离心铸造高铬合金铸铁气门座圈的组织及耐磨性能研究

季同鑫，薛茂权，黄之德

（1.常州工业职业技术学院现代装备制造学院，江苏常州 213164；2.全椒雷科德精密机械有限公司，安徽 全椒 239500）

高铬铸铁在采矿、矿物加工、冶金和水泥工业等行业应用广泛，极高的耐磨性和相对较低的生产成本使这些合金特别适用于加工矿石、煤和砾石等材料的研磨、加工和泵送设备[1-3]，其在铸态和热处理态的优异磨损行为主要归因于其微观组织和增强相。

高铬铸铁的典型微观组织为基体中分散有高硬度的碳化物，经淬火处理[4-6]之后，足够的碳浓度使奥氏体转变为高硬度马氏体，随后的回火处理，可获得较高的耐磨性和综合力学性能，因此可在船舰设备的摩擦组件上得到应用。

在铸造成型过程中，高铬铸铁从奥氏体枝晶开始凝固成核，然后长大形成奥氏体枝晶基体和奥氏体/M7C3共晶混合物。随着冷却过程中温度的降低，碳的溶解度随之降低，产生大量的碳化物沉淀[7，8]。在足够高的温度下进行奥氏体化，以溶解在先前冷却过程中析出的大部分碳化物，得到的合金奥氏体具有较高的含碳量，经过合适的淬火工艺，转化为高硬度马氏体。然而，经淬火处理后，仍有部分奥氏体来不及转变而残余下来，需进行回火处理加以消除。在回火过程中会均匀析出细小碳化物，同时残余奥氏体转变为马氏体，产生二次硬化，进一步提高高铬铸铁的硬度和耐磨性[9，10]。本文研究了两种不同碳含量离心铸造工艺制备的高铬铸铁船用气门座圈，重点讨论了不同碳含量及热处理状态下高铬合金铸铁中碳化物的形貌、分布及其对高铬合金铸铁的硬度、强度和耐磨性能的影响，为优化制备工艺与选用综合性能优异的高铬合金铸铁提供试验数据和理论参考。

1 试验材料与方法

试验用两种高铬铸铁合金的化学成分见表1.在25 kg 高频感应熔炉中进行熔炼，待铁水温度为1550℃左右出炉，浇注温度控制在1490℃～1510℃，离心铸造气门座圈，铸态毛坯经软化退火加工后，在1 000 ℃左右淬火，460 ℃左右回火，最后精车成型，测试试样采用线切割直接从铸态和热处理态气门座圈取样。

表1 高铬铸铁的化学成分（质量分数，%）

铸态和热处理态的高铬铸铁试样的物相分析采用D/max-2500PC 型X 射线衍射仪（XRD），辐射源为Cu 靶、扫描角度为20°～100°；金相试样先用砂纸打磨，再研磨抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液对样品进行15 s 腐蚀，再清洗吹干，采用Olympus-CK40M 型金相显微镜观察试样的显微组织结构；拉伸试验在岛津AGS-10KN 电子万能试验机上进行，拉伸断口形貌利用扫描电镜（JSM-6360LA 型）进行观测；采用HR-150A 型洛氏硬度计，测试铸态、最终热处理态高铬铸铁试样硬度。

利用线切割切出若干个直径为4 mm，高为16 mm的圆柱试样，将试样表面用金相砂纸磨光。经酒精洗净并吹干后在精度为0.1 mg 的天平上进行质量称量并记录。在UMT-2 型销盘式摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，对磨盘采用硬度为63 HRC的硬化不锈钢圆片。试验的具体工艺参数为：载荷30 N、转速100 r/min、磨损时间30 min，室温条件下进行干摩擦，试样及对磨盘在磨损前后均进行清洗、吹干并称重，试样的磨损量等于试样磨损前后的质量差值。

