王松 張衛(wèi)紅 周?chē)[穎 王建剛

摘 要： 為了解決熱磨片服役過(guò)程中出現(xiàn)的磨損失效問(wèn)題，對(duì)高碳熱磨片在淬火回火過(guò)程中的顯微組織變化及耐磨性進(jìn)行了研究。以高鉻高碳鑄鐵為研究對(duì)象，利用金相顯微鏡、X射線(xiàn)衍射儀、硬度計(jì)、磨損試驗(yàn)機(jī)等對(duì)經(jīng)過(guò)熱處理后的樣品進(jìn)行組織觀察和性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：樣品原始組織由初生（Cr，F(xiàn)e）7C3、共晶（Cr，F(xiàn)e）7C3、馬氏體及奧氏體組成;低溫回火時(shí)，碳化物變化不明顯，基體為回火馬氏體+奧氏體;隨著回火溫度的升高，碳化物逐漸增加，回火馬氏體逐漸減少;當(dāng)溫度超過(guò)450 ℃時(shí)，回火馬氏體消失，基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+奧氏體;硬度隨回火溫度的升高呈現(xiàn)先略微減小、然后增大再減小的趨勢(shì)，在450 ℃時(shí)硬度最高，為63.4HRC;與鑄態(tài)相比，均勻分布的碳化物耐磨性提高了2.53倍。研究淬火回火工藝對(duì)高碳熱磨片顯微組織及耐磨性的影響，為提高高碳熱磨片的耐磨性、延長(zhǎng)其使用壽命提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 黑色金屬及其合金;高鉻鑄鐵;熱處理;組織轉(zhuǎn)變;碳化物;磨損性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG163文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

doi：10.7535/hbkd.2020yx06008

Effect of quenching and tempering processes on microstructure and

wear resistance of high-carbon hot grinding disc

WANG Song1，2， ZHANG Weihong3， ZHOU Xiaoying1，2， WANG Jiangang1，2

（1.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China;2. Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3.Hebei Qianjin Machinery Factory， Shijiazhuang， Hebei 050035， China）

Abstract：

In order to solve the problem of wear failure during the service of the hot grinding discs， the microstructure changes and wear resistance of high-carbon hot grinding discs during quenching and tempering were investigated. Taking high chromium high carbon cast iron as the research object， the microstructure and performance of the heat-treated specimen were studied by means of metallographic microscope， X-ray diffraction， hardness tester and wear tester. The results show that the original microstructure consists of primary （Cr，F(xiàn)e）7C3， eutectic （Cr，F(xiàn)e）7C3， martensite and austenite. When tempering at a lower temperature， the carbides are not obviously changed and the matrix is tempered martensite and austenite; with the increase of temperature， the carbides gradually increases and the tempered martensite gradually decreases; the tempered martensite disappears and the matrix microstructure changes to ferrite and austenite over 450 ℃. The hardness first decreases slightly， then increases and finally decreases， and the maximum value is 63.4HRC at 450 ℃. The wear resistance of uniformly distributed carbides is increased by 2.53 times. The results of the effect of quenching and tempering process on the microstructure and wear resistance of high-carbon hot grinding disc provide a theoretical basis for improving the wear resistance and service life of high-carbon hot grinding disc.

Keywords：ferrous metal and its alloy; high-chromium cast iron; heat treatment; microstructure change; carbide; wear performance

木材粉碎過(guò)程中所使用的熱磨片通常采用高耐磨的高鉻鑄鐵制作，該部件屬于易損件，在服役過(guò)程中受到溫度、交變載荷、酸性介質(zhì)、木材中夾雜的硬質(zhì)顆粒等影響，會(huì)導(dǎo)致零件因磨損而失效。熱磨片使用壽命的縮短會(huì)提高成本，降低效率，增加能耗，直接影響纖維板制造行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。

