热处理对高铬铸铁组织和性能的影响.pdf

；＼：舍：，：＼：舍：舍：舍：舍：舍： 一试验研究～ 热处理对高铬铸铁组织和性能的影响 寇飞虎 ，李保卫 ，高占勇 ，杨 亮 ，尹卫江 (1．内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头014010；2．抚顺特殊钢股份有限公司，辽宁沈阳 110004) 摘要：热处理能明显改善高铬铸铁的组织特别是碳化物的形貌。910℃水淬十450 oC回火处理，可使高铬 铸铁的基体中析出细小弥散的碳化物从而明显提高其综合力学性能，冲击韧度可达6．3 J／cm 。 关键词：高铬铸铁；热处理；碳化物形貌 中图分类号：TG163 文献标识码：A 文章编号：1008—1690(2011)o5．0036．04 E佰ect 0f Heat Treatment on Microstructure and Properties of High-chromium Cast Iron KOU Fei—hu ，LI Bao—wei ，GAO Zhan—yong ，YANG Liang ，YIN Wei-jiang (1．School of Materials and Metallurgy，Inner Mongolia University of Science and Technology；Baotou 014010， Inner Mongolia China；2．Fushun Special Steel Co．，Ltd．，Shenyang 1 10004，Liaoning China) Abstract：Microstructure of high—chromium cast iron，particularly its carbide morphology，can be obviously improved by heat treatment．Water quenching from 9 10℃plus tempering at 450 oC can result in fine and dispersed carbides precipitated in the matrix，thus the overall mechanical properties can be improved，with the impact toughness being as high as 6．3 J／cm ． Key words：high—chromium cast iron；heat treatment；carbide morphology 收稿日期：2011．01一l7 作者简介：寇飞虎(1984一)，男，山西忻州人，硕士研究生，研究方向为高铬耐磨铸铁。 联系电话：15847216182。E—mail：koushanhu20090225@163．con 是由于铸渗剂中WC含量多，渗层中有大量的未熔 WC颗粒，使基体塑性降低，抗塑变磨损性能降低， 塑变严重。同时，硬质相在热和应力的共同作用下 逐渐解体、断裂，大量的断裂颗粒在磨损表面充当磨 粒，形成三体磨损，磨损严重，其耐磨性不如3．2号、 3．3号试样。 图6(e)为基材ZG30Cr钢的磨损形貌。显然， 由于其硬度低，犁沟塑变磨损严重，犁沟更宽，磨损 量失重大，耐磨性不如铸渗合金化的试样。 3 结 论 (1)采用普通的砂型铸渗工艺能制备出WC．高 铬铸铁／钢基表面复合材料即铸渗层，铸渗层内WC 颗粒均匀分布在高铬铸铁基体中，铸渗层与母材为 冶金结合。 (2)不同WC含量的高铬铸铁．钢基表面复合材 料的磨粒磨损性能均比基材ZG30Cr钢好，当WC 颗粒的含量为15％时，铸渗层有最好的耐磨性，是 ·36· 《热处理》 2011 基体材料的18．8倍。 参考文献 [1]Y．Nishida，G．Ohira．Modeling of Infiltration of Molten Metal in Fibrous Preform by centrifugal force[J]．Aeta mater，1999，47 (3)：841—852． [2]纪朝辉，张成军．消失模铸钢件表面合金化铸渗机理研究 [J]．铸造，2000，49(3)：130—133． [3]陈跃，上官宝，铁喜顺，等．碳化钨／高铬铸铁复合铸渗层耐 磨性研究[J]．铸造技术，2005，26(10)：935-937． [4]Desai V M．