过共晶超高铬铸铁合金的组织与性能

                                    杨雄等

在冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、军工等许多工业部门中，许多零部件处于恶劣磨损工况 下，磨损是其主要失效方式，也是造成经济损失最多的原因之一，高铬铸铁由于具有较高的硬度，是目前 研究和应用最广泛的耐磨材料[11。亚共晶铸铁的初生相为奥氏体（A)热处理后得到M+A'+碳化 物的显微组织，随着CC含量的升高，共晶碳化物类型由M3C转向M7C131，其数量也随之増多，合金 硬度和耐蚀性、因此，高铬铸铁的发展也由最初的Cr合金到承受的腐蚀环境下的C26合金，甚至含 C C更高的合金。

为了进一■步提高高络铸铁的耐腐蚀磨损能力，超高碳超高络铸铁逐渐进入科研人员的研究领域，澳 大利亚的Lewel]ynRj4i研究了在渣浆泵过流件上使用的超高铬材料，并在实际应用中获得成功;石家 庄泵业集团公司引进这种材料后，对其进行了吸收、消化与改进|5|;西安交通大学对半固态过共晶高铬 铸铁的组织和性能进行了初步研究161。本文针对超高铬材料微观组织和性能进行了基础研究，特别是 研究了热处理工艺对其组织、硬度和冲击韧性的影响。

表1试验合金的化学成分（质量分数，％）

1 试验材料及制备方法
本文研究的过共晶高铬铸铁的化学成分见表 1。
  试 验 材 料 采 用50 k g 中频感应炉熔化, 出炉前纯铝终脱氧, 出炉温度 1 500℃,浇注温度 1 450℃,稀土变质处理, 浇注成标准 Y型试块,然后线切割成尺寸为 20 mm×20 mm×110 mm的冲击试样 ,采用 S KZ -8- 13碳硅棒电阻炉对试样进行热处理 。
 热处理工艺为淬火 + 回火 。因为材料的碳含量和合金元素含量都很高 ,淬火温度太低就会使得在奥氏体化的过程中会有很多的碳化物不能溶解到奥氏体中, 所以淬火温度为 1 050℃, 保温时间 2 h , 回火温度分别选为 250℃, 350℃, 450℃, 550℃,保温时间 2 h 。热处理后在 J B- 300B型冲击试验机上测试冲击韧性 , 在 HR-150A型洛氏硬度计上测试硬度 , 在JSM- 5160L V型扫描电子显微镜下观察组织,用 X射线衍射仪确定其物相类型。

试验材料的铸态组织, 由初 生碳 化 物(M 7 C 3 ) 及 ( γ+M 7 C 3 ) 共晶组织的冷却转变产物 ( 共晶M 7 C 3 +马氏体 +残余奥氏体 )组 成。 初 生 碳 化 物( M 7 C 3) 为六方形长秆状。其横切面为六方形碳化物中间存在空洞 , 具有明 显的 M 7 C 3 碳化 物的特征  其纵切面为长状 。
铸态试验材料 X衍射,其相组成是马氏体 ,奥氏体和碳化物 ( 碳化物类型为 M 23 C 6 和 M 7C 3 )。这是因为在铸造过程中, 冷却速度较快 ,有一定量的奥氏体在冷却的过程中转变成了马氏体。
2. 2 热处理对试验材料组织和性能的影响
(1)热处理后材料的组织。经 1 050°c 淬火，250°、350°、 450°c，550°C回火处理后材料的微观组织;材料在淬火、回火处理之后，初生碳化物 的的形态和分布几乎没有变化，但是在初生碳化物的周围出现了更多的细小碳化物。因为淬火温度较高，溶解在奥氏体中的铬原子较多，使得基体中的奥氏体的抗回火能力提高，回火较低的时候， 从马氏体中析出少量的细小碳化物，得到稳定的回火马氏体。回火温度升高，碳原子和合金原子的扩散能力升高，从基体中析出的碳化物会增多，弥散分布在初生碳化物的周围的碳化物数量也会增多。

