高铬铸铁不同工艺软化热处理后的组织与性能

刘志学，罗玉龙，程巨强

（西安工业大学陕西光电功能材料与器件重点实验室，陕西西安 710032）

高铬铸铁不同工艺软化热处理后的组织与性能

刘志学，罗玉龙，程巨强

（西安工业大学陕西光电功能材料与器件重点实验室，陕西西安 710032）

采用组织观察、XRD物相分析和硬度测试等实验方法，研究了不同的软化热处理工艺对抗磨高铬铸铁组织和硬度的影响。结果表明：在硬化态三种高铬铸铁均具有较高硬度，具体硬度值≥58 HRC，组织均为初析M7C3型碳化物、共晶碳化物、马氏体、奥氏体组成。Km TBCr22N iM o具有较好的软化效果，分别采用950 ℃×2 h炉冷至820 ℃×4 h炉冷至250 ℃出炉空冷和1 050 ℃×4 h炉冷至720 ℃×10 h炉冷到室温的两种热处理工艺软化后，Km TBCr22N iM o的硬度分别由57 HRC降低为39.9 HRC和40 HRC。Km TBCr25N iM o和Km TBCr28N iM o在采用不同热处理工艺软化后，软化效果均不理想，其最佳实验结果分别为硬度由硬化态的60 HRC下降到53.7 HRC和由硬化态的61 HRC下降到54.5 HRC。实验结果表明，随高铬铸铁中铬含量的增加，其软化难度增大。

高铬铸铁；软化热处理；组织与性能

在煤矿、电力、建材、筑路与工程等机械中，许多易磨损件是用高铬铸铁铸造，其可以显著提高部件的耐磨性。对一些需要加工的高铬铸铁耐磨工件，如高铬铸铁轧辊、介质泵和泥浆泵的过流部件、磨煤机的磨辊和衬瓦、渣浆阀门阀板、重介质旋流器等［1-3］，由于高铬铸铁在铸态和热处理态硬度较高，且脆性也高，属于硬脆性材料，机械加工时切削状态极不平稳，属于机械加工困难的材料。

实际生产过程表明［4，5］，高铬铸铁可采用硬质合金刀具进行粗加工，但刀具磨损极快，切削易形成崩脆切削，表面粗糙度较大；而对于高铬铸铁的精加工，采用陶瓷刀具可取得较低的粗糙度，但陶瓷刀具的抗冲击能力较弱，对于切削高铬铸铁这种硬脆性材料更容易受到冲击，引起崩刃导致刀具破坏。

因此探讨高铬铸铁耐磨材料的软化热处理工艺，提高其加工性能，扩大高铬铸铁的使用范围，具有重要的实际意义。本文研究了三种高铬铸铁不同的软化热处理工艺后的组织和性能，为以后需要机械加工的高铬铸铁件的生产提供了参考。

1　实验材料与过程

1.1实验材料

实验材料的牌号分别为KmTBCr22NiMo、KmTBCr25NiMo、KmTBCr28NiMo。

1.2实验过程

高铬铸铁硬化态热处理工艺为1 050 ℃正火+200 ℃回火。

设计的高铬铸铁热处理软化工艺一：950 ℃×2 h随炉冷到250 ℃出炉空冷；

热处理工艺二：950 ℃×2 h随炉冷至820℃×4 h随炉冷至250 ℃出炉空冷；

热处理工艺三：950 ℃×2 h随炉冷至820℃×2 h随炉冷至720 ℃×4 h炉冷室温；

热处理工艺四：1 050 ℃×4 h随炉冷至720℃×2 h炉冷到室温；

热处理工艺五：1 050 ℃×4 h随炉冷至720℃×4 h炉冷到室温；

热处理工艺六：1 050 ℃×4 h随炉冷至720℃×6 h炉冷到室温；

热处理工艺七：1 050 ℃×4 h随炉冷至720℃×10 h炉冷到室温。

硬度测定采用HR-150A洛氏硬度计，金相组织观察采用NIKON EPIHOT300型金相显微镜，试样腐蚀液用8%硝酸酒精，物相分析采用XRD-6000型X射线衍射仪。