2 试验结果与分析

2.1 高铬铸铁的显微组织

高铬铸铁的金相显微组织如图1 所示。可以看出，图1a）、b）的两种铸态组织没有明显区别，主要为初生奥氏体和共晶结构，条带状的共晶碳化物连接成鱼骨状或网状均匀分布在奥氏体基体上。先经1 000 ℃淬火，再经460 ℃左右回火处理，1 号、2 号高铬铸铁的显微组织也发生了不同的变化，由析出的二次碳化物、共晶碳化物和马氏体基体组成。1 号试样经热处理后，条带状碳化物形貌出现粗化，与铸态时相比逐渐变的圆润。2 号试样热处理后碳化物同样出现粗化，但是其连续网状分布的结构得到改善，孤立圆润的块状碳化物均匀分散在基体中。

图1 高铬铸铁金相显微组织

热处理过程中较高的加热温度，使得碳化物在发生溶解的同时也发生析出，析出的细小碳化物颗粒分布在奥氏体晶界处，溶解首先从块状和条带状碳化物的尖角处开始，随后由于碳的不断扩散使最终形成的碳化物曲率半径相近。残留奥氏体在460 ℃的回火过程中向马氏体转变，高温加热铸态高铬铸铁，碳、铬从奥氏体中充分析出，导致MS点升高，在随后冷却过程中可以获得更多的马氏体，从而使高铬铸铁的耐磨性得到有效提高[11]。

2.2 物相分析及力学性能

铸造成型过程中，高铬合金铸铁中的碳和铬发生反应，形成的碳化物硬度高，其均匀弥散分布于基体上可以有效改善材料的整体耐磨性。含碳量的多少决定了最终碳化物的含量，其中的铬元素影响了最终碳化物的类型。因此，增加高铬铸铁中的含碳量有利于生成更多的M7C3型碳化物[12]。图2 所示为两种含碳量高铬铸铁铸态和热处理后的X 射线衍射图谱，可以看出，铸态样品的主要物相为奥氏体和M7C3，其衍射峰较宽、较钝，强度较低，说明发生了晶格畸变；相比较而言淬火+回火态样品的衍射峰较尖，且又高又窄。铸态时，高铬铸铁内部的铸造热应力，会引起晶格畸变；在经过淬火+回火热处理后，热应力得到释放，晶格畸变减小，衍射峰的宽化现象减少或消失。同时与标准PDF 卡片对照可知，铸态试样基体以奥氏体相为主，并还有少量马氏体相，碳化物主要为M7C3型。经1 000 ℃淬火，460 ℃左右回火处理后，试样中奥氏体物相几乎消失，只在2θ 角50°左右出现很少量的残余奥氏体，而回火马氏体相显著增多，M7C3型碳化物的物相峰基本没有变化。

比较1 号和2 号高铬合金铸铁铸态和热处理态的物相峰发现，碳含量对高铬铸铁的物相影响不大，主要影响图1 中高铬铸铁热处理后的金相组织。

图2 高铬铸铁XRD 图谱

表2 所示为两种样品铸态和热处理后的力学性能。比较发现，高铬铸铁的力学性能在经过淬火+回火热处理后显著改善，1 号样品抗拉强度从536MPa提高到882.1MPa，增加了64.5%，伸长率从8.75%提高到13.5%，增加了54.2%，洛氏硬度也由43.9HRC提高到52.7HRC，增加了20%.2 号样品抗拉强度从566.7 MPa 提高到1 091.67 MPa，增加了92.6%，伸长率从8.55%提高到19.17%，增加124.2%，洛氏硬度也由42.2HRC 提高到50.3HRC，增加了19.2%.

表2 性能试验结果

高铬铸铁的硬度主要受基体组织硬度以及其中碳化物的类型和体积分数的影响，基体组织硬度与基体的结构直接相关，一般来说，较多的碳化物会导致硬度的增加。结合图1 的金相组织和图2 的物相分析，说明热处理使高铬铸铁的硬度得到明显提高。这主要归因于高铬铸铁中含量较高的合金元素，使其具有较大的碳当量，淬火处理使部分奥氏体转变成马氏体，但是由于冷却速度太快，还有不少奥氏体来不及转变而形成残余奥氏体，这部分残余奥氏体在接下来的回火过程中会转变为高强的回火马氏体，导致高铬合金铸铁的硬度升高。不管是铸态还是热处理态，1 号样品的硬度比2 号样品要稍高，这主要归因于1 号样品的含碳量高于2 号样品，更高的碳含量在铸造过程中更容易生成碳化物，表现出更高的硬度。

