热处理对高碳铬铁颗粒增强Q235钢基表面复合材料组织与性能的影响

陈 鸣，李青春，薛艳杰，李宝德，李 博，常国威

热处理对高碳铬铁颗粒增强Q235钢基表面复合材料组织与性能的影响

陈 鸣，李青春，薛艳杰，李宝德，李 博，常国威

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

采用真空消失模铸造法制备了高铬铸铁颗粒增强Q235钢基表面复合材料，并进行不同奥氏体化温度的热处理。结果表明，复合材料经930 ℃保温1 h空冷，450 ℃保温3 h空冷处理后，复合层碳化物尺寸减小，基材组织细化，珠光体片层间距降低，硬度和耐磨性能提高。且随着奥氏体化温度的升高，复合材料的耐磨性能逐渐增强。

复合材料；高碳铬铁颗粒；热处理；耐磨性能

颗粒增强钢铁基表层复合材料利用增强颗粒的高硬度、高耐磨性能和钢铁基体良好的冲击韧性，在破碎、研磨、挖掘等较大冲击磨损服役条件下有着广泛的应用前景[1-2]。对于形状不规则的大型耐磨铸件，人们通常采用铸渗法制备。为了消除复合材料的残余应力，提高复合界面连接质量，改善复合材料的组织和抗磨性能，铸后热处理是复合材料的重要加工工序。本文采用消失模铸渗的方法制备高碳铬铁颗粒增强钢基表面复合材料，研究奥氏体化温度对复合材料组织与耐磨性能的影响，为制备低成本的新型高耐磨复合材料奠定实验基础。

1 实验方法

采用消失模铸造方法制备Q235钢基表面复合材料。用立式泡沫切割机制备模样，预制耐磨层时，用聚乙烯醇水溶液逐层粘结粒度为10/20、50/70、70/120目的高碳铬铁颗粒，高碳铬铁的成分（质量分数）为69.5% Cr和8.65% C。将浇注系统、冒口和预制白膜组装，挂涂料烘干后放入砂箱中填砂震实，抽真空。采用中频感应炉熔炼Q235钢液，钢液出炉温度1 650 ℃，浇注温度为1 550 ℃。浇铸后的复合材料放入箱式电阻炉中经930、950、980 ℃奥氏体化后空冷，然后在450 ℃保温3 h回火处理。

采用Axiovert200MAT蔡司金相显微镜和Sigma500扫描电子显微镜观察复合材料组织，并对微区成分进行能谱分析，用X射线衍射仪进行物相分析。用DVH-1000型显微硬度计检测显微硬度。采用抛丸机每间隔30 min抛丸一次，钢丸采用合金钢丸，规格为S280，共抛丸处理3次，通过计算铸件磨损率测试复合材料的耐磨性能。

2 实验结果与分析

2.1 铸态和热处理组织和成分比较

图1为铸态和热处理后复合材料的组织。可以看出，复合材料的铸态组织由复合层、过渡区和基材组成，复合层和过渡区厚度均匀。与铸态组织相比，复合材料经930 ℃保温1 h空冷，450 ℃保温3 h空冷处理后，没有裂纹出现，复合层中粗大的碳化物变细变短，过渡区的黑色过渡层变宽而条状碳化物变细变短，基材中珠光体和铁素体晶粒细化，珠光体片层间距变小。

图2的扫描电镜线扫描结果表明，复合材料的铸态组织中从复合层到基材方向，Cr含量逐渐降低，Fe含量逐渐增加，说明Q235钢液和高碳铬铁颗粒实现了冶金结合。与铸态组织相比，复合材料经热处理后，过渡层和基材中Cr含量略有增加，说明热处理加速了Cr原子从过渡层向基材方向的扩散[3-4]。

对图2中“+”位置打能谱，得到不同位置成分如表1所示，结合图3的XRD衍射曲线，分析认为复合层的碳化物为M7C3型，过渡层的碳化物为M3C型。Q235钢液渗入高碳铬铁颗粒复合过程中，高碳铬铁颗粒熔化，凝固后形成富含M7C3型硬质相的高铬铸铁复合层组织。热处理后，M7C3对应的（102）、（222）和（403）面的衍射峰强度增强，而基体α-Fe所对应的（110）、（200）面的衍射峰强度减弱，说明经淬火+回火处理后，在复合层和过渡区有新的M7C3相析出。