2　实验结果与分析

2.1不同工艺软化热处理后的硬度

KmTBCr22NiMo、KmTBCr25NiMo、KmTBCr28NiMo三种高铬铸铁锤头材料硬化态的硬度分别为58 HRC、60.5 HRC和61 HRC，如此高的硬度会造成高铬铸铁机械加工困难。表1是三种高铬铸铁件不同热处理工艺后的平均硬度，可以看出：由于工艺一加热温度较低，碳在奥氏体中溶解度较小，加热保温时发生奥氏体的脱溶，析出二次碳化物，缓冷过程继续析出二次碳化物，但由于马氏体组织缓冷过程中析出的碳化物较少，热处理后实验材料的硬度虽有所下降，但下降幅度较小，软化效果不佳；工艺二实验材料在奥氏体和碳化物两相区，随温度降低，奥氏体析出二次碳化物，在820 ℃保温促使更多的二次碳化物析出，在随后的缓冷过程中奥氏体进一步析出碳化物及部分碳化物聚集长大，进一步降低基体材料的硬度；热处理工艺三通过950 ℃到820 ℃炉冷，使奥氏体中发生碳的脱溶，析出二次碳化物，820 ℃保温促使更多二次碳化物分解，720℃保温时奥氏体发生分解，奥氏体转变为铁素体和碳化物，碳化物部分聚集长大，降低基体的硬度，对于KmTBCr22NiMo材料来说，其硬度降低明显，洛氏硬度由硬化态的58 HRC降低到40 HRC，降低幅度较大；热处理工艺四～工艺七的目的是通过1 050℃保温，虽然处于奥氏体和碳化物两相区，但因加热温度较高，更多的共晶碳化物发生奥氏体转变使成分均匀化，使二次碳化物等充分溶于奥氏体，使碳和铬在奥氏体中溶解度增加，在随后冷却过程马氏体析出二次碳化物，降低了奥氏体的稳定性，促使其在720 ℃不同时间保温奥氏体发生分解，转变产物为铁素体和碳化物，形成粒状碳化物，降低材料的硬度。

图1　三种材料硬化热处理后的XRD图谱

从工艺四到工艺七的实验结果可以看出，KmTBCr22NiMo材料随720 ℃保温时间的延长，硬度有降低的趋势，但铬含量较高的材料硬度下降不明显，软化效果较差。因此可以看出，高铬铸铁随铬量的增加，由于形成的碳化物数量增加，软化效果较差，软化困难。

表1　三种高铬铸铁件不同热处理工艺后的平均硬度

2.2不同工艺软化热处理后的物相和金相组织

图1是三种不同铬含量的实验材料XRD物相分析结果，可以看出，三种材料的物相由铁素体、奥氏体、M7C3型碳化物组成。根据三种实验材料的化学成分，由铬系高铬铸铁的碳当量公式［6］CE= C%+0.05Cr+0.33Si，分别计算其碳当量，计算结果为KmTBCr22NiMo的CE=4.53%，KmTBCr25NiMo的CE=4.65%，KmTBCr28NiMo的CE=4.75%，可以看出三种抗磨铸铁的成分均为过共晶成分。因此三种材料铸造结晶过程基本一致，区别在于随碳当量的提高，组织中初析碳化物数量增加。

图2是三种材料采用工艺一热处理后的组织图片。

由图2可以看出，KmTBCr22NiMo的组织（图2.a）由马氏体、M7C3型碳化物、共晶碳化物和残余奥氏体组成，组织中块状碳化物为M7C3型初析碳化物，集束状细板条碳化物的为未溶的共晶碳化物。

KmTBCr25NiMo的组织（图2.b）也为马氏体、M7C3型碳化物、共晶碳化物和残余奥氏体组成，初析M7C3型碳化物为六方状，板条的为未溶的共晶碳化物，黑色组织为奥氏体转变的转变产物马氏体组织。KmTBCr28NiMo金相组织（图2.c）和前两者一样，三种材料初析块状M7C3型碳化物上存在黑色的孔洞为奥氏体转变产物。

图3是三种材料采用工艺三热处理后的实验材料组织图片。

图2　三种材料采用工艺一热处理后的组织图片

图3　三种材料采用工艺三热处理后的组织图片

由图3可以看出，三种材料的组织均为奥氏体转变产物、M7C3型碳化物、共晶碳化物和残余奥氏体组成，组织中的六边形块状碳化物为M7C3型碳化物，黑色组织为细粒状珠光体组织。此外，工艺三增加720 ℃保温，使奥氏体发生铁素体和碳化物转变，形成粒状珠光体组织，碳化物颗粒较小，有粒状化的趋势，热处理后实验材料的硬度下降幅度较大。

