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C3.4%系列高铬铸铁热处理工艺及高温抗氧化性研究

摘要

本课题的主要研究方向是确定3.4%C高铬铸铁的热处理工艺方案，即得到退火，淬火和回火的最佳温度，以便于得到最好的组织性能和使用性能；研究3.4%C高铬铸铁高温抗氧化性目的是为了确定其是否能在高温下长时间使用。

其研究结果表明：（1）3.4%C高铬铸铁的铸态组织为奥氏体，莱氏体，一次碳化物和少量马氏体；（2）当退火温度为860℃~920℃，组织为莱氏体、珠光体和一次碳化物，硬度达到40HRC~50HRC。组织里M7C3型碳化物居多，使得硬度上升到铸态硬度；（3）当淬火温度为1020℃，组织为莱氏体、马氏体、一次碳化物和残余奥氏体，硬度在60HRC左右；（4）回火组织为马氏体、莱氏体、一次和二次碳化物，当回火温度为450℃~510℃，回火主要作用是消除内应力，硬度在60HRC左右；当回火温度为达到570℃，硬度降至50HRC，马氏体分解，奥氏体析出碳化物；当回火温度升高到650℃时，硬度下降到48HRC，马氏体被大量分解，碳化物粗化严重；（5）3.4%C高铬铸铁在1200℃下由于表面没有氧化膜，不具有抗高温氧化性，所以3.4%C高铬铸铁不宜在1200℃使用。

关键词：高铬铸铁；退火+淬火+回火；硬度；温度；高温抗氧化性

 

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 课题来源及选题的目的和意义 1 

1.2 本课题所涉及的内容国内外研究现状综述 2

1.3 铬系白口铸铁 5

1.4 合金铸铁 5

1.5 高锰钢 5

1.6 高铬铸铁 5 

第2章 实验研究方法 10

2.1 高铬铸铁的化学成分 10

2.1.1 高铬铸铁的合金元素作用 10 

2.1.2 3.4%C高铬铸铁的化学成分 12

2.2 实验方法 12

2.2.1 金相试样及性能测试 12

2.2.2 热处理工艺 13

第3章 热处理工艺对组织性能的影响 16

3.1高铬铸铁的铸态组织 16

3.2热处理对3.4%C高铬铸铁的金相组织及硬度的影响 17 

3.3.1退火对3.4%C高铬铸铁的金相组织及硬度影响 17

3.3.2 淬火对3.4%C高铬铸铁的金相组织及硬度影响 22 

3.3.3 回火对3.4%C高铬铸铁的金相组织及硬度影响 26

3.3 3.4%C高铬铸铁试样的XRD分析 30

3.4 3.4%C高铬铸铁的扫描电镜分析 31

第4章 3.4%C高铬铸铁的高温氧化性及成果分析 33 

结 论 36

参考文献 37

致 谢 39 

 

第1章 绪 论

1.1 课题来源及选题的目的和意义

高铬铸铁的抗磨材料好，它以比合金钢高得多的耐磨性，比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，良好的抗高温和抗腐蚀性能，被誉为当代最优良的抗磨材料之一[1-2]。从20世纪60年代始，广泛应用于建筑、电力、矿山和加工等行业。目前，越来越多的研究表明[3-5]虽然磨损只发生在零件特定表面，所以耐磨材料也要有较高的韧性，以适应高要求工作环境。但是高铬铸铁毕竟是一种脆性材料，材料本身在韧性方面的缺陷直接影响了它的应用范围。提高高铬铸铁的性能，拓宽其应用领域，成了国内外高铬铸铁领域学者的重要研究任务。

