孔凡洪，何曉靜，錢(qián)兵羽

（黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150020）

高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵之后逐漸發(fā)展起來(lái)的新一代耐磨材料，高鉻合金與普通合金鋼相比，其耐磨性能更優(yōu)。與普通白口鑄鐵相比，高鉻鑄鐵的強(qiáng)韌性能、抗高溫和耐蝕性能也更加優(yōu)異[1-2]。高鉻鑄鐵基于其優(yōu)異的性能，成為礦上設(shè)備磨機(jī)襯板及錘式破碎機(jī)錘頭的主要材料，在采礦、磨坊、礦業(yè)和機(jī)械生產(chǎn)等行業(yè)中廣泛應(yīng)用[3]。隨著時(shí)代發(fā)展，設(shè)備呈大型化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)襯板等材料的磨損及沖擊加劇，使其服役周期縮短，設(shè)備利用率降低，成本增加[4]。因此，在不增加原料成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高礦山設(shè)備的使用壽命具有重要的意義。同時(shí)，高鉻鑄鐵的工作壽命已成為礦山、水泥等行業(yè)衡量設(shè)備的重要指標(biāo)，不斷提高高鉻鑄鐵的使用壽命已成為耐磨材料行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

通過(guò)調(diào)控高鉻鑄鐵的熱處理工藝來(lái)改善其組織和性能是提高耐磨材料使用壽命的辦法之一。呂遠(yuǎn)[5]對(duì)Cr26 型球磨機(jī)襯板的熱處理工藝進(jìn)行了探究，認(rèn)為1 050 ℃×3 h 油冷+300 ℃×2 h 空冷為最優(yōu)熱處理工藝，其硬度（HRC）為58。于洪軍[6]研究發(fā)現(xiàn)，亞共晶高鉻鑄鐵在900 ℃淬火+低溫回火后，碳化物發(fā)生球化，且彌散均勻，硬度和沖擊韌性均較高。熱處理過(guò)程中高鉻鑄鐵性能優(yōu)化主要受碳化物形態(tài)、數(shù)量和分布狀態(tài)的影響。高鉻鑄鐵組織中碳化物形態(tài)以M3C、M7C3、M23C6為主，當(dāng)Cr 等合金元素溶入到M7C3型碳化物時(shí)，其碳化物硬度最高，合金耐磨性最好[7]。不同碳化物對(duì)溫度的敏感性也不同，M3C型碳化物奧氏體化溫度在1 050～1 200 ℃，M7C3型碳化物奧氏體化溫度在950～1 150 ℃，M23C6型碳化物奧氏體化溫度在1 150～1 200 ℃。Amporn[8]也提出在900～1 100 ℃時(shí)，高鉻鑄鐵處于失穩(wěn)狀態(tài)，將會(huì)形成二次碳化物沉淀，從而影響硬度，改善性能。綜上所述，通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝獲得了硬度和韌性良好配合的高鉻鑄鐵，為提高其使用壽命提供了可能性。因此，本文在不打破現(xiàn)有復(fù)合鑄造工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝，探究不同淬火溫度對(duì)高鉻鑄鐵組織及性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料選用w（C）=2.91%，w（Cr）=22%，w（Mo）=0.8%，w（Ni）=1.1%的高鉻白口鑄鐵，且含有微量的B、Cu、Mn、Si、Re 元素，其他為Fe，鉻碳比約為7.4。

利用NH7720A 型精密數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床，將高鉻鑄鐵切割成10 mm×10 mm×55 mm 的沖擊試樣，10 mm×10 mm×15 mm 的熱處理工藝試樣若干。將熱處理試樣放入KSL-1200X 型箱式電阻爐，分別加熱到860 ℃、920 ℃、980 ℃、1 040 ℃、1 100 ℃，保溫時(shí)間均為3 h，采用空冷冷卻。利用Zeiss Axio Lab.A1金相顯微鏡、DX-2700B 型X 射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行高鉻鑄鐵的顯微組織及物相分析，采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)、HR-150 洛氏硬度計(jì)測(cè)試材料性能。沖擊韌性為3 組試樣所取平均值，硬度值為5 組數(shù)據(jù)所取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 硬度

下頁(yè)圖1 為不同淬火溫度下的高鉻鑄鐵硬度曲線(xiàn)。從圖1 中可以看出，高鉻鑄鐵在不同淬火溫度保溫3 h，隨后空冷，得到其合金硬度均高于鑄態(tài)硬度，隨加熱溫度升高，硬度值先增加后減小。淬火溫度為860 ℃時(shí)，試樣平均硬度（HRC）為58.2（2 162 MPa），隨著淬火溫度的升高，硬度逐漸升高。淬火溫度1040 ℃時(shí)，試樣平均硬度值（HRC）最高，達(dá)到67.5（2 582.2 MPa）。淬火溫度繼續(xù)升高，硬度（HRC）下降至62.7（2365.3 MPa）。硬度為耐磨材料的重要性能指標(biāo)，為保證高鉻鑄鐵具有較好的耐磨性，因此淬火溫度選擇1 040 ℃較為合適。