Effect of carbide size on the abrasion of cobalt—base powder metallurgy alloys[J]．Wear，1984，94：89-101． [5]Hong S I．Effect of microstructure Oil wear behavior of A1一Mg—Si alloy matrix一10％AhO3 composites f J]．Materials Science and Engineering，1999，A265：29—41． [6]杨胶溪，孙玉宗．WC．高碳铬铸铁铸渗层耐磨性与显微结构的 研究[J]．现代铸铁，1999，(4)：9—12． [7]郝石坚．现代铸铁学[M]．北京：冶金工业出版社，2004：3l5- 316． [8]郝石坚．高铬耐磨铸铁[M]．北京：煤炭工业出版社，1993：80-84． 年第26卷第5期 为了改善高铬铸铁中碳化物的形貌与分布状 态，进而提高高铬铸铁的综合力学性能，并获得高的 性价比，国内外研究者先后开发了多种工艺技术。 例如，采用半封闭式浇注系统、定向散热及预埋钢筋 网等方法，以提高金属液体的冷却速度，获得细晶组 织；通过孕育和复合变质处理改变晶粒尺寸和碳化 物形貌…；采用高温淬火加低温回火的热处理工 艺 及深冷处理来提高基体的强韧性 J。据文献 [4．5]报道，稀土元素会影响高铬铸铁的组织和性 能，故本文试验用高铬铸铁中加入了适量的稀土元 素，采用较低温度淬火加低温回火的热处理工 艺 ，使之获得了碳化物细小的组织及较好的综合 力学性能。 1 试验材料及方法 本文研究用原材料为生铁、纯铁、低碳锰铁、高 碳铬铁、钼铁、电解铜、钛铁、增碳剂、稀土金属，采用 真空感应炉熔炼，熔炼、浇注、铸锭冷却都在真空状 态下进行，高铬铸铁的化学成分如表1所示。冲击 试样用线切割加工，尺寸为11 1TI1TI×11 133133_X 56 mm，然后进行热处理。 试验用加热炉为硅碳棒马弗炉。硬度及冲击性 能均取3个试样的平均值作为试验结果。淬火温度 分别为910 cC、950 ciC、970 oC、1000℃及1030 ， 保温2 h，然后风冷；回火温度分别为260℃、360℃ 和450℃，保温2 h。热处理工艺见表2。 表1 高铬铸铁的化学成分(质量分数，％) Table 1 Chemical composition of the high-chromium cast iron(mass fraction，％) 表2热处理工艺 Table 2 The heat treatment process parameters 试样编号 热处理工艺 910℃×2 h+260℃×2 h 91O℃×2 h+360℃×2 h 910℃X2 h+450℃x2 h 950 oC X2 h+260 oC X2 h 950 oC×2 h+360 oC×2 h 950 oC×2 h+450℃×2 h 970 oC×2 h+260 oC×2 h 970 oC×2 h+360‘℃×2 h 970 oC X2 h+450 oC×2 h 1000 oC×2 h+260℃×2 h 1000 oC×2 h+360℃×2 h 10o0 oC X2 h+450℃×2 h 1030℃×2 h+260℃X2 h 1030 oC×2 h+360℃X2 h 1030 oC×2 h+450℃X2 h 铸态 2试验结果及分析 2．1 淬火温度的影响 淬火加热温度直接影响溶入奥氏体中的碳化物 的数量，由于碳化物中含有很多的合金元素 ，因 此淬火温度也就直接影响奥氏体中合金元素的含 量。当淬火加热温度较低时，溶入奥氏体中的碳化 物的数量较少，淬火后马氏体中碳、铬等合金元素含 量较低，即形成低碳马氏体，导致铸铁的硬度偏低。 而淬火加热温度太高，溶人奥氏体中的碳化物的数 量较多，奥氏体中合金元素的含量较高，提高了奥氏 体的稳定性，不利于淬火后转变为马氏体。铸铁组 织中碳化物随淬火温度的变化示于图1。 从图1可以看出，当淬火温度低于1000 oC时， 铸态组织中的一次碳化物、共晶碳化物由长板条状 转变为块状(铸态组织见图2(a))；当淬火温度达 到1030℃时，如图1(c)所示，碳化物形貌又出现明 显的方向性，呈长板条形，破坏了基体的连续性，导 致力学性能下降。 2．2回火温度的影响 回火温度也对高铬铸铁的碳化物形貌有着重要 的影响 。淬火并经不同温度回火后该高铬铸铁 的组织变化示于图2。