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高铬铸铁热处理工艺论文

2015/04/18 阅读:

1实验材料与方法

Cr26型高铬铸铁的名义成分(质量分数,%)为,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。原材料为废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、钼铁、钒铁、电解镍,采用中频感应电炉熔炼,出炉温度1480~1500℃,浇注温度为1380~1430℃,采用消失模铸造工艺浇注成22mm×22mm×120mm的试块,后续便于加工无缺口冲击试样。为探索淬火工艺对Cr26型高铬铸铁硬度、冲击韧性和微观组织的影响,采用了950、1000、1050、1100和1150℃保温2h后空冷和1150℃保温2h后炉冷至950℃空冷共计6种方案,试样全部随炉升温。宏观硬度在HD-187.5型洛氏硬度计上进行测试,显微硬度在VICKERS402MVD型显微硬度计上进行测试。采用JB30A型冲击试验机测试高铬铸铁的冲击韧性值,采用NovaNanoSEM230型高分辨扫描电镜观察高铬铸铁的显微组织,采用D/max-2550VB型X-射线衍射仪测试高铬铸铁的物相成分。

2实验结果

2.1高铬铸铁力学性能高铬铸铁铸态及不同热处理方式后试样力学性能曲线如图1和图2所示。由图1可知,从950℃到1150℃的脱稳处理试样显著提高铸态高铬铸铁的宏观硬度和基体显微硬度。同时高铬铸铁宏观硬度和基体显微硬度均随淬火温度先增加后减小,在1050℃达到峰值。而1150℃保温2h后炉冷至950℃再空冷的试样宏观硬度和基体显微硬度与950℃时脱稳处理试样相当,但比1150℃时脱稳处理试样要高。由图2可知,冲击韧性数值差别不大,范围4.0~4.5J/cm2。高铬铸铁的宏观硬度变化规律与基体的显微硬度变化规律基本保持一致,说明热处理工艺通过改变高铬铸铁基体组织,从而影响材料的宏观硬度。

2.2微观组织图3为高铬铸铁铸态显微组织,由图3可知,初生碳化物尺寸较小(15~30μm),分布均匀,共晶碳化物呈块状、短棒状、细杆状弥散分布,碳化物分布形式对基体割裂作用大大减小,磨损时可以有效保护基体,有利于提高材料耐磨性[3,11-12],基体中无二次碳化物析出。能谱分析表明,基体中碳和铬元素含量均处在较高水平,如图4所示。图5为高铬铸铁经过不同热处理方式后的显微组织,高铬铸铁初生、共晶碳化物变化较小,重点分析了基体中二次碳化物的变化。由图5可知,经过950℃脱稳处理后试样中弥散析出大量二次碳化物(如图5a所示),温度增至1050℃时二次碳化物数量减少、尺寸有所增大(如图5b所示),当温度继续增至1150℃时,基体中几乎没有二次碳化物的析出(如图5c所示)。对于1150℃保温2h后炉冷至950℃再空冷的试样,基体中有少量颗粒尺寸较大的二次碳化物析出(如图5d所示)。

2.3XRD物相分析图6为高铬铸铁铸态和热处理后试样XRD图谱,由图6可知,高铬铸铁铸态和热处理态试样均由M7C3型碳化物、奥氏体、马氏体组成,其它物相峰不明显。950℃时脱稳处理试样奥氏体的物相峰几乎完全消失,而马氏体峰显著增强(如图6b所示);脱稳处理温度增加至1050℃时,奥氏体峰开始增强,马氏体峰减弱(如图6c所示);脱稳处理温度增加至1150℃时,奥氏体峰进一步增强,马氏体峰进一步减弱(如图6d所示)。而采用1150℃保温2h后炉冷至950℃再空冷试样,马氏体峰强度又较高(如图6e所示)。

