淬火回火工艺对高碳热磨片显微组织及耐磨性的影响

王松 张卫红 周啸颖 王建刚

摘 要： 為了解决热磨片服役过程中出现的磨损失效问题，对高碳热磨片在淬火回火过程中的显微组织变化及耐磨性进行了研究。以高铬高碳铸铁为研究对象，利用金相显微镜、X射线衍射仪、硬度计、磨损试验机等对经过热处理后的样品进行组织观察和性能测试。实验结果表明：样品原始组织由初生（Cr，Fe）7C3、共晶（Cr，Fe）7C3、马氏体及奥氏体组成;低温回火时，碳化物变化不明显，基体为回火马氏体+奥氏体;随着回火温度的升高，碳化物逐渐增加，回火马氏体逐渐减少;当温度超过450 ℃时，回火马氏体消失，基体组织转变为铁素体+奥氏体;硬度随回火温度的升高呈现先略微减小、然后增大再减小的趋势，在450 ℃时硬度最高，为63.4HRC;与铸态相比，均匀分布的碳化物耐磨性提高了2.53倍。研究淬火回火工艺对高碳热磨片显微组织及耐磨性的影响，为提高高碳热磨片的耐磨性、延长其使用寿命提供了理论依据。

关键词： 黑色金属及其合金;高铬铸铁;热处理;组织转变;碳化物;磨损性能

中图分类号：TG163文献标识码： 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，Fe）7C3， eutectic （Cr，Fe）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

木材粉碎过程中所使用的热磨片通常采用高耐磨的高铬铸铁制作，该部件属于易损件，在服役过程中受到温度、交变载荷、酸性介质、木材中夹杂的硬质颗粒等影响，会导致零件因磨损而失效。热磨片使用寿命的缩短会提高成本，降低效率，增加能耗，直接影响纤维板制造行业的经济效益[1-4]。

目前，市场上使用的热磨片含碳量为2.5%～3.3%（质量分数，下同），硬度为55～65 HRC，常在铸态下直接使用，服役过程中易发生碳化物剥落，严重影响其耐磨性和使用寿命[5-6]。研究表明，除基体外，碳化物的数量、形态及大小对耐磨性的影响也较为显著[7-9]。碳化物量的增加可以提高材料硬度，提升磨损性能[10-11]。邓进俊等[12]发现，增加碳化物的析出量能够提高显微组织硬度，与铸态相比，磨损量减少了35%。提高含碳量可以增加碳化物量，但是碳化物超过一定量后会以网状析出，割裂基体，导致耐磨性降低[13]。碳化物的形态可由热处理进行调控[14-15]。WIENGMOON等[16]发现，将高铬铸铁在奥氏体化温度保温一定时间，二次碳化物会以点状、方形状析出。毛双亮等[17]研究发现，初生奥氏体中析出的二次碳化物颗粒的大小会随着淬火温度的变化而改变，温度高时颗粒较大，温度低时颗粒较小。张瑞娜等[18]通过调整28Cr-3.37C高铬铸铁的回火温度，发现在510 ℃时碳化物呈弥散细小分布，此时的综合性能较好，温度升高时碳化物会发生聚集和长大。

为了提高高碳热磨片的抗磨损性能，本文拟以含碳量达到4%以上的高铬高碳铸铁为研究对象，采用不同热处理工艺对高碳热磨片在淬火回火过程中的显微组织变化及耐磨性进行研究，并对碳化物的形态进行调控，避免网状碳化物的析出。

1 实验材料及方法

高铬高碳铸铁的化学成分见表1。将试样线切割成10 mm×10 mm×10 mm的方形试样。采用KSL-1400X型热处理炉进行热处理，控温精度为±1 ℃。将试样分别加热到980，1 000，1 020和1 050 ℃，保温2 h后空冷，分析不同淬火温度下的组织变化。对淬火后组织和性能较好的样品，分别在250，350，450和550℃进行回火，保温3 h空冷。采用VERTA1型德国蔡司金相显微镜进行微观组织观察，采用HR-45型洛氏硬度计进行硬度测量，载荷为150 N，加载时间为10 s。采用MMW-1型万能摩擦磨损试验机进行磨损试验，磨件为外贴240号SiC砂纸的45号钢圆环，实验力为30 N，转速为120 r/min，时间为3 min。试样在磨损前后都要进行超声波清洗、吹干并称重，计算磨损前后质量损失。采用VEGA3钨丝扫描电镜观察磨损面，观察前对磨损面进行清洗。

2 结果与讨论

2.1 高铬高碳铸铁显微组织及失效分析

图1为试验材料的原始组织及XRD衍射图。由图1可知，该高铬高碳铸铁组织由初生碳化物（Cr，Fe）7C3（六方形）、共晶碳化物（Cr，Fe）7C3、马氏体及残余奥氏体（黑色部分）组成。当铬含量超过27%时，材料共晶点的含碳量由4.3%降低到2.9%左右[12]，因此该成分的合金属于过共晶合金。较高的含碳量使初生碳化物的数量较多，平均尺寸约为48.3 μm，在初生碳化物的周围出现菊花状的共晶碳化物[19]。

为了研究热磨片服役过程中的磨损行为，在高温（70～80 ℃）、酸性（pH值为4～5）、高湿、密闭环境下，以1 500 r/min的转速，对由高铬高碳铸铁所制备的热磨片磨削木材20 d后的表面形貌进行扫描电镜观察，结果如图2所示。