一般工业生产中应用的高铬铸铁Cr含量为10%~30%,其微观组织中碳化物以(Fe, Cr)7C3型为主,显微硬度高达1500~1800HV,并且呈现断续状或棒条形态,显著地提高硬度和韧性[6]。国标GB/T8263按照铬含量不同分为Cr12、Cr15Mo、Cr20Mo和Cr26几种类型,其中Cr26型高铬铸铁Cr含量为23%~28%，并根据生产不同的耐磨件,可以含有一定数量的Mo、Ni和Cu[7]。英国标准BS48844按照含碳量将Cr26型分为高碳和低碳两个牌号。由于Cr26型含铬量高,进入基体的铬高于Cr12、Cr15Mo,将有利于提高合金的淬透性,Cr26型高铬铸铁的研究受到人们的重视[8-11]。与常用高铬铸铁相比，新型高铬铸铁的磨损量减少了39％，耐磨性显著提高。起作用有着划时代的意义。耐磨高铬铸铁的耐磨性取决于共晶碳化物和金属基体。碳化物的数量、形态和组织结构直接影响到耐磨性和韧性。而碳化物和金属基体首先是由其化学成份决定的，所以必须合理设计其化学元素的含量。如前所述高铬铸铁在磨料磨损场合具有优良的耐磨性，已经在国民经济的许多行业中得到了广泛的应用这主要是因为高铬铸铁通过适当的热处理工艺与合金变质处理可以获得强韧的基体组织和高硬度的M7C3型碳化物。国内外许多单位开始选用高铬铸铁作为建筑机械搅拌机衬板材质但高铬铸铁属于脆性材料韧性较差，因此如何获得高硬度的M7C3型碳化物并使高铬铸铁的硬度和韧性达到良好的配合综合提高耐磨性一直是国内外研究的主要课题。本课题紧密结合生产实际中存在的问题，致力于提高高铬铸铁的韧性，延长耐磨件的服役寿命，开发一种高硬度的Cr26型的高铬铸铁,对其进行成分设计,研究熔炼工艺和热处理工艺,实验测量其力学性能和观察金相组织。

高铬铸铁是继普通白口铸铁，镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁[12]。它具有比普通铸铁高得多的强度，硬度，耐磨性及抗氧化性，目前广泛应用于烧结机篦条的生产。篦条位于烧结机的台车底部，用于承载烧结的原料。烧结时篦条温度800~1000℃，

卸料后空冷至100~300℃，如此剧烈的温度变化下，篦条产生较大的交变应力而变形，加上高温条件下，在含有CO、CO2、SO2和水蒸汽的气体介质中篦条极易被腐蚀而致其抗氧化性下降，最终导致表面产生裂纹而失效；同时，在烧结过程中篦条要不断承受烧结矿的撞击和摩擦作用，严重影响了篦条的耐磨性，从而减少其使用寿命。篦条是烧结设备的主要易损件，而其使用性能又直接影响烧结机的生产作业率和烧结矿的生产成本，因此选择具有较强的耐磨性能和良好的抗氧化性能的高铬铸铁为烧结机篦条材料十分重要[13-15]。篦条是烧结机的关键部件，工作过程中的最高温度达900℃以上，在回车道上温度又会降低，同时还受到烧结矿的撞击以及高温时带来的磨损。在冷热循环、矿石撞击及磨损的恶劣条件下反复作用后，篦条总是以表面氧化开裂而最终损坏。因此，材料的高温抗氧化性能、耐磨性能以及抗高温回火软化能力越好，篦条的使用寿命越长。高铬系篦条材质适合于在冲击载荷不强烈的磨损条件下使用。该材质具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性，是现在常用的篦条材料。铬元素的加入使得合金外表层能形成一层致密的Cr2O3保护层，阻碍金属基体与氧原子的结合，从而延缓了氧原子进入基体的通道，提高了篦条的抗氧化性。本课题结合铁矿石烧结工矿条件，以烧结机台车用高铬铸铁为对象，研究其抗氧化性能，为改善和提高其使用寿命，以及开发新型烧结机台篦条材料提供依据。

1.2 本课题所涉及的内容国内外研究现状综述

纵观抗磨材料的发展历史，它经历了普通白口铸铁、高锰钢、镍硬铸铁和铬系白口铸铁等几个阶段，上述抗磨材料各有利弊，都在不断完善，但总的趋势是向着提高材料性能与价格比方向发展。铬系白口铸铁起源于二十世纪初期，但其广泛应用却始于二次世界大战结束以后。半个多世纪来，国内外铸造工作者对铬在铸铁中的作用进行了大量的研究试验，使铬系白口铸铁性能不断提高，生产工艺逐渐简化。目前铬系铸铁磨球已取代了一些耐磨锻钢、中锰球铁和低合金。

