高鉻鑄鐵熱處理工藝論文范文

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1實驗材料與方法

Cr26型高鉻鑄鐵的名義成分(質量分數，%)為，Cr:26，Mo:0.3，Ni:0.2，V:0.8，Mn:0.5，Si:1.0，P:0.05，S:0.05，Fe余量。原材料為廢鋼、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、鉬鐵、釩鐵、電解鎳，采用中頻感應電爐熔煉，出爐溫度1480～1500℃，澆注溫度為1380～1430℃，采用消失模鑄造工藝澆注成22mm×22mm×120mm的試塊，后續便于加工無缺口沖擊試樣。為探索淬火工藝對Cr26型高鉻鑄鐵硬度、沖擊韌性和微觀組織的影響，采用了950、1000、1050、1100和1150℃保溫2h后空冷和1150℃保溫2h后爐冷至950℃空冷共計6種方案，試樣全部隨爐升溫。宏觀硬度在HD-187.5型洛氏硬度計上進行測試，顯微硬度在VICKERS402MVD型顯微硬度計上進行測試。采用JB30A型沖擊試驗機測試高鉻鑄鐵的沖擊韌性值，采用NovaNanoSEM230型高分辨掃描電鏡觀察高鉻鑄鐵的顯微組織，采用D/max-2550VB型X-射線衍射儀測試高鉻鑄鐵的物相成分。

2實驗結果

2.1高鉻鑄鐵力學性能高鉻鑄鐵鑄態及不同熱處理方式后試樣力學性能曲線如圖1和圖2所示。由圖1可知，從950℃到1150℃的脫穩處理試樣顯著提高鑄態高鉻鑄鐵的宏觀硬度和基體顯微硬度。同時高鉻鑄鐵宏觀硬度和基體顯微硬度均隨淬火溫度先增加后減小，在1050℃達到峰值。而1150℃保溫2h后爐冷至950℃再空冷的試樣宏觀硬度和基體顯微硬度與950℃時脫穩處理試樣相當，但比1150℃時脫穩處理試樣要高。由圖2可知，沖擊韌性數值差別不大，范圍4.0～4.5J/cm2。高鉻鑄鐵的宏觀硬度變化規律與基體的顯微硬度變化規律基本保持一致，說明熱處理工藝通過改變高鉻鑄鐵基體組織，從而影響材料的宏觀硬度。

2.2微觀組織圖3為高鉻鑄鐵鑄態顯微組織，由圖3可知，初生碳化物尺寸較小(15～30μm)，分布均勻，共晶碳化物呈塊狀、短棒狀、細桿狀彌散分布，碳化物分布形式對基體割裂作用大大減小，磨損時可以有效保護基體，有利于提高材料耐磨性［3，11-12］，基體中無二次碳化物析出。能譜分析表明，基體中碳和鉻元素含量均處在較高水平，如圖4所示。圖5為高鉻鑄鐵經過不同熱處理方式后的顯微組織，高鉻鑄鐵初生、共晶碳化物變化較小，重點分析了基體中二次碳化物的變化。由圖5可知，經過950℃脫穩處理后試樣中彌散析出大量二次碳化物(如圖5a所示)，溫度增至1050℃時二次碳化物數量減少、尺寸有所增大(如圖5b所示)，當溫度繼續增至1150℃時，基體中幾乎沒有二次碳化物的析出(如圖5c所示)。對于1150℃保溫2h后爐冷至950℃再空冷的試樣，基體中有少量顆粒尺寸較大的二次碳化物析出(如圖5d所示)。

2.3XRD物相分析圖6為高鉻鑄鐵鑄態和熱處理后試樣XRD圖譜，由圖6可知，高鉻鑄鐵鑄態和熱處理態試樣均由M7C3型碳化物、奧氏體、馬氏體組成，其它物相峰不明顯。950℃時脫穩處理試樣奧氏體的物相峰幾乎完全消失，而馬氏體峰顯著增強(如圖6b所示);脫穩處理溫度增加至1050℃時，奧氏體峰開始增強，馬氏體峰減弱(如圖6c所示);脫穩處理溫度增加至1150℃時，奧氏體峰進一步增強，馬氏體峰進一步減弱(如圖6d所示)。而采用1150℃保溫2h后爐冷至950℃再空冷試樣，馬氏體峰強度又較高(如圖6e所示)。