图4是三种材料采用工艺七热处理后的组织图片。由图4可以看出，组织为初析和共晶的M7C3型碳化物、奥氏体的转变产物，组织中可以看到奥氏体转变产物上含有较多的二次碳化物，转变组织为铁素体+碳化物。随720 ℃保温时间延长，奥氏体转变产物中碳化物集聚长大，形成粒状珠光体组织。由于组织中碳化物数量较多，软化处理后硬度降低不明显，由此可知铬含量较高的铸铁，采用不同软化工艺，软化效果均较低。

图4　三种材料采用工艺七热处理后的组织图片

3　结论

（1）三种高铬铸铁在硬化态均具有较高的硬度，其组织均由马氏体、M7C3型碳化物和残余奥氏体组成。M7C3型碳化物可分为初析碳化物和共晶碳化物，初析M7C3型碳化物呈粗大柱状、截面块状或六边形分布，共晶M7C3型碳化物集束状的呈板分布，截面呈菊花状分布。

（2）KmTBCr22NiMo材料，采用950 ℃×2 h炉冷至820 ℃×4 h炉冷至250 ℃出炉空冷和1 050℃×4 h炉冷至720 ℃×10 h炉冷到室温的两种软化工艺，具有较好的软化效果，硬度由硬化态57 HRC降低为40 HRC。KmTBCr25NiMo和KmTBCr28NiMo材料，不同热处理软化工艺硬度由铸态的60 HRC降到54～56 HRC工艺，热处理软化效果较差，且高铬铸铁随铬含量增加，软化难度增大。

（3）不同软化热处理工艺中初析碳化物形貌并不发生改变，主要为奥氏体组织和共晶组织的变化，软化热处理工艺中软化效果较好的原因与组织中奥氏体分解为粒状珠光体有关。

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［3］ 许利民，刘翔宇.高铬铸铁重介质旋流器的探索［J］.金属铸锻焊技术，2012，8：50-52.

［4］ 龙晓林，王国顺.高铬铸铁的切削用量优化计算［J］.机械，2001，28（6）：30-32.

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［7］ 解庆东.多元合金高铬白口铸铁性能的研究［J］.中国铸造装备与技术，1996（6）.

Microstructure and Property of High Chromium Cast Iron After Different Softening Heat Treatment

LIU ZhiXue，LUO YuLong， CHENG JuQiang
（Xi'an Technological University， Xi'an 710032， Shaanxi，China）

The microstructure and hardness of high chromium cast iron after different softening heat treatment have been studied by microstructure observation， XRD Phase analysis and Hardness test. The results showed that the three kinds of high chromium cast iron with high hardness at the hardening state， and the hardness of three kinds of high chromium cast iron was all greater than 58 HRC. The microstructure of the three kinds of high chromium cast iron all consisted of M7C3primary carbide， eutectic carbide， martensite and residual austenite. The KmTBCr22NiMo had good softening effect after heat treatment at 950 ℃×2 h furnace cooling to 820 ℃×4 h furnace cooling to 250 ℃ air cooling and heat treatment at 1 050 ℃×4 h furnace cooling to 720 ℃×10 h furnace cooling to room temperature， the hardness lowered from HRC57 to HRC39.9 and HRC40 respectively. The KmTBCr25NiMo and KmTBCr28NiMo all had Poor softening effect after different softening heat treatment， the best test results was that the hardness of KmTBCr25NiMo lowered from HRC60 to HRC53.7 and the hardness of KmTBCr28NiMo lowered from HRC61 to HRC54.52. The results showed that with the increase of the content of chromium， to soften the high chromium cast iron became more diffi cult.

High chromium cast iron； Softening heat treatment； Microstructure and property

TG144;

A；

1006－9658（2015）01－0043-04

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.01.013

国家自然基金资助项目（51371133）

2014-08-11

稿件编号：1408-635

刘志学（1968—），男，副教授，硕士，从事新型高强耐磨材料及特种有色合金的研究与应用工作.