钢等材质的磨球，在矿山、建材、冶金、火力发电等行业得到应用，成为国内外公认的、较好的抗磨材料。国内铸造工作者关于铬系白口铸铁的研究主要集中在化学成分选择、热处理工艺确定、变质剂选择、良好碳化物类型的获得及磨损机理研究等领域。国外铸造研究人员更致力于高铬铸铁微观组织结构、耐磨机理及新制备工艺开发的研究。

大家都公认高锰钢（Mn13）是一种高韧性冲击硬化著称的好材料，但在低冲击载荷条件下使用，都不能发挥潜在的冲击硬化能力，已逐步被高铬铸铁所取代，如破碎机的锤头、反击条等。美国用Cr15Mo3制造破碎机，冲击锤、离心机外壳和转子等，还用高铬铸铁生产带内外筋片的换热器、烧结炉料盘和炉条、燃烧器喷嘴、玻璃瓶模

具及发动机阀座等。日本也已广泛应用高铬铸铁。前苏联研制的高铬白口铸铁，其壁厚可达200mm的球磨机衬板，淬火硬度可达62HRC。欧美各国，高铬铸铁还用于热轧带钢精轧前段工作，欧洲约60%的热连轧机的工作辊条采用高铬铸铁，法国采用含Cr20的高铬白口铸铁作冷轧工作辊，其硬度可达HS90以上。日本研究制造高铬铸铁轧辊代替部分半钢轧辊。我国在应用高铬铸铁方面也很广泛，不仅在锤头、衬板、磨球得到广泛应用，在轧机的轧辊、导卫、滚筒、高炉料钟、烧结机篦条等都应用相当成功。各种不同成分的高铬铸铁都具有各自的性能和相应的使用范围，只有当材料性能满足特定的工艺要求时，才能发挥其潜力，取得最好的使用效果。

（1）抗氧化研究现状

关于高铬铸铁的氧化行为，国内做了不少研究，像基体中含铬量、含碳量对氧化性的影响，合金元素的影响等。结果表明高铬铸铁中原始基体含铬量决定了氧化过程中所形成的氧化物类型，因而决定了合金总体抗氧化性能；另外，随着含碳量增加，合金的氧化抗力增加；在合金加入稀土元素，能促进完整的Cr2O3氧化层的形成，并且能改善氧化膜的粘附性，使合金的抗氧化性能增加。当然，也有关于高温服饰方面的书籍，对铬的氧化物的性质,铬的氧化及Cr2O3氧化膜的性质及生长机理和铁-铬系材料的氧化机理作了较为详细的阐述和归纳总结。

日本引进Cr27Ni高铬铸铁篦条以来,取得了良好的使用效果。但随着烧结机向大型化方向发展, 烧结强度加大, 台车篦条工作条件更加恶劣, 对绕结机作业率有更高要求,相应对台车篦条寿命提出了更高要求。各企业纷纷研制和使用改进型的高铬合金篦条, 其抗氧化性和热疲劳抗力都很高。篦条中加入适量的铝和硅使其组织细化, 有利于力学性能提高,C含量控制在1.8%～2.8%[16]。本文在降低高铬铸铁篦条含C量的条件下,适当调整化学成分,研究了低C高铬铸铁篦条的抗氧化性能, 同时考虑稀土作用。稀土可以通过改变合金晶粒度和碳化物分布形态来提高材料的强韧性。

（2）热处理研究现状

国内利用正交试验法研究了淬火温度、保温时间和回火温度对Cr26高铬铸铁组织与力学性能的影响，并优化了热处理工艺参数。研究表明，随着淬火温度的提高，Cr26高铬铸铁淬火硬度随之增加。而延长淬火保温时间，淬火硬度则出现先升高后下降的趋势。对Cr26高铬铸铁热处理后力学性能的影响因素大小顺序为：淬火温度、回火温度、淬火保温时间。研究还给出了最佳热处理工艺为l000℃淬火，保温2h，风冷，加上260℃保温2h回火热处理，空冷。对应的Cr26高铬铸铁的力学性能为：59.5HRC，冲击韧度8.0J/cm2，金相组织为马氏体＋M7C3碳化物＋二次碳化物＋残余奥氏体[17]。