在回火过程中，发生初生碳 化物和共晶碳化物的溶断过程，且随着回火温度的 升高，由于碳化物中的碳、铬等原子的扩散速度逐渐 加快，碳化物的溶断现象更加明显，从而导致碳化物 由长条状转变为块状，如图2(d)所示。回火温度为 450℃时，碳化物明显细化，大小与分布趋于均匀。 同时，二次碳化物发生聚集，二次碳化物数量有所增 加。随着回火温度的提高，三次碳化物逐步从马氏 体中弥散析出，如图3所示。由于细小碳化物从残 留奥氏体和马氏体中析出，基体中出现大量弥散分 布的颗粒状碳化物(即三次碳化物以弥散的形式分 布在初生碳化物和二次碳化物的周围)，受力时材 料内部的位错运动愈加困难，表现出硬度升高 ]， 产生了析出强化效果。试样中的碳化物在提高基体 《热处理》 201 1年第26卷第5期 ·37· 2 3 4 5 6 7 8 9 m¨ 硬度的同时，并没有对基体造成割裂，因而使得基体 的韧性提高，最终得到了硬度和冲击韧度良好配合 的高铬铸铁，具体结果列于表3。 表3高铬铸铁的硬度和冲击韧度 Table 3 Hardness and impact toughness of the high-chromium cast iron 从表3数据可以看出，该铸铁的铸态硬度和冲 击韧度均较低。这是因为，铸态组织的基体以奥氏 体为主，因而硬度较低。在加热到奥氏体化温度并 保温一段时间后，奥氏体中过饱和的合金元素以二 次碳化物的形式弥散析出，使得奥氏体稳定性下降， 在淬火冷却时就转变成马氏体，从而使硬度提高。 同时，热处理后，棒条状碳化物大量断裂成块状碳化 物，铸态组织中网状碳化物消失，孤立化程度明显改 善，结果也使碳化物尖角基本消失，碳化物趋于呈团 球状，其表面的圆滑度大大增加，所以热处理后的冲 击韧度较铸态明显提高。 3 结 论 (1)高铬铸铁经热处理后，可以获得高硬度的 基体组织和弥散分布的碳化物，有利于提高高铬铸 铁的硬度、韧性。硬度和韧性等综合力学性能较好 的热处理工艺为910 oC水淬+450℃回火，冲击韧 度可达6．3 J／cm 。 (2)热处理后，铸铁基体组织为淬火马氏体+ 回火马氏体+少量残留奥氏体；碳化物主要是初生 碳化物+二次碳化物+三次碳化物，长条板状碳化 物转变为块状，基体中析出大量弥散细小的碳化物。 参考文献 [1]郭长庆，程军．多元合金化复合变质处理对高铬铸铁锤头组 织和性能的影响[J]．铸造，2007，56(5)：482．486． [2]刘洋，李爱农．高铬铸铁的强韧化探讨[J]．江西有色金属， 2007，21(3)：26-29． [3]袁子洲，匡毅，于金峰．回火温度对KmTBCr26高铬铸铁组织 和力学性能的影响[J]．铸造，2004，53(10)：788-791． [4]张羊换，王贵，刘宗昌．稀土对高铬白口铸铁组织转变的影 响[J]．金属热处理学报，2000，21(3)：55．59． [5]肖永华，李凤春，杨才 钇基重稀土变质处理对高铬铸铁冲 击韧度的影响[C]∥中国工程物理研究院科技年报——科技 年报2003论文集，绵阳，2003：485． [6]李进福．高铬铸铁的热处理工艺研究[c]∥第九次全国热处理 大会论文集(一)，大连，2007：265-268． [7]袁子洲，于金锋，匡毅．淬火工艺对KmTBCr26高铬铸铁力学 性能的影响[J]．金属热处理，2004，29(5)：26-29． [8]符寒光．回火工艺对高铬铸铁组织和性能的影响[J]．金属热 处理，1994，19(12)：7-9． [9]郭帅，何福替，张茂勋．深冷处理对高铬白口铸铁组织与性 能的影响[J] 机械工程材料，2006，30(5)：78-81． [知识园地] 类金刚石薄膜分类 类金刚石薄膜(Diamond—Like Carbon)是金刚石的sP3杂化和石墨sP2杂化两种结合键作为骨架构成的非晶态碳膜，简单 地讲，由纳米级的金刚石和碳混合形成，金刚石占20％一80％。由s 结合的金刚石和sP2结合的石墨与H(氢)组成的三元 相图见下图。H的量<50％(atomic fraction)时，sP3比例在20％～85％范围内形成薄膜。应用于机械构件，膜的硬度要达到 10 GPa以上。可明显看出图例中说明的各区的范围。 a．C：H氢化的非晶态碳膜 ta—C 四方形非晶态碳膜 ta—C：H氢化四方形的非晶态碳膜 sputter a-C阴极溅射非晶态碳膜 另外还有g]assyC玻璃态碳， HC Polymer高分子状碳氢化合物 Evap．C真空镀碳膜 《热处理》 201 1年第26卷第5期