圖1 不同淬火溫度高鉻鑄鐵硬度曲線(xiàn)

2.2 沖擊韌性

高鉻鑄鐵在不同工況下均需承受一定的沖擊載荷，因此需要在保證高鉻鑄鐵高硬度的同時(shí)，要具有良好的沖擊韌性。表1 為高鉻鑄鐵不同淬火溫度沖擊韌性情況，鑄態(tài)試樣沖擊韌性為4.00 J/cm2，淬火溫度為980 ℃時(shí)，沖擊韌性仍為4.00 J/cm2，淬火溫度在1 040 ℃時(shí)，沖擊韌性為3.96 J/cm2。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，淬火溫度變化對(duì)沖擊韌性無(wú)顯著影響，數(shù)值都在4 J/cm2左右。

表1 高鉻鑄鐵不同淬火溫度沖擊韌性 J/cm2

2.3 XRD 物相分析

圖2 為高鉻鑄鐵不同淬火溫度的XRD 圖。在不同熱處理保溫溫度下，組織主要由M3C、M7C3、M23C6碳化物、馬氏體以及殘余奧氏體相組成。由圖2 可知，淬火溫度為860 ℃時(shí)，組織中碳化物以M3C 型化合物為主，分別以Fe3C 及（Fe，Mo）3（B，C）形式存在。除碳化物外，還存在馬氏體及大量的殘余奧氏體。當(dāng)淬火溫度升高至920 ℃時(shí)，碳化物形式發(fā)生變化，以M7C3型為主，存在Fe7C3、（Fe，Cr）7C3、（Fe，Cr，Mo）7C3多種形式。同時(shí)，殘余奧氏體衍射強(qiáng)度大大降低。淬火溫度繼續(xù)升高至980 ℃時(shí)，碳化物仍然以M7C3型為主，但（Fe，Cr，Mo）7C3碳化物衍射峰強(qiáng)度明顯增加。1 040 ℃時(shí)，碳化物為（Fe，Cr，Mo）7C3碳化物，同時(shí)馬氏體衍射峰逐漸寬化，呈現(xiàn)漫散峰，說(shuō)明此時(shí)晶粒較細(xì)小。淬火溫度最高在1 100 ℃時(shí)，相組成發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)了M23C6型碳化物。綜上所述，隨著淬火溫度的升高，高鉻鑄鐵中碳化物存在形式M3C→M7C3→M23C6的轉(zhuǎn)變。

圖2 高鉻鑄鐵不同淬火溫度的XRD

2.4 顯微組織分析

下頁(yè)圖3 為不同淬火溫度下的高鉻鑄鐵金相顯微組織。亞共晶高鉻鑄鐵凝固組織由奧氏體、馬氏體及碳化物組成。組織中樹(shù)枝晶為初生奧氏體，隨后的空冷過(guò)程中，奧氏體將發(fā)生分解，形成馬氏體和碳化物，并保留部分殘余奧氏體。枝晶間主要是共晶組織組成，具體由共晶碳化物、奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和二次碳化物組成。淬火溫度為860 ℃時(shí)，組織較粗大，部分共晶組織形成以馬氏體為核心，碳化物成放射型的菊花狀組織，樹(shù)枝晶中出現(xiàn)大塊灰白色碳化物。920℃淬火時(shí)，樹(shù)枝晶及共晶組織明顯細(xì)化，并且共晶組織中菊花狀組織消失。980 ℃淬火時(shí)，共晶碳化物中出現(xiàn)集束狀碳化物。結(jié)合XRD 結(jié)果，此時(shí)的碳化物為M7C3型，M7C3型碳化物中含有大量層錯(cuò)、孿晶等缺陷，缺陷致使碳化物[0001]方向生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于側(cè)面[1010]方向，故生長(zhǎng)成棒狀[10-11]。1 040 ℃淬火處理后，組織中依然存在集束狀碳化物，但是碳化物明顯都比980 ℃淬火組織細(xì)小。1 100 ℃淬火處理后，組織中集束狀碳化物消失，出現(xiàn)顆粒狀碳化物，結(jié)合XRD 分析，該組織可能為M23C6型碳化物。同時(shí)可以觀測(cè)到在顆粒狀碳化物周?chē)霈F(xiàn)環(huán)形區(qū)域，該區(qū)域并非典型的共晶組織，判斷形成該組織的過(guò)程中可能存在伴生現(xiàn)象。

圖3 不同淬火溫度高鉻鑄鐵金相組織

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

隨著淬火溫度的升高，高鉻鑄鐵硬度出現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其原因進(jìn)行分析。