目前，市場(chǎng)上使用的熱磨片含碳量為2.5%～3.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），硬度為55～65 HRC，常在鑄態(tài)下直接使用，服役過(guò)程中易發(fā)生碳化物剝落，嚴(yán)重影響其耐磨性和使用壽命[5-6]。研究表明，除基體外，碳化物的數(shù)量、形態(tài)及大小對(duì)耐磨性的影響也較為顯著[7-9]。碳化物量的增加可以提高材料硬度，提升磨損性能[10-11]。鄧進(jìn)俊等[12]發(fā)現(xiàn)，增加碳化物的析出量能夠提高顯微組織硬度，與鑄態(tài)相比，磨損量減少了35%。提高含碳量可以增加碳化物量，但是碳化物超過(guò)一定量后會(huì)以網(wǎng)狀析出，割裂基體，導(dǎo)致耐磨性降低[13]。碳化物的形態(tài)可由熱處理進(jìn)行調(diào)控[14-15]。WIENGMOON等[16]發(fā)現(xiàn)，將高鉻鑄鐵在奧氏體化溫度保溫一定時(shí)間，二次碳化物會(huì)以點(diǎn)狀、方形狀析出。毛雙亮等[17]研究發(fā)現(xiàn)，初生奧氏體中析出的二次碳化物顆粒的大小會(huì)隨著淬火溫度的變化而改變，溫度高時(shí)顆粒較大，溫度低時(shí)顆粒較小。張瑞娜等[18]通過(guò)調(diào)整28Cr-3.37C高鉻鑄鐵的回火溫度，發(fā)現(xiàn)在510 ℃時(shí)碳化物呈彌散細(xì)小分布，此時(shí)的綜合性能較好，溫度升高時(shí)碳化物會(huì)發(fā)生聚集和長(zhǎng)大。

為了提高高碳熱磨片的抗磨損性能，本文擬以含碳量達(dá)到4%以上的高鉻高碳鑄鐵為研究對(duì)象，采用不同熱處理工藝對(duì)高碳熱磨片在淬火回火過(guò)程中的顯微組織變化及耐磨性進(jìn)行研究，并對(duì)碳化物的形態(tài)進(jìn)行調(diào)控，避免網(wǎng)狀碳化物的析出。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

高鉻高碳鑄鐵的化學(xué)成分見(jiàn)表1。將試樣線(xiàn)切割成10 mm×10 mm×10 mm的方形試樣。采用KSL-1400X型熱處理爐進(jìn)行熱處理，控溫精度為±1 ℃。將試樣分別加熱到980，1 000，1 020和1 050 ℃，保溫2 h后空冷，分析不同淬火溫度下的組織變化。對(duì)淬火后組織和性能較好的樣品，分別在250，350，450和550℃進(jìn)行回火，保溫3 h空冷。采用VERTA1型德國(guó)蔡司金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，采用HR-45型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，載荷為150 N，加載時(shí)間為10 s。采用MMW-1型萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，磨件為外貼240號(hào)SiC砂紙的45號(hào)鋼圓環(huán)，實(shí)驗(yàn)力為30 N，轉(zhuǎn)速為120 r/min，時(shí)間為3 min。試樣在磨損前后都要進(jìn)行超聲波清洗、吹干并稱(chēng)重，計(jì)算磨損前后質(zhì)量損失。采用VEGA3鎢絲掃描電鏡觀察磨損面，觀察前對(duì)磨損面進(jìn)行清洗。

2 結(jié)果與討論

2.1 高鉻高碳鑄鐵顯微組織及失效分析

圖1為試驗(yàn)材料的原始組織及XRD衍射圖。由圖1可知，該高鉻高碳鑄鐵組織由初生碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C3（六方形）、共晶碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C3、馬氏體及殘余奧氏體（黑色部分）組成。當(dāng)鉻含量超過(guò)27%時(shí)，材料共晶點(diǎn)的含碳量由4.3%降低到2.9%左右[12]，因此該成分的合金屬于過(guò)共晶合金。較高的含碳量使初生碳化物的數(shù)量較多，平均尺寸約為48.3 μm，在初生碳化物的周?chē)霈F(xiàn)菊花狀的共晶碳化物[19]。

為了研究熱磨片服役過(guò)程中的磨損行為，在高溫（70～80 ℃）、酸性（pH值為4～5）、高濕、密閉環(huán)境下，以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速，對(duì)由高鉻高碳鑄鐵所制備的熱磨片磨削木材20 d后的表面形貌進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，磨損表面劃痕較多，在高倍鏡下發(fā)現(xiàn)了碳化物的剝落坑，并出現(xiàn)少部分裂紋。采用熱磨片粉碎木材時(shí)，木材中會(huì)夾雜著SiO2等硬質(zhì)顆粒，表面摩擦?xí)r，在一定壓力下這些顆粒一方面會(huì)對(duì)磨片表面進(jìn)行切削，出現(xiàn)磨粒磨損，產(chǎn)生溝痕;另一方面，這些顆粒與木材混合，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)磨片表面進(jìn)行反復(fù)沖擊，出現(xiàn)疲勞磨損，產(chǎn)生裂紋。初生碳化物出現(xiàn)折斷和剝落的原因是硬質(zhì)顆粒在高壓力下“刻入”碳化物，而碳化物的硬度高，韌性較差，在進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，磨粒給予碳化物的壓力很難通過(guò)形變進(jìn)行釋放;另外，基體為奧氏體，硬度較低，對(duì)碳化物支撐作用較弱，產(chǎn)生崩斷現(xiàn)象[20]。