由图2可以看出，磨损表面划痕较多，在高倍镜下发现了碳化物的剥落坑，并出现少部分裂纹。采用热磨片粉碎木材时，木材中会夹杂着SiO2等硬质颗粒，表面摩擦时，在一定压力下这些颗粒一方面会对磨片表面进行切削，出现磨粒磨损，产生沟痕;另一方面，这些颗粒与木材混合，转动时会对磨片表面进行反复冲击，出现疲劳磨损，产生裂纹。初生碳化物出现折断和剥落的原因是硬质颗粒在高压力下“刻入”碳化物，而碳化物的硬度高，韧性较差，在进行移动时，磨粒给予碳化物的压力很难通过形变进行释放;另外，基体为奥氏体，硬度较低，对碳化物支撑作用较弱，产生崩断现象[20]。

2.2 淬火温度对高铬高碳铸铁组织及硬度的影响

图3为不同淬火温度下的高铬高碳铸铁的显微组织。由图3可知，淬火后的基体组织均由马氏体和奥氏体组成。随着淬火温度的升高，初生碳化物的形态并未发生明显变化，而共晶碳化物的形态变化明显，数量下降。温度升高，共晶碳化物中的碳和合金元素会熔于奥氏体中，淬火后得到的马氏体含碳量较高，从而产生晶格畸变，使衍射峰向左略微偏移，如图4所示。XRD图谱显示，温度超过1 000 ℃时，由于奥氏体中溶入较多的碳和合金元素，使得奥氏体的稳定性增加，Ms点降低。在连续转变过程中，奥氏体转变为马氏体的量减少，更多奥氏体得以保留，衍射峰增强。

图5为不同淬火温度后高铬高碳铸铁的硬度变化曲线。由图5可知，硬度随温度的升高先上升后下降，在1 000 ℃硬度最大。由组织分析可知，硬度上升主要是由于马氏体中的含碳量增加，得到较硬的高碳马氏体;硬度下降是由于Ms点降低，组织中的残余奥氏体量增加。

2.3 回火温度对高碳高铬铸铁组织和性能的影响

通过对不同淬火温度的研究发现，在1 000 ℃下试样的硬度较高，整体性能较好。图6为该温度下试样不同回火后的显微组织。用ProImaging软件测定腐蚀后不同回火温度的碳化物体积分数，结果如图7所示。回火过程主要是马氏体的分解、铬的碳化物析出以及残余奥氏体转变。随着回火温度的升高，基体由马氏体+奥氏体逐渐转变为α-Fe+残余奥氏体;由于马氏体分解，初生碳化物和共晶碳化物产生的熔断呈增长趋势，并均匀弥散分布在基体上。温度过高时，二次碳化物团聚并长大，由原来颗粒状、针状变为长条状、块状。图8为不同回火温度试样的XRD 曲线。由图8可以看出，在250 ℃时，主要由马氏体、M7C3、残余奥氏体组成;随着回火温度升高至450 ℃，马氏体衍射峰明顯降低，同时α-Fe相和M7C3衍射峰升高;当回火温度达到550 ℃时，合金主要由α-Fe，M7C3及残余奥氏体相组成，与上述组织转变过程一致。

图9为不同回火温度后试样硬度的变化曲线。由图9可以看出，硬度呈现先略微下降然后上升再下降的趋势。随着碳化物的析出，回火马氏体的碳含量降低，硬度下降，在350 ℃时碳化物分布不太均匀，弥散强化效果略低于组织硬度的降低，两者综合后使得硬度略微降低;回火温度升高，碳化物均匀分布并对硬度起主导作用，使得硬度升高;在550 ℃基体转变为α-Fe+奥氏体，致使硬度急剧降低。

2.4 耐磨性能测试

对回火后的试样进行磨损试验，结果如表2所示，其中相对耐磨倍率[21]β=铸态试样磨损失重热处理后试样磨损失重。

由表2可知，单位面积磨损失重随着回火温度的升高呈现先下降后上升的趋势，在450 ℃时最小值为0.133 mg/mm2，此时β值最大（2.53）;与已有报道的中碳高铬铸铁相比[21]，相对耐磨倍率得到提高;硬度值为63.4HRC，达到国家标准要求（57.5HRC以上）[1]。

试样的磨损表面形貌如图10所示。随着回火温度的升高，碳化物逐渐增加且均匀分布，对基体的保护作用增强，从而使沟痕逐渐变浅，碳化物剥落坑变少。当温度增加到550 ℃时，基体转变为α-Fe和残余奥氏体，与碳化物的硬度相差较大，磨损时易导致碳化物剥落，耐磨性降低。

3 结 论

1）高铬高碳铸铁组织由初生碳化物（Cr，Fe）7C3、共晶碳化物（Cr，Fe）7C3、马氏体及残余奥氏体组成，经过1 000 ℃×2 h+450 ℃×3 h热处理后，组织由M7C3型碳化物、回火马氏体、少量残余奥氏体组成。通过热处理调控，碳化物含量提高到38.86%，均匀分布，基体组织得到改善。

2） 高碳热磨片在工作条件下的失效形式主要为磨粒磨损，并伴有疲劳磨损。

3） 随着淬火温度的升高，高铬高碳铸铁的硬度呈现先上升、后下降的趋势，在1 000 ℃达到最高值60.7HRC;1 000 ℃淬火后，随着回火温度的升高，高铬高碳铸铁的硬度先略微下降再升高后下降，在450 ℃达到最高值63.4HRC;随着回火温度的升高，耐磨性先增加、后减少，在450 ℃耐磨性达到最佳，相较于铸态提高了2.53倍。

4） 本文在碳化物对磨损性能提升量化方面的研究还存在不足之处，下一步需要在此方面进行深入探讨。

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