研究了不同热处理参数对Cr20高铬白口铸铁磨片试样的硬度和冲击韧性。结果表明，以硬度为试验指标的热处理工艺参数中，回火温度最重要，其次为淬火保温时间，再次为淬火温度及回火保温时间。在本热处理试验范围内，Cr20铸铁试样的硬度均达到了57.5HRC以上，以960℃×2.5 h空冷淬火+450℃×3.5h回火的方案热处理，获得最高硬度61.6HRC；冲击韧度2.31J/cm2。Cr20铸铁的铸后热处理能在保持冲击韧性基本不变的前提下，有效提高Cr20铸铁的硬度，其金相组织主要由坚硬的条状共晶碳化物(Fe，Cr)7C3和马氏体基体组成[18-20]。

国外研究了不同回火温度对高铬铸铁轧辊性能的影响。研究表明：高铬铸铁经过高温淬火和中温回火(1070℃+450～480℃)热处理后，高铬铸铁轧辊硬度高于铸态试样的硬度，耐磨性为铸态试样的1.61倍[21-22]。

对含铬18.22%的高铬铸铁进行了不同淬火温度的热处理实验，探讨了淬火温度、碳化物和高铬铸铁力学性能的关系。研究发现：当淬火温度为800℃时，二次碳化物主要以M23C6型颗粒为主，随着时间的延长，硬度逐渐增加。当淬火温度升高为900℃，1000℃和1100℃时，硬度先快速增加，在960℃左右达到最大，然后随淬火温度的升高而略有下降的趋势。在960℃左右高铬铸铁组织马氏体相增多，二次碳化物以M7C3型碳化物为主。当温度在1100℃，高铬铸铁的组织为奥氏体，二次碳化物溶解严重，硬度、耐磨性会受较大影响[23-24]。

国外对500℃环境使用的高铬铸铁产品的热处理进行了研究，得到了高硬度，并具有良好断裂韧性和热压缩强度的高铬铸铁。通过高温淬火和两个回火处理来提高高铬铸铁试样的整体硬度，并消除残余奥氏体奥氏体化对力学性能的影响，并对样品进行了500℃环境下的力学性能测定。结果表明，在500℃条件下，分散在高铬铸铁回火马氏体晶间的铬碳化物对其性能有较大影响，高温淬火加二次回火可得到高硬度，并具有良好热韧性和热压缩强度的高铬铸铁产品[25]。

国内对高铬铸铁耐磨性进行了研究，试样采用980℃淬火（空冷），300℃回火处理。研究发现，当含铬量从14％升高到28％时，Cr7C3数量由13.69％增至32.61％，分布形式由晶间分布到均匀分布，相对耐磨性从1.00提高到1.36，提高了36%。高铬铸铁试样在980℃和1050℃淬火温度下，随保温时间的延长，滑动式磨损率均呈下降趋势。对显微组织进行分析，发现随着保温时间的延长，二次碳化物析出量增多，同时有长大趋势；继续延长保温时间，二次碳化物出现聚集和长大。较大的尺寸更有利于提高其显微切削抗力，因而随着保温时间的增加，滑动式磨损率下降，耐磨性能提高。高铬铸铁中总是希望得到（Cr，Fe）7C3碳化物，以增加高铬铸铁的耐磨性。合金元素钛、铌的加入，可以细化碳化物，改善过高铬铸铁的力学性能和耐磨性，但用合金元素细化过共晶高铬铸铁时，合金元素的加入量并不是越多越好。目前对钛、铌加入量研究和应用的报道很少，因此，合金元素加入量的精细控制，及其对高铬铸铁性能的影响将成为研究的方向。

