高鉻鑄鐵熱處理工藝論文范文

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1實(shí)驗(yàn)材料與方法

Cr26型高鉻鑄鐵的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Cr:26，Mo:0.3，Ni:0.2，V:0.8，Mn:0.5，Si:1.0，P:0.05，S:0.05，F(xiàn)e余量。原材料為廢鋼、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、鉬鐵、釩鐵、電解鎳，采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，出爐溫度1480～1500℃，澆注溫度為1380～1430℃，采用消失模鑄造工藝澆注成22mm×22mm×120mm的試塊，后續(xù)便于加工無缺口沖擊試樣。為探索淬火工藝對(duì)Cr26型高鉻鑄鐵硬度、沖擊韌性和微觀組織的影響，采用了950、1000、1050、1100和1150℃保溫2h后空冷和1150℃保溫2h后爐冷至950℃空冷共計(jì)6種方案，試樣全部隨爐升溫。宏觀硬度在HD-187.5型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行測試，顯微硬度在VICKERS402MVD型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行測試。采用JB30A型沖擊試驗(yàn)機(jī)測試高鉻鑄鐵的沖擊韌性值，采用NovaNanoSEM230型高分辨掃描電鏡觀察高鉻鑄鐵的顯微組織，采用D/max-2550VB型X-射線衍射儀測試高鉻鑄鐵的物相成分。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1高鉻鑄鐵力學(xué)性能高鉻鑄鐵鑄態(tài)及不同熱處理方式后試樣力學(xué)性能曲線如圖1和圖2所示。由圖1可知，從950℃到1150℃的脫穩(wěn)處理試樣顯著提高鑄態(tài)高鉻鑄鐵的宏觀硬度和基體顯微硬度。同時(shí)高鉻鑄鐵宏觀硬度和基體顯微硬度均隨淬火溫度先增加后減小，在1050℃達(dá)到峰值。而1150℃保溫2h后爐冷至950℃再空冷的試樣宏觀硬度和基體顯微硬度與950℃時(shí)脫穩(wěn)處理試樣相當(dāng)，但比1150℃時(shí)脫穩(wěn)處理試樣要高。由圖2可知，沖擊韌性數(shù)值差別不大，范圍4.0～4.5J/cm2。高鉻鑄鐵的宏觀硬度變化規(guī)律與基體的顯微硬度變化規(guī)律基本保持一致，說明熱處理工藝通過改變高鉻鑄鐵基體組織，從而影響材料的宏觀硬度。

2.2微觀組織圖3為高鉻鑄鐵鑄態(tài)顯微組織，由圖3可知，初生碳化物尺寸較小(15～30μm)，分布均勻，共晶碳化物呈塊狀、短棒狀、細(xì)桿狀彌散分布，碳化物分布形式對(duì)基體割裂作用大大減小，磨損時(shí)可以有效保護(hù)基體，有利于提高材料耐磨性［3，11-12］，基體中無二次碳化物析出。能譜分析表明，基體中碳和鉻元素含量均處在較高水平，如圖4所示。圖5為高鉻鑄鐵經(jīng)過不同熱處理方式后的顯微組織，高鉻鑄鐵初生、共晶碳化物變化較小，重點(diǎn)分析了基體中二次碳化物的變化。由圖5可知，經(jīng)過950℃脫穩(wěn)處理后試樣中彌散析出大量二次碳化物(如圖5a所示)，溫度增至1050℃時(shí)二次碳化物數(shù)量減少、尺寸有所增大(如圖5b所示)，當(dāng)溫度繼續(xù)增至1150℃時(shí)，基體中幾乎沒有二次碳化物的析出(如圖5c所示)。對(duì)于1150℃保溫2h后爐冷至950℃再空冷的試樣，基體中有少量顆粒尺寸較大的二次碳化物析出(如圖5d所示)。

2.3XRD物相分析圖6為高鉻鑄鐵鑄態(tài)和熱處理后試樣XRD圖譜，由圖6可知，高鉻鑄鐵鑄態(tài)和熱處理態(tài)試樣均由M7C3型碳化物、奧氏體、馬氏體組成，其它物相峰不明顯。950℃時(shí)脫穩(wěn)處理試樣奧氏體的物相峰幾乎完全消失，而馬氏體峰顯著增強(qiáng)(如圖6b所示);脫穩(wěn)處理溫度增加至1050℃時(shí)，奧氏體峰開始增強(qiáng)，馬氏體峰減弱(如圖6c所示);脫穩(wěn)處理溫度增加至1150℃時(shí)，奧氏體峰進(jìn)一步增強(qiáng)，馬氏體峰進(jìn)一步減弱(如圖6d所示)。而采用1150℃保溫2h后爐冷至950℃再空冷試樣，馬氏體峰強(qiáng)度又較高(如圖6e所示)。