图2 过渡区的线扫描结果

图3 复合材料X射线衍射图谱

2.2 奥氏体化温度对复合材料组织与性能的影响

图4为复合材料经奥氏体化温度930、950、980 ℃保温1 h后空冷，再在450 ℃保温3 h空冷后的金相组织。比较得出，随奥氏体化程度的升高，复合材料过渡层的宽度逐渐变窄，基材中铁素体和珠光体的晶粒尺寸增加，过渡层附近珠光体的含量增多，远离过渡层的基材处，由于Cr扩散范围有限，珠光体的含量变化不明显。上述结果表明，奥氏体化温度增加使奥氏体晶粒粗化[5]，且Cr原子沿过渡区向基材方向扩散加剧，过渡层中M3C逐渐溶解，导致过渡层宽度变窄。

表1 过渡区成分能谱分析结果

wt%FeCrC 复合层铸态335511 热处理345411 过渡层铸态77149 热处理75178 基材铸态950.24 热处理950.44

图4 不同奥氏体化温度下复合材料复合层的金相组织

表2为复合材料经热处理后显微硬度和磨损率的变化。可以看出，经淬火+回火热处理后，复合材料复合层、过渡区和基材的显微硬度均增加，铸件磨损率下降，耐磨性能提高。随奥氏体化温度的升高，耐磨层、过渡区和基材的显微硬度呈逐渐增加趋势，耐磨性能逐渐增强。Q235基材中由于Cr原子的扩散导致固溶强化，同时，细晶强化作用使基材的整体硬度提高[6]。而奥氏体化保温过程中，碳化物的溶解使复合层和过渡区的基体硬度提高。最终复合材料的磨损率下降，耐磨性能增强。

表2 热处理对复合材料硬度和耐磨性能的影响

复合层硬度HV过渡区硬度HV基材硬度HV磨损量/g磨损率/% 铸态6024021720.20.12 奥氏体化温度/℃9306574321880.10.06 9507634531700.050.03 9807894631680.040.024

3 结论

(1)采用消失模铸渗方法制备的高碳铬铁颗粒增强Q235钢基表面复合材料，经930 ℃保温1 h空冷、450 ℃保温3h空冷热处理后，复合层中M7C3型碳化物尺寸减小，基材中珠光体和铁素体组织细化，珠光体片层间距降低。(2)复合材料分别在930、950、980 ℃奥氏体化，随奥氏体化温度的升高，复合材料过渡层宽度变窄，过渡层附近的基材中珠光体含量增多。(3)复合材料经淬火+回火热处理后，复合材料的复合层、过渡区和基材的显微硬度增加，耐磨性能提高。随奥氏体化温度的升高，复合材料的显微硬度逐渐增加，耐磨性能逐渐增强。

[1] 李祖来, 蒋业华, 卢德宏. 碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材料[M]. 北京: 科学出版社, 2017.

[2] Wu Renjie. The Present Condition and Prospects on Metal Matrix Composites[J]. Acta Meatllurgica Sinica, 1997, 33(1): 78-84.

[3] 崔忠圻, 覃耀春. 金属学与热处理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[4] 郝韬. 热处理工艺对高铬铸铁组织及性能的影响[J]. 汽车世界·车辆工程技术, 2019(20): 158-159.

[5]孙东云, 陈晨, 张福成, 等. 奥氏体化温度对V微合金中碳钢淬透性与力学性能的影响[J]. 燕山大学学报, 2019(3): 189-198.

[6] 张宁, 强颖怀, 杨莉, 等. 热处理对复合电冶熔铸WC颗粒增强钢基复合材料力学性能的影响[J]. 金属热处理, 2016, 41(11): 98-104.

Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of Q235 Steel Matrix Composites Reinforced by High Carbon Ferrochromium Particles

CHEN Ming, LI Qing-chun, XUE Yan-jie, LI Bo, LI Bao-de, CHANG Guo-wei

（School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Q235 steel matrix surface composites reinforced by high carbon ferrochrome particles were prepared by vacuum vanishing casting infiltration, and the heat treatment with different austenitizing temperature was finished.The results show that after the composite material was air-cooled by holding at 930℃ for 1h and 450℃ for 3h, the carbide size of the composite layer was reduced, the organization of the base material was refined, the pearlite sheet layer spacing was reduced, and the hardness and wear resistance were improved. With the increase of austenitizing temperature, the wear resistance of the composite was improved.

composite materials; high-carbon ferrochrome particles; heat treatment; wear resistance

10.15916/j.issn1674-3261.2022.04.004

TG156.1

A

1674-3261(2022)04-0228-04

2021-08-19

陈 鸣(1994-)，男，辽宁凌源人，硕士生。

李青春(1972-)，女，辽宁锦州人，教授，博士。

责任编辑：刘亚兵