2.2 淬火溫度對(duì)高鉻高碳鑄鐵組織及硬度的影響

圖3為不同淬火溫度下的高鉻高碳鑄鐵的顯微組織。由圖3可知，淬火后的基體組織均由馬氏體和奧氏體組成。隨著淬火溫度的升高，初生碳化物的形態(tài)并未發(fā)生明顯變化，而共晶碳化物的形態(tài)變化明顯，數(shù)量下降。溫度升高，共晶碳化物中的碳和合金元素會(huì)熔于奧氏體中，淬火后得到的馬氏體含碳量較高，從而產(chǎn)生晶格畸變，使衍射峰向左略微偏移，如圖4所示。XRD圖譜顯示，溫度超過(guò)1 000 ℃時(shí)，由于奧氏體中溶入較多的碳和合金元素，使得奧氏體的穩(wěn)定性增加，Ms點(diǎn)降低。在連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的量減少，更多奧氏體得以保留，衍射峰增強(qiáng)。

圖5為不同淬火溫度后高鉻高碳鑄鐵的硬度變化曲線(xiàn)。由圖5可知，硬度隨溫度的升高先上升后下降，在1 000 ℃硬度最大。由組織分析可知，硬度上升主要是由于馬氏體中的含碳量增加，得到較硬的高碳馬氏體;硬度下降是由于Ms點(diǎn)降低，組織中的殘余奧氏體量增加。

2.3 回火溫度對(duì)高碳高鉻鑄鐵組織和性能的影響

通過(guò)對(duì)不同淬火溫度的研究發(fā)現(xiàn)，在1 000 ℃下試樣的硬度較高，整體性能較好。圖6為該溫度下試樣不同回火后的顯微組織。用ProImaging軟件測(cè)定腐蝕后不同回火溫度的碳化物體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖7所示。回火過(guò)程主要是馬氏體的分解、鉻的碳化物析出以及殘余奧氏體轉(zhuǎn)變。隨著回火溫度的升高，基體由馬氏體+奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe+殘余奧氏體;由于馬氏體分解，初生碳化物和共晶碳化物產(chǎn)生的熔斷呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并均勻彌散分布在基體上。溫度過(guò)高時(shí)，二次碳化物團(tuán)聚并長(zhǎng)大，由原來(lái)顆粒狀、針狀變?yōu)殚L(zhǎng)條狀、塊狀。圖8為不同回火溫度試樣的XRD 曲線(xiàn)。由圖8可以看出，在250 ℃時(shí)，主要由馬氏體、M7C3、殘余奧氏體組成;隨著回火溫度升高至450 ℃，馬氏體衍射峰明顯降低，同時(shí)α-Fe相和M7C3衍射峰升高;當(dāng)回火溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，合金主要由α-Fe，M7C3及殘余奧氏體相組成，與上述組織轉(zhuǎn)變過(guò)程一致。

圖9為不同回火溫度后試樣硬度的變化曲線(xiàn)。由圖9可以看出，硬度呈現(xiàn)先略微下降然后上升再下降的趨勢(shì)。隨著碳化物的析出，回火馬氏體的碳含量降低，硬度下降，在350 ℃時(shí)碳化物分布不太均勻，彌散強(qiáng)化效果略低于組織硬度的降低，兩者綜合后使得硬度略微降低;回火溫度升高，碳化物均勻分布并對(duì)硬度起主導(dǎo)作用，使得硬度升高;在550 ℃基體轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe+奧氏體，致使硬度急劇降低。

2.4 耐磨性能測(cè)試

對(duì)回火后的試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，其中相對(duì)耐磨倍率[21]β=鑄態(tài)試樣磨損失重?zé)崽幚砗笤嚇幽p失重。

由表2可知，單位面積磨損失重隨著回火溫度的升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在450 ℃時(shí)最小值為0.133 mg/mm2，此時(shí)β值最大（2.53）;與已有報(bào)道的中碳高鉻鑄鐵相比[21]，相對(duì)耐磨倍率得到提高;硬度值為63.4HRC，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（57.5HRC以上）[1]。

