Fe-1.5C-Mn-0.5Si-0.8Cr钢锻造后的组织与性能①

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(1.佳木斯中维实业有限公司,黑龙江 佳木斯 154002；2.佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

半钢又称低碳铸铁，其含碳量一般在1.5%～2.25%之间，硬度高，耐磨性好，其机械性好于铸铁，而硬度优于钢；半钢铸态组织中含有块状、针状的二次碳化物，通常以连续网状分布于共晶奥氏体的晶界上[1]，割裂基体，导致半钢韧性很低，限制了半钢的应用。铸态半钢不适宜利用淬火改变其性能[2～4]，但是半钢经锻造后使共晶碳化物变为颗粒状，提高其韧性[2,4～6]。

鉴于此，试验采用锻造的方式破碎共晶碳化物，并采用不同温度的等温淬火工艺，以期提高半钢的韧性，生产出价格低廉，抗磨性能优良的半钢磨球，拓展半钢磨球在水泥、矿山、发电等行业的应用范围。

1 实验材料及方法

实验用原料为45钢、灰铸铁、锰铁，10Kg的中频感应炉熔炼，潮模砂型铸造，浇注温度为1550～1600℃，利用铝脱氧和稀土硅进行孕育处理。铸态试样的尺寸20 mm×20 mm×240 mm。其化学成分分析结果如表1所示。

将20mm×20mm×240mm的试样，加热到1100℃，锻成横截面为12mm×12mm的试样，终锻温度为900～880℃，锻后立即进行正火热处理，然后磨制成10mm×10mm×55mm的标准冲击试样，分三组在50%KNO3+50%NaNO3盐浴中进行等温淬火处理。锻造、正火及等温淬火工艺如表2所示。

利用HR-150A洛氏硬度计测试试样的洛氏硬度，ZBC-300B全自动金属摆锤试验机测试冲击吸收功，WDT-10型微机控制电子万能试验机测试抗拉强度。利用OLYMPUS-GX71光学显微镜、JSM-636LV型扫描电镜进行组织与断口分析。

表1 试样的化学成分分析

表2 锻造、正火及等温淬火工艺

2 实验结果与分析

2.1 显微组织

铸态试样及铸态试样等温淬火的金相组织如图1所示。铸造试样含有一定量的珠光体，白亮色共晶碳化物呈块状，在低倍显微镜下可观察到块状共晶碳化物以连续网状沿晶界析出，连续网状的组织形态割裂了基体，致使铸件的冲击韧性大大降低。等温淬火处理的铸态试样获得贝氏体组织和少量残余奥氏体，但共晶碳化物仍然以网状形式存在，因此，等温淬火的工艺不能有效改善半钢的韧性。

a)铸件 b)310℃等温淬火 c) 330℃等温淬火d) 350℃等温淬火

图1 铸件原始组织及铸件直接等温淬火45min的金相组织(1000×)

a)310℃等温淬火 b) 330℃等温淬火c) 350℃等温淬火

锻造、正火后再等温淬火的金相组织如图2所示。相对铸件试样而言，锻造正火后进行等温淬火，其贝氏体量要高于其它几种处理方式。关键是锻造正火后，原始块状的共晶碳化物变成细小的颗粒状，并断续分布在晶界上，此种组织对改善材料的冲击韧性是有利的。

a)硬度b)冲击功

a)铸态 b)铸态等温淬火 c)锻造后正火再等温

从图1和图2均可以看到，等温淬火后的铸态试样和锻后正火再等温淬火的试样都获得了贝氏体组织，而且贝氏体的形态基本以针状居多，长度约为20μm，从组织形态上可以推断为下贝氏体。锻后正火再等温淬火的试样中，在下贝氏体内分布着细小、多量和弥散的碳化物，一方面可起弥散强化作用，使强度升高，同时也具有良好的韧性。另外，组织中还有少量马氏体和残余奥氏体存在，有利用改善材料的耐磨性。

2.2 硬度及冲击韧性

铸态试样和锻造后正火再等温淬火的试样硬度值的变化如图3a)所示。主要是由于铸态试样350℃等温时其组织出现较多的片层状珠光体(如图1)所致。锻造后正火再等温淬火的试样硬度值随着等温温度的升高而略有降低，可能是随等温温度升高试样中的上贝氏体组织增多的原因。

铸态试样和锻造后正火再等温淬火的试样冲击功的变化如图3b)。由图可知，无论是铸态还是锻造、正火后等温淬火的试样，均表现出随着等温温度的升高其冲击功逐渐增大的规律。与铸态(冲击功为3.5J)及铸态等温淬火试样比较，锻造、正火后等温淬火的试样的冲击功有所提高，但是冲击功仍然偏低，最高值仅为6.3J。对比图1、图2可知，锻造、正火后等温淬火可打碎共晶碳化物，获得断续分布的组织结构，利于改善试样的冲击韧性。但破碎的共晶碳化物仍然沿晶界分布，割裂组织的现象仍然存在。若进一步增加锻造比，充分破碎共晶碳化物，同时改变其沿晶界分布的结构，将有可能进一步提高材料的韧性。

2.3 断 口

图4为不同状态试样冲击断口的扫描电镜观察形貌。铸态试样的断口具有明显的解理河流花样特征，其微观特征是极平坦的镜面。铸态试样等温淬火后和经锻造后正火再等温淬火处理的试样则可以看见明显的脆性沿晶断裂，断口附近没有宏观的塑性变形迹象，断口一般与主应力垂直，表面平齐，边缘没有剪切唇。宏观断口呈细瓷状，较亮，在光线照射下可以看到闪闪发亮的小晶面。微观断口在扫描电镜下为冰糖状，晶界面清洁、光滑，界面棱角清晰，多面体感强。这是典型的脆性断口特征，冲击时裂纹沿晶迅速扩展而断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，因而试验中的试样冲击韧性整体不高。

3 结 论

1)铸态试样的组织存在沿晶界连续网状分布的块状共晶碳化物，锻造、正火后再进行等温淬火处理，共晶碳化物破碎为细小的颗粒状，并断续分布于晶界。

2)铸态试样经锻造、正火后再等温淬火的处理工艺，硬度可提高10～12HRC，冲击功可提高1.2-2.8J。

3)试样经锻造、正火后900℃奥氏体化保温30min，330℃等温淬火45min时综合性能最佳，其硬度为HRC52，冲击韧性可达到5.7J。

参考文献:

[1] 管述哲，包耳、陈启堂.锻造半钢热处理工艺的研究[J].金属科学与热处理工艺，1986,(1):22-26.

[2] 杨雪梅，谌岩，张瑞军.热变形后的冷却方式对中铬半钢组织与性能的影响[J].特殊钢，2000, 21(4): 20-22.

[3] 于升学，邵力，蔡大勇.稀土元素对半钢冲击疲劳性能的影响[J].中国稀土学报，2002,20(4):339-341.

[4] 杨雪梅.碳化物对热变形中铬半钢的热疲劳抗力的影响[J].特殊钢，2001,22(1):22-24.

[5] 张杰，李红宇，高玉章.铸造半钢轧辊槽底断裂原因分析[J].铸造设备与工艺，2017,(2)47-49.

[6] 常立民，刘建华，于升学.稀土及热处理对半钢力学性能的影响[J].机械工程材料，2001,25(12):10-12.