Ma.等人[13]报道金属材料的强韧性能不仅与基体组织有关，而且很大程度上取决于基体中碳化物的体积分数、形貌、尺寸和分布。热处理使材料的强度值与铸态时相比有了明显的提高，这与淬火+回火热处理对铸态试样内部的应力状态改变有关。高铬铸铁在铸态时内部会存在应力，应力释放会产生微裂纹，样品经淬火+回火后，过饱和的马氏体向接近饱和转变，应力得到释放，微裂纹减少，材料强度得以提高，特别是2 号样品，热处理后强度提升明显，这与图1 中观察到的碳化物的形貌和分布改善具有一定的关系。1 号样品的含碳量要高于2 号样品，在铸造过程中更容易生成碳化物，这一方面会提高材料的硬度，但另一方面也会导致更大的内部应力，从而使强度下降，因此1 号样品的强度低于2 号样品。

图3 高铬铸铁断口形貌

图3 为高铬铸铁在铸态和淬火+回火热处理后拉伸断口的扫描电镜照片。可以看出铸铁材料的断裂特征因材料的状态不同而表现出明显的区别。铸态高铬铸铁的断裂表现出穿晶解理断裂特征，其间的裂纹和裂纹扩展阶梯十分明显，经淬火+回火热处理后的高铬铸铁解理断裂特征有所减弱，但依然存在，同时出现一些韧性断裂的特征。

铸态高铬铸铁在拉伸过程中，应力集中处产生裂纹，裂纹沿着晶界扩展，形成河流花样[14]。从图3a）、b）中可以明显看出，裂纹横穿碳化物，这是因为铸态组织中的粗长条状碳化物数量较多，对基体的割裂严重，导致其强度差。而图3c）、d）中热处理后的解理面比铸态时细小，同时出现一些韧窝断裂的特征，这是由于经淬火+回火热处理后析出的碳化物尺寸较小，分散在基体中，拉伸过程中韧性好的稳定基体提供了裂纹扩展的途径，从而表现出抗拉强度和断后伸长率的改善。

2.3 高铬合金铸铁的摩擦磨损性能

高铬合金铸铁由于其优良的耐磨性能，是一种被广泛应用的功能材料，本研究的目的之一是研究碳化物的形成及热处理对高铬铸铁组织结构的改善，从而提高高铬合金铸铁的耐磨性。

图4 是两种高铬合金铸铁试样在热处理前后的磨损量的变化，经过淬火+回火热处理后，两种高铬铸铁试样磨损量均有明显的下降，耐磨性能得到提升。其中1 号试样磨损量相对铸态时减少了40.1%，2 号试样的磨损量相对铸态时减少了61.7%。但整体上2 号试样的耐磨性能较1 号试样好。

图4 高铬铸铁的磨损

高铬铸铁的耐磨性与其基体组织以及碳化物形貌和分布有直接的关系。高铬铸铁的铸态基体组织主要为奥氏体，在磨损过程中起到支撑碳化物及抵抗对磨材料对自身的磨损。经过热处理之后，奥氏体组织转化为硬度较高的马氏体组织，其中的碳化物分布也更加均匀（见图1），同时热处理也使铸造应力得到释放，碳化物与基体的结合更加致密，其抗磨性比铸态时明显提高。两种试样的物相基本相同，但试样2 中的碳化物形貌更加圆润规整，分布也更加均匀，在磨损过程中能更好的支撑负载，提高抗磨能力，因此试样2 的抗磨性要优于试样1.

3 结论

1）离心铸造船用气门座圈高铬合金铸铁的初始铸态组织由奥氏体枝晶和M7C3/奥氏体共晶混合物组成，条带状的碳化物连接成鱼骨状或网状均匀分布在奥氏体基体上。

2）热处理释放了高铬合金铸铁的铸造应力，显著改变了基体的显微组织，在马氏体基体中均匀分布着较圆的碳化物，大大提高了硬度和强度。

3）较高硬度的碳化物在基体中的均匀分布，使高铬铸铁表现出优秀的抗磨性能，热处理后其耐磨性能显著提高。