3.1 淬火溫度的影響

隨著淬火溫度的升高，碳化物類(lèi)型存在M3C→M7C3→M23C6轉(zhuǎn)變，碳化物類(lèi)型對(duì)高鉻鑄鐵性能產(chǎn)生重要影響。860 ℃淬火時(shí)，碳化物形態(tài)主要為M3C型，M3C 型碳化物硬度（HV）為1 000～1 230[12]，低于其他類(lèi)型碳化物。920～1 040 ℃淬火時(shí)，碳化物形態(tài)均以硬度（HV）最高（1 300～1 800[13]）的M7C3型為主，但隨著溫度的升高，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，逐漸形成合金碳化物，當(dāng)Mo 元素固溶到碳化物中，碳化物硬度進(jìn)一步提升[8]。1 100 ℃淬火時(shí)，碳化物類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6型，其硬度（HV）值在1 140～1 500，低于M7C3型硬度，致使硬度下降。結(jié)合Fe-C-Cr 變溫截面[14]，進(jìn)一步探究碳化物轉(zhuǎn)變機(jī)制。在升溫過(guò)程中，低溫區(qū)間可能存在α+M3C→γ+M7C3（這里α 相代表低溫組織）和M3C→γ+M7C3兩種反應(yīng)，都促使M3C型向M7C3型轉(zhuǎn)變。但合金顯微組織發(fā)生α+M3C→γ+M7C3反應(yīng)可能性較大。繼續(xù)升溫，存在α+M7C3→γ+M23C6包共析轉(zhuǎn)變。李浩[15]研究發(fā)現(xiàn)，在共晶合金或過(guò)共晶合金中，在1 000 ℃附近會(huì)發(fā)生包共析轉(zhuǎn)變，本實(shí)驗(yàn)合金成分和其研究對(duì)象略有差異，轉(zhuǎn)變溫度也可能略有差異。本實(shí)驗(yàn)在1 100 ℃時(shí)，出現(xiàn)了較明顯的M23C6型碳化物，使合金性能降低。結(jié)合α+M7C3→γ+M23C6包共析反應(yīng)，也可知在形成M23C6型碳化物的同時(shí)，其周?chē)毺?，形成奧氏體組織，奧氏體在降溫過(guò)程中形成低溫組織，這可能是M23C6型碳化物周?chē)霈F(xiàn)環(huán)狀組織的主要原因。

3.2 奧氏體含量的影響

奧氏體含量也是高鉻鑄鐵性能的重要影響因素。通過(guò)XRD 測(cè)試發(fā)現(xiàn)，低溫淬火時(shí)，奧氏體衍射峰較強(qiáng)，大量奧氏體的存在使得合金硬度進(jìn)一步降低。這也是在860 ℃淬火后，合金硬度最低的另一個(gè)原因。1 040 ℃淬火時(shí)，高鉻鑄鐵中出現(xiàn)少量的奧氏體，這主要是由于溫度高，合金元素大量溶入到奧氏體中，提高了奧氏體穩(wěn)定性，使其少量奧氏體組織保留至室溫。少量奧氏體組織的存在，提高了高鉻鑄鐵的韌性，這可能是1 040 ℃下合金在具有較高硬度的同時(shí)仍保持較高韌性的主要原因。

3.3 組織形態(tài)的影響

組織形態(tài)也是影響高鉻鑄鐵性能的另一重要因素。980 ℃和1 040 ℃淬火后，均獲得了硬度較高的M7C3型碳化物，但明顯1 040 ℃組織更加均勻細(xì)小，細(xì)晶強(qiáng)化效果明顯，使材料既獲得了高硬度，又保持了很好的沖擊韌性。分析其原因，可能是淬火溫度升高，奧氏體中溶解度增加，同時(shí)元素?cái)U(kuò)散能力增強(qiáng)，碳化物發(fā)生部分溶解。在隨后空冷過(guò)程中，細(xì)小組織被保留。

4 結(jié)論

1）高鉻鑄鐵在860～1 100 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行淬火+空冷熱處理工藝。隨著淬火溫度升高，高鉻鑄鐵硬度先增加后減少，1 040 ℃淬火后，高鉻鑄鐵硬度為最高，但沖擊韌性無(wú)明顯變化。

2）提高淬火溫度過(guò)程中將發(fā)生M3C 向M7C3的轉(zhuǎn)變，束集狀M7C3型碳化物有利于高鉻鑄鐵硬度的提高。

3）碳化物種類(lèi)是影響高鉻鑄鐵性能的關(guān)鍵因素。隨著淬火溫度的升高，碳化物相應(yīng)發(fā)生M3C→M7C3→M23C6轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變反應(yīng)以包共析轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌．?dāng)組織中出現(xiàn)細(xì)小的集束狀M7C3型碳化時(shí)，高鉻鑄鐵硬度最高。