3分析與討論

由圖1可知，高鉻鑄鐵宏觀硬度與基體的顯微硬度變化呈線性關系。分析認為高鉻鑄鐵材料硬度是由初生碳化物、共晶碳化物和基體成分的變化共同影響。在熱處理過程中初生碳化物和共晶碳化物基本保持不變的情況下，基體成分變化勢必主要影響高鉻鑄鐵宏觀硬度的變化。高鉻鑄鐵基體強化因素主要包括馬氏體數量、馬氏體含碳量、二次碳化物數量等。由圖5和圖6可知，中等溫度1050℃脫穩處理時，基體二次碳化物數量和尺寸以及馬氏體數量均處于中等水平，但該狀態硬度最高;高溫1150℃充分保溫，在低溫950℃短暫停留樣品的二次碳化物最少，有部分馬氏體生成，而低溫950℃脫穩處理的二次碳化物析出數量多、尺寸細小，其馬氏體數量很多，但這兩種狀態的硬度基本相同。這表明除馬氏體數量和二次碳化物數量外，馬氏體含碳量在不同熱處理過程中發生了明顯變化，從而對高鉻鑄鐵的硬度有顯著影響。文獻研究也指出，鋼鐵材料淬火過程中，微量碳含量的變化可影響馬氏體硬度發生急劇變化。經典理論認為，高鉻鑄鐵基體中主要是過飽和碳及合金元素的奧氏體，在熱力學上處于不穩定狀態，隨脫穩熱處理進行，奧氏體中碳和合金元素擴散能力逐漸提高，奧氏體發生分解析出二次碳化物，并且在后續冷卻過程中發生奧氏體向馬氏體轉變［4-6］。二次碳化物和馬氏體這兩個分離的組織轉變過程，均對奧氏體在不同溫度下的平衡溶質元素特別是碳元素依賴程度大，因而對脫穩處理溫度依賴程度也高。溫度越高，奧氏體平衡碳元素濃度越高，對于二次碳化物，由于可供析出的碳元素減少，因而其析出數量不斷減少，而顆粒尺寸不斷增大，如圖5(a)～5(c)所示;對于奧氏體向馬氏體轉變過程，由于淬火溫度升高，奧氏體穩定性增強，因而馬氏體生成數量不斷減少，到1150℃時幾乎沒有馬氏體生成;對于馬氏體含碳量，它直接依賴于高溫奧氏體含碳量，因而馬氏體含碳量不斷增加。因此，受馬氏體含碳量影響，材料硬度峰值不出現在二次碳化物和馬氏體數量最多的低溫處理狀態，而是在二次碳化物和馬氏體數量中等，但馬氏體含碳量高的中等溫度脫穩處理。文獻研究也指出，熱處理的高鉻鑄鐵中二次碳化物的析出和溶入及其數量的多少，是影響高鉻鑄鐵硬度的重要因素。高鉻鑄鐵適宜的淬火溫度選擇應保證基體析出的二次碳化物量合適，即平衡奧氏體還能夠溶解一定的碳和合金元素，獲得足夠的淬透性以使較多數量的奧氏體轉變成馬氏體，而馬氏體碳含量又較高，殘留奧氏體量盡可能減少。若二次碳化物析出量超過最合適的量，會使馬氏體碳含量降低，導致硬度降低。至于采用高溫1150℃充分保溫，在低溫950℃短暫停留后淬火工藝的試樣，由于其二次碳化物析出由高溫保溫的溫度決定，奧氏體碳和合金元素平衡濃度較高，因而二次碳化物的數量和尺寸與1150℃保溫2h后脫穩處理相近;在由高溫向低溫隨爐冷卻過程中，高溫奧氏體中可能有尚未形成的二次碳化物形核核心生成，造成局部碳含量有起伏，因而馬氏體生成。而且在淬火過程中二次碳化物形核核心可能向馬氏體中輸送碳元素，使得馬氏體含碳量相比于低溫950℃脫穩處理形成的馬氏體含碳量高。因此盡管二次碳化物數量和馬氏體含碳量不一樣，但這兩種熱處理狀態的硬度基本相同。此外，由圖2可知，熱處理對于Cr26高鉻鑄鐵的沖擊韌性影響不大。分析認為由于高鉻鑄鐵材料的沖擊韌性整體偏低，屬脆性材料范疇，對于Cr26型高鉻鑄鐵其碳化物含量達30%以上，碳化物對基體的割裂作用是影響材料韌性的主要因素。由圖3和圖5可知，熱處理過程中碳化物的形貌與分布無明顯變化，因而沖擊韌性無明顯變化。

4結論

1)材料的宏觀硬度與基體顯微硬度呈線性變化規律，且隨脫穩處理溫度提高，材料硬度先增加后減小，沖擊韌性沒有明顯變化;2)隨脫穩處理溫度提高，基體中的二次碳化物和馬氏體數量不斷減少，而初生碳化物和共晶碳化物沒有明顯變化;3)高鉻鑄鐵基體強化因素主要包括馬氏體數量、馬氏體含碳量和二次碳化物數量，馬氏體含碳量是高鉻鑄鐵硬度隨脫穩處理溫度出現峰值的關鍵因素。

作者：付玲劉延斌李飛單位：中聯重科股份有限公司建設機械關鍵技術國家重點實驗室