回火温度升高到550 °C，回火过程中从基体中析出的细小碳化物逐步聚集长大。

(2)热处理后材料的性能。试验材料热处理后的性能，在350°C以下回火的时候，材料的硬度和冲击韧性几乎是没有变化; 回火温度升高到450°材料的硬度上升，相对应的冲击性能也就有所下降。回火温度升高到550°C后，因从基体析出的碳和合金原子的数量增多，回火过程中析出的碳化物聚集长大，使得硬度下降，冲击韧性升高。

2 3分析

由上述分析可知，铸态条件下试验材料的组织由马氏体、奥氏体和碳化物组成。

材料在由室温加热到1050°C的过程中，基体中会因碳化物的析出而分解，加热温度超过材料的奥氏体化温度后，C和Cr在奥氏体中的溶解度升高，析出的碳化物会重新的溶入奥氏体中，而且随着加热温度的升高，奥氏体中合金和碳的含量会越来越多，但是整个加热过程中初生的碳化物分解的很少，最后在1 050°C的时候，材料的组织就由奥氏体和碳化物组成。

在随后的冷却过程中，奥氏体中的C和Cr元素会以二次碳化物的形式析出，弥散地分布在基体上，

从而提高材料的MS点。所以在材料冷却到室温时会有一定的奥氏体转变为马氏体，剩下的奥氏体将 以残余奥氏体的形式保留。

因此，合金的组织在1050°C淬火后得到的组织就由马氏体、残余奥氏体和碳化物组成。

由于材料的合金含量很高，故其抗回火能力很强，在低温（250°C和350°C)回火时，基体析出了少量的碳化物，最后的组织是由回火马氏体，残余奥氏体和碳化物组成。

回火温度升高（450°C)C和Cr的扩散能力增强，从过饱和的马氏体中析出的碳化物的量会增加， 而且从奥氏体中也会析出大量的碳化物。使得奥氏体中的合金和碳含量降低。由于奥氏体中合金和碳含量降低后，在随后的冷却过程中奥氏体向马氏体转变的Ms点升高，使得有部分的奥氏体会转变成马氏体，所以，在450°C回火后，材料的组织中奥氏体的含量会降低，马氏体和碳化物的含量会升高。

  白口铬铁合金在480~510 °C之间会发生二次碳化物的析出，所以回火温度升高到550°C时，从基体中析出的碳化物会更多。马氏体会因脱碳而使其正方度降低，碳化物会聚集长;奥氏体会析出大量 的碳化物后逐渐变成共析组织，而且这些碳化物析出之后会因偏聚而长大。

由上述分析可知，试样在低温回火的时候，由于组织中存在一定量的奥氏体而且碳化物析出的量不多，所以其冲击韧性和硬度基本不变，回火温度升高到450由于奥氏体的转变和二次碳化物析出 的量増加使得组织中的硬脆相的成分増加，所以硬度上升到最高，冲击韧性也相应的降低；回火温度升高到550°C后，由于基体中马氏体的正方度降低，奥氏体也分解为共析组织，使得其硬质相成分减少，所 以其硬度下降冲击韧性上升。

3结论

(1M共晶超高铬铸铁的铸态组织由由先共晶初生碳化物（M7 C 3)及（γ+M7 C 3）共晶组织的冷却转变产物（共晶M7 C 3+马氏体+残余奥氏体）组成，初生碳化物（M7 C 3)为六方形长秆状，其横切面为六方形块状，纵切面为长杆状；

（2)低温回火的时候，超高铬铸铁的组织，硬度和冲击韧性没有什么变化， 其硬度为HRC60左右，冲击韧性为7J/m左右；（3)在450C回火，超高铬铸铁可以得到最高的硬度和一定的冲击性能，继续提高回火温度会使得其硬度下降，冲击韧性提高。