試樣的磨損表面形貌如圖10所示。隨著回火溫度的升高，碳化物逐漸增加且均勻分布，對(duì)基體的保護(hù)作用增強(qiáng)，從而使溝痕逐漸變淺，碳化物剝落坑變少。當(dāng)溫度增加到550 ℃時(shí)，基體轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe和殘余奧氏體，與碳化物的硬度相差較大，磨損時(shí)易導(dǎo)致碳化物剝落，耐磨性降低。

3 結(jié) 論

1）高鉻高碳鑄鐵組織由初生碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C3、共晶碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C3、馬氏體及殘余奧氏體組成，經(jīng)過(guò)1 000 ℃×2 h+450 ℃×3 h熱處理后，組織由M7C3型碳化物、回火馬氏體、少量殘余奧氏體組成。通過(guò)熱處理調(diào)控，碳化物含量提高到38.86%，均勻分布，基體組織得到改善。

2） 高碳熱磨片在工作條件下的失效形式主要為磨粒磨損，并伴有疲勞磨損。

3） 隨著淬火溫度的升高，高鉻高碳鑄鐵的硬度呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢(shì)，在1 000 ℃達(dá)到最高值60.7HRC;1 000 ℃淬火后，隨著回火溫度的升高，高鉻高碳鑄鐵的硬度先略微下降再升高后下降，在450 ℃達(dá)到最高值63.4HRC;隨著回火溫度的升高，耐磨性先增加、后減少，在450 ℃耐磨性達(dá)到最佳，相較于鑄態(tài)提高了2.53倍。

4） 本文在碳化物對(duì)磨損性能提升量化方面的研究還存在不足之處，下一步需要在此方面進(jìn)行深入探討。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]吳江，潘東杰，黃列群，等.我國(guó)熱磨機(jī)磨片的研究應(yīng)用及發(fā)展[J].鑄造技術(shù)，2015，36（10）： 2443-2447.

WU Jiang， PAN Dongjie， HUANG Liequn， et al. Application and development of refiner plate of defibrator[J]. Foundry Technology， 2015， 36（10）：2443-2447.

[2]郭克星，夏鵬舉.稀土鎂變質(zhì)對(duì)金屬型鑄造高鉻鑄鐵Cr26耐磨性的影響[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2019，47（2）： 39-44.

GUO Kexing， XIA Pengju. Effect of rare earth magnesium modification on wear resistance of permanent-mould high chromium cast iron Cr26[J]. Rare Metals and Cemented Carbides， 2019， 47（2）：39-44.

[3]徐立燁，郝曉燕，劉金海，等.熱磨機(jī)高Cr鑄鐵磨片失效分析[J].現(xiàn)代鑄鐵，2013，33（6）：48-53.

XU Liye， HAO Xiaoyan， LIU Jinhai， et al. Failure analysis of high chromium cast iron grinding plate of defibrator[J]. Modern Cast Iron， 2013， 33（6）：48-53.

[4]李鐵功，馬國(guó)斌，王娟，等.澆注方式對(duì)WCp/Fe復(fù)合材料耐磨性能的影響[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（3）：281-288.

LI Tiegong， MA Guobin， WANG Juan， et al. Effect of pouring method on wear resistance of WCp/Fe composites [J]. Journal of Hebei University of Science and Technology， 2020， 41（3）：281-288.

[5]韓彥軍，智小慧，郭文武，等.熱處理對(duì)含Ti過(guò)共晶高鉻鑄鐵組織和性能的影響[J].稀有金屬材料和工程，2010，39（1）： 142-145.

HAN Yanjun， ZHI Xiaohui， GUO Wenwu， et al. Influence of heat-treatment on the microstructure and properties of hypereutectic high-chromium cast iron containing Ti[J]. Rare Metal Materials and Engineering， 2010， 39（1）：142-145.

[6]歐陽(yáng)琳.熱磨機(jī)磨片的磨損、材質(zhì)及經(jīng)濟(jì)分析[J].木材工業(yè)，1998，12（5）：25-27.

OUYANG Lin. Abrasiveness， properties and economic analysis of defibrator discs[J]. China Wood Industry， 1998， 12（5）：25-27.

[7]王均，曾明，楊宏山，等.不同熱處理對(duì)一種高鉻鑄鐵組織的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2005，26（6）：75-79.

[8] MARATRAY F， POULALION A. Austenite retention in high-chromium white irons[J]. Transactions of the American Fisheries Society， 1982， 122：795-804.

[9]賀占紅，田亞丁，賴(lài)成.熱處理回火溫度對(duì)Cr26高鉻鑄鐵組織與性能的影響[J].材料保護(hù)，2017，50（2）：102-104.

