改變，碳化物組織鑄件趨于塊狀，對(duì)基體的割裂作用大大降低，從而利于提高鑄鐵的沖擊韌性，結(jié)果也說(shuō)明了熱處理后的沖擊韌性要優(yōu)于鑄態(tài).

從圖2 可知，淬火后基體組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但由于馬氏體轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，還有部分殘余奧氏體析出二次碳化物，這種組織配合使高鉻鑄鐵的硬度提高到HRC66 以上.

從圖3 可以看出:淬火后高鉻鑄鐵組織為馬氏體+碳化物，碳化物包含M7C3型塊狀碳化物和團(tuán)狀共晶碳化物，使高鉻鑄鐵的硬度提高到HRC65以上.

從圖4 可以看出:淬火后高鉻鑄鐵組織為馬氏體+碳化物，碳化物包含M7C3型塊狀碳化物和菊花狀共晶碳化物，使高鉻鑄鐵的硬度提高到HRC66 以上.

圖5 鉻對(duì)高鉻鑄鐵硬度的影響

表2 不同成分的高鉻鑄鐵的熱處理工藝

表3 鑄態(tài)及不同介質(zhì)淬火后高鉻鑄鐵試樣的硬度HRC

2.3 熱處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

用HR-150A 型洛氏硬度計(jì)測(cè)平均硬度值，見(jiàn)表3.

在ZBC-300B 型全自動(dòng)金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上做無(wú)缺口沖擊韌性試驗(yàn)，算出試樣的αk 平均值結(jié)果見(jiàn)表4

表4 鑄態(tài)及不同介質(zhì)淬火后高鉻鑄鐵試樣的沖擊韌性(J·cm-2)

隨著鉻元素含量的增加，高鉻鑄鐵的洛氏硬度也同步得到提高. 一方面，淬火溫度的升高使得基體的溶碳量增加，經(jīng)過(guò)淬火處理后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體促使硬度升高;另一方面，根據(jù)F. Maratry 的回歸方程式［8］:碳化物(%)=12. 33·(%C)+0. 55·(%Cr)-15.2，獲得各類(lèi)試樣含碳化物質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為:Cr12 是33.3%，Cr14 是34.4%，Cr16 是35.5%.每組試樣所含碳化物數(shù)量呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)，根據(jù)鉻碳比影響碳化物形成規(guī)律，結(jié)合實(shí)際獲得的顯微組織，碳化物的類(lèi)型主要是M7C3型，如圖5 所示.

為獲得高的淬透性，通常加入大量的合金元素Mo、Cu 等，使C 曲線(xiàn)右移，提高馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms，獲得二次碳化物彌散分布的全馬氏體基體組織.本次試驗(yàn)未添加Cr，Mo，但對(duì)材料的本身的淬透性并未產(chǎn)生影響，主要是因?yàn)樵嚇咏孛娣e較小產(chǎn)生的，這將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步證明.

3 結(jié) 論

(1)高鉻鑄鐵經(jīng)過(guò)不同的淬火處理后，獲得了具有較高洛氏硬度的馬氏體基體組織和彌散分布M7C3碳化物，削減了碳化物對(duì)沖擊韌性影響.

(2)鑄鐵基體組織中碳化物主要是初生碳化物和二次碳化物，碳化物呈條塊狀.

(3)實(shí)驗(yàn)材料中未添加Mo，Cu 等元素，但對(duì)實(shí)驗(yàn)材料本身的淬透性未產(chǎn)生較大影響.

［1］ 孫志平，沈保羅，高升吉. 高鉻白口鑄鐵耐磨性和顯微組織的關(guān)系［J］. 金屬熱處理，2005(7):60 -64.

［2］ 王均，沈保羅，高升吉等. 16Cr2Mo1Cu 高鉻鑄鐵在亞臨界處理中硬化行為研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2005(1):78 -81.

［3］ 孫曉敏，楊華. 變質(zhì)劑及熱處理對(duì)高鉻鑄鐵組織性能的影響［J］.熱加工工藝，2007，36(9):30 -32.

［4］ 張山綱，張劍波，朱保鋼. 高碳高鉻白口鑄鐵材料及其應(yīng)用［J］.鑄造技術(shù)，2005(9):842 -849.

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［6］ 子澍. 高鉻白口鑄鐵熱處理工藝的改進(jìn)［J］. 現(xiàn)代鑄鐵，2005(2):5 -8.

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［8］ 榮守范，朱永長(zhǎng). 鑄造金屬耐磨材料手冊(cè)［M］. 化學(xué)工業(yè)出版社，2008.10.