3分析与讨论

由图1可知,高铬铸铁宏观硬度与基体的显微硬度变化呈线性关系。分析认为高铬铸铁材料硬度是由初生碳化物、共晶碳化物和基体成分的变化共同影响。在热处理过程中初生碳化物和共晶碳化物基本保持不变的情况下,基体成分变化势必主要影响高铬铸铁宏观硬度的变化。高铬铸铁基体强化因素主要包括马氏体数量、马氏体含碳量、二次碳化物数量等。由图5和图6可知,中等温度1050℃脱稳处理时,基体二次碳化物数量和尺寸以及马氏体数量均处于中等水平,但该状态硬度最高;高温1150℃充分保温,在低温950℃短暂停留样品的二次碳化物最少,有部分马氏体生成,而低温950℃脱稳处理的二次碳化物析出数量多、尺寸细小,其马氏体数量很多,但这两种状态的硬度基本相同。这表明除马氏体数量和二次碳化物数量外,马氏体含碳量在不同热处理过程中发生了明显变化,从而对高铬铸铁的硬度有显著影响。文献研究也指出,钢铁材料淬火过程中,微量碳含量的变化可影响马氏体硬度发生急剧变化。经典理论认为,高铬铸铁基体中主要是过饱和碳及合金元素的奥氏体,在热力学上处于不稳定状态,随脱稳热处理进行,奥氏体中碳和合金元素扩散能力逐渐提高,奥氏体发生分解析出二次碳化物,并且在后续冷却过程中发生奥氏体向马氏体转变[4-6]。二次碳化物和马氏体这两个分离的组织转变过程,均对奥氏体在不同温度下的平衡溶质元素特别是碳元素依赖程度大,因而对脱稳处理温度依赖程度也高。温度越高,奥氏体平衡碳元素浓度越高,对于二次碳化物,由于可供析出的碳元素减少,因而其析出数量不断减少,而颗粒尺寸不断增大,如图5(a)~5(c)所示;对于奥氏体向马氏体转变过程,由于淬火温度升高,奥氏体稳定性增强,因而马氏体生成数量不断减少,到1150℃时几乎没有马氏体生成;对于马氏体含碳量,它直接依赖于高温奥氏体含碳量,因而马氏体含碳量不断增加。因此,受马氏体含碳量影响,材料硬度峰值不出现在二次碳化物和马氏体数量最多的低温处理状态,而是在二次碳化物和马氏体数量中等,但马氏体含碳量高的中等温度脱稳处理。文献研究也指出,热处理的高铬铸铁中二次碳化物的析出和溶入及其数量的多少,是影响高铬铸铁硬度的重要因素。高铬铸铁适宜的淬火温度选择应保证基体析出的二次碳化物量合适,即平衡奥氏体还能够溶解一定的碳和合金元素,获得足够的淬透性以使较多数量的奥氏体转变成马氏体,而马氏体碳含量又较高,残留奥氏体量尽可能减少。若二次碳化物析出量超过最合适的量,会使马氏体碳含量降低,导致硬度降低。至于采用高温1150℃充分保温,在低温950℃短暂停留后淬火工艺的试样,由于其二次碳化物析出由高温保温的温度决定,奥氏体碳和合金元素平衡浓度较高,因而二次碳化物的数量和尺寸与1150℃保温2h后脱稳处理相近;在由高温向低温随炉冷却过程中,高温奥氏体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,因而马氏体生成。而且在淬火过程中二次碳化物形核核心可能向马氏体中输送碳元素,使得马氏体含碳量相比于低温950℃脱稳处理形成的马氏体含碳量高。因此尽管二次碳化物数量和马氏体含碳量不一样,但这两种热处理状态的硬度基本相同。此外,由图2可知,热处理对于Cr26高铬铸铁的冲击韧性影响不大。分析认为由于高铬铸铁材料的冲击韧性整体偏低,属脆性材料范畴,对于Cr26型高铬铸铁其碳化物含量达30%以上,碳化物对基体的割裂作用是影响材料韧性的主要因素。由图3和图5可知,热处理过程中碳化物的形貌与分布无明显变化,因而冲击韧性无明显变化。

4结论

1)材料的宏观硬度与基体显微硬度呈线性变化规律,且随脱稳处理温度提高,材料硬度先增加后减小,冲击韧性没有明显变化;2)随脱稳处理温度提高,基体中的二次碳化物和马氏体数量不断减少,而初生碳化物和共晶碳化物没有明显变化;3)高铬铸铁基体强化因素主要包括马氏体数量、马氏体含碳量和二次碳化物数量,马氏体含碳量是高铬铸铁硬度随脱稳处理温度出现峰值的关键因素。

作者:付玲刘延斌李飞单位:中联重科股份有限公司建设机械关键技术国家重点实验室

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