3分析與討論

由圖1可知，高鉻鑄鐵宏觀硬度與基體的顯微硬度變化呈線性關(guān)系。分析認(rèn)為高鉻鑄鐵材料硬度是由初生碳化物、共晶碳化物和基體成分的變化共同影響。在熱處理過程中初生碳化物和共晶碳化物基本保持不變的情況下，基體成分變化勢必主要影響高鉻鑄鐵宏觀硬度的變化。高鉻鑄鐵基體強(qiáng)化因素主要包括馬氏體數(shù)量、馬氏體含碳量、二次碳化物數(shù)量等。由圖5和圖6可知，中等溫度1050℃脫穩(wěn)處理時(shí)，基體二次碳化物數(shù)量和尺寸以及馬氏體數(shù)量均處于中等水平，但該狀態(tài)硬度最高;高溫1150℃充分保溫，在低溫950℃短暫停留樣品的二次碳化物最少，有部分馬氏體生成，而低溫950℃脫穩(wěn)處理的二次碳化物析出數(shù)量多、尺寸細(xì)小，其馬氏體數(shù)量很多，但這兩種狀態(tài)的硬度基本相同。這表明除馬氏體數(shù)量和二次碳化物數(shù)量外，馬氏體含碳量在不同熱處理過程中發(fā)生了明顯變化，從而對(duì)高鉻鑄鐵的硬度有顯著影響。文獻(xiàn)研究也指出，鋼鐵材料淬火過程中，微量碳含量的變化可影響馬氏體硬度發(fā)生急劇變化。經(jīng)典理論認(rèn)為，高鉻鑄鐵基體中主要是過飽和碳及合金元素的奧氏體，在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨脫穩(wěn)熱處理進(jìn)行，奧氏體中碳和合金元素?cái)U(kuò)散能力逐漸提高，奧氏體發(fā)生分解析出二次碳化物，并且在后續(xù)冷卻過程中發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變［4-6］。二次碳化物和馬氏體這兩個(gè)分離的組織轉(zhuǎn)變過程，均對(duì)奧氏體在不同溫度下的平衡溶質(zhì)元素特別是碳元素依賴程度大，因而對(duì)脫穩(wěn)處理溫度依賴程度也高。溫度越高，奧氏體平衡碳元素濃度越高，對(duì)于二次碳化物，由于可供析出的碳元素減少，因而其析出數(shù)量不斷減少，而顆粒尺寸不斷增大，如圖5(a)～5(c)所示;對(duì)于奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程，由于淬火溫度升高，奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，因而馬氏體生成數(shù)量不斷減少，到1150℃時(shí)幾乎沒有馬氏體生成;對(duì)于馬氏體含碳量，它直接依賴于高溫奧氏體含碳量，因而馬氏體含碳量不斷增加。因此，受馬氏體含碳量影響，材料硬度峰值不出現(xiàn)在二次碳化物和馬氏體數(shù)量最多的低溫處理狀態(tài)，而是在二次碳化物和馬氏體數(shù)量中等，但馬氏體含碳量高的中等溫度脫穩(wěn)處理。文獻(xiàn)研究也指出，熱處理的高鉻鑄鐵中二次碳化物的析出和溶入及其數(shù)量的多少，是影響高鉻鑄鐵硬度的重要因素。高鉻鑄鐵適宜的淬火溫度選擇應(yīng)保證基體析出的二次碳化物量合適，即平衡奧氏體還能夠溶解一定的碳和合金元素，獲得足夠的淬透性以使較多數(shù)量的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，而馬氏體碳含量又較高，殘留奧氏體量盡可能減少。若二次碳化物析出量超過最合適的量，會(huì)使馬氏體碳含量降低，導(dǎo)致硬度降低。至于采用高溫1150℃充分保溫，在低溫950℃短暫停留后淬火工藝的試樣，由于其二次碳化物析出由高溫保溫的溫度決定，奧氏體碳和合金元素平衡濃度較高，因而二次碳化物的數(shù)量和尺寸與1150℃保溫2h后脫穩(wěn)處理相近;在由高溫向低溫隨爐冷卻過程中，高溫奧氏體中可能有尚未形成的二次碳化物形核核心生成，造成局部碳含量有起伏，因而馬氏體生成。而且在淬火過程中二次碳化物形核核心可能向馬氏體中輸送碳元素，使得馬氏體含碳量相比于低溫950℃脫穩(wěn)處理形成的馬氏體含碳量高。因此盡管二次碳化物數(shù)量和馬氏體含碳量不一樣，但這兩種熱處理狀態(tài)的硬度基本相同。此外，由圖2可知，熱處理對(duì)于Cr26高鉻鑄鐵的沖擊韌性影響不大。分析認(rèn)為由于高鉻鑄鐵材料的沖擊韌性整體偏低，屬脆性材料范疇，對(duì)于Cr26型高鉻鑄鐵其碳化物含量達(dá)30%以上，碳化物對(duì)基體的割裂作用是影響材料韌性的主要因素。由圖3和圖5可知，熱處理過程中碳化物的形貌與分布無明顯變化，因而沖擊韌性無明顯變化。

4結(jié)論

1)材料的宏觀硬度與基體顯微硬度呈線性變化規(guī)律，且隨脫穩(wěn)處理溫度提高，材料硬度先增加后減小，沖擊韌性沒有明顯變化;2)隨脫穩(wěn)處理溫度提高，基體中的二次碳化物和馬氏體數(shù)量不斷減少，而初生碳化物和共晶碳化物沒有明顯變化;3)高鉻鑄鐵基體強(qiáng)化因素主要包括馬氏體數(shù)量、馬氏體含碳量和二次碳化物數(shù)量，馬氏體含碳量是高鉻鑄鐵硬度隨脫穩(wěn)處理溫度出現(xiàn)峰值的關(guān)鍵因素。

作者：付玲劉延斌李飛單位：中聯(lián)重科股份有限公司建設(shè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室