HE Zhanhong， TIAN Yading， LAI Cheng. Influences of tempering temperature on microstructureand properties of Cr26 high chromium cast iron[J]. Materials Protection， 2017， 50（2）：102-104.

[10]WIENGMOON A， PEARCE J T H， CHAIRUANGSR T. Relationship between microstructure，hardness and corrosion resistance in 20%Cr，27%Cr and 36%Cr high chromium cast irons[J]. Materials Chemistry and Physics， 2011， 125（3）：739-748.

[11]王玉江，宋百隆，魏世丞，等.含碳量及熱處理工藝對(duì)高鉻鑄鐵組織與耐磨性的影響[J].金屬熱處理，2018，43（2）：30-34.

WANG Yujiang， SONG Bailong， WEI Shicheng， et al. Effects of carbon content and heat treatment process on microstructure and wear resistance of high chromium cast iron[J]. Heat Treatment of Metals， 2018， 43（2）：30-34.

[12] 鄧進(jìn)俊，邵紅紅，彭玉婷，等.熱處理對(duì)高鉻鑄鐵組織與耐磨性的影響[J].金屬熱處理，2013，38（3）：82-85.

DENG Jinjun， SHAO Honghong， PENG Yuting， et al. Effects ofheat treatment on microstructure and wear resistance of high chromium cast iron[J]. Heat Treatment of Metals， 2013， 38（3）：82-85.

[13]楊誠(chéng)凱，李衛(wèi). 含碳量對(duì)過(guò)共晶高鉻鑄鐵顯微組織與耐磨性的影響[J].鑄造，2012，61（12）： 1393-1396.

YANG Chengkai， LI Wei. Effects of carbon contents on microstructure and wear resistance of the hypereutectic high chromium cast iron[J]. Foundry， 2012， 61（12）：1393-1396.

[14] 付玲，劉延斌，李飛.熱處理工藝對(duì)Cr26型高鉻鑄鐵組織與性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2015，36（3）： 40-44.

FU Ling， LIU Yanbin， LI Fei.Effect of heat treatment on microstructure and properties of Cr26 high chromium cast iron[J].Transactions of Materials and Heat Treatment， 2015， 36（3）：40-44.

[15] ZUMELZU E， GOYOS I， CABEZAS C， et al. Wear and corrosion behavior of high-chromium （14%～30% Cr）cast iron alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2002， 128（1/2/3）：250-255.

[16] WIENGMOON A， CHAIRUANGSIR T， PEWACE J T H.A microstructural study of destabilised 30%Cr-2.3%C high chromium cast iron[J]. Transactions of the Iron & Steel Institute of Japan， 2004， 44（2）：396-403.

[17]毛雙亮，水恒勇，陳閃閃，等. Cr26型高鉻鑄鐵組織性能及其熱處理工藝[J].鑄造技術(shù)，2011，32（9）：1230-1233.

MAO Shuangliang， SHUI Hengyong， CHEN Shanshan， et al. Microstructures and properties of Cr26 high chromium cast iron and its heat treatment[J]. Foundry Technology， 2011， 32（9）：1230-1233.

[18]張瑞娜，王毅堅(jiān)，索忠源，等.高碳高鉻鑄鐵淬回火工藝對(duì)組織及硬度的影響[J].熱加工工藝，2018，47（18）：217-223.

ZHANG Ruina， WANG Yijian， SUO Zhongyuan， et al.Influence of quenching and tempering process on microstructure and hardness of high carbon high chromium cast iron[J].Hot Working Technology， 2018， 47（18）：217-223.

[19]王春景，鄧宏遠(yuǎn)，陳自立，等.高鉻鑄鐵生產(chǎn)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[20]邢建東，王小同，陸文華.在不同磨料磨損條件下高鉻鑄鐵磨損過(guò)程的研討[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1982，16（5）：118-128.

XING Jiandong， WANG Xiaotong， LU Wenhua. The investigation on the abrasive wear resistanceof high-Cr cast irons[J]. Journal of Xi′anJiaotong University， 1982， 16（5）：118-128.

[21] 孫志平，沈保羅，高升吉，等.亞臨界熱處理對(duì)高鉻白口鑄鐵組織和耐磨性的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2003，24（3）： 54-57.

SUN Zhiping， SHEN Baoluo， GAO Shengji，et al.

Effect of subcritieal treatment on microstructure and wear resistance of a high chrome white cast iron[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment，

2003，24（3）：54-57.