1.3 铬系白口铸铁

以铬为主要合金元素，加入铬量达9%时，组织中即出现(Cr，Fe)7C3。碳化物，它的硬度高达1300~1800HV。这种碳化物呈孤立杆状或板状形态，连续性差，所以韧性好、强度高。除铬外，中合金白口铸铁还有:(1)镍硬白口铸铁，国际镍公司的牌号有Ni-Hard1、2、3、4四种。含镍量多在3%~5%之间，含铬量可分为2%Cr和9%Cr两种。前一种碳化物为(Fe，Cr)3C，硬度为1100~1500HV，高于Fe3C的硬度900~1000HV。后一种大部分为(Cr，Fe)7C3，硬度更高。Ni-Hard1、2、3三种均是含2%Cr这一类，其区别主要在于碳含量的不同，碳高耐磨性好、韧性差;碳低则反之。国际镍公司还有两种特殊材料:高碳Ni-Hard4，这种材料耐磨性高而冲击疲劳寿命并不高;另一种含硼Ni-Hard1，含硼量为0.25%~1.0%，硼可使马氏体基体的硬度高达1000HV，这种材料用于冲击负荷较简单的铸件。

1.4 合金铸铁

合金铸铁是指在普通铸铁中加入合金元素而具有特殊性能的铸铁。通常加入的合金元素有硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、钛、锑、锡等。合金铸铁根据合金元素的加入量分为低合金铸铁 (合金元素含量<3%)、中合金铸铁(合金元素含量为>10%)。合金元素能使铸铁基体组织发生变化，从而使铸铁获得特殊的耐热、耐磨、耐腐蚀、无磁和耐低温等物理-化学性能，因此这种铸铁也叫"特殊性能铸铁"。合金铸铁广泛用于机器制造、冶金矿山、化工、仪表工业以及冷冻技术等部门。

1.5 高锰钢

高锰钢的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体所组成，有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时，常在晶界上呈网状出现。因此铸态组织的高锰钢很脆，无法使用，需要进行固溶处理。通常使用的热处理方法是固溶处理，即将钢加热到1100℃，保温消除铸态组织，得到单相奥氏体组织，然后水淬，使此种组织保持到常温。热处理后钢的强度、塑性和韧性均大幅度提高。

1.6 高铬铸铁

高铬铸铁作为一种优良的抗磨材料，已在国内外采矿、建材、电力、冶金、泥沙输送等方面得到了广泛的应用。高铬铸铁显微组织的变化影响其耐磨性，而较好的热处理方式是充分发挥其耐磨性的必要手段。一般工业应用中高铬铸铁含有10 %～30 %的Cr，其显微组织中的碳化物多以（Cr，Fe）7C3形式存在，呈断续网状或棒条状，显微硬度可达到1300～1800 HV，正是由于这种特殊碳化物的存在，使高铬铸铁的硬度和耐磨性都有明显的提高，相比普通耐磨材料不仅延长了材料使用寿命，而且节约了使用成本。Cr26型高铬铸铁含大量的铬元素，进入基体后有利于提高合金淬透性，且具有良好的耐热耐腐蚀抗氧化性能，硬度高，耐磨性好，越来越受到人们的重视。但Cr26型高铬铸铁是一种脆性材料，韧性不足，不易进行变形加工，如何更好的对高铬铸铁进行变形加工将会是以后人们研究的重点。本文就针对用离心浇注加包覆挤压的方法对加工成型的Cr26型高铬铸铁材料进行研究，就其热处理方式，显微组织特点，硬度变化与耐磨性之间的关系进行研究与探讨，确定了材料的最佳的淬火工艺，并提高了材料的耐磨性能。

高铬铸铁和普通白口铸铁或镍硬铸铁的主要区别在于它更坚硬并兼有较好的韧性。当白口铸铁中含铬量超过10%以后，随着含铬量的增加，其凝固时将析出（Cr，Fe）7C3型碳化物。（Cr，Fe）7C3硬度远大于（Cr，Fe）3C，且（Cr，Fe）7C3以孤立粒状分布，碳化物本身非连续性分布，对基体的割裂程度低，对材料的韧性损伤小。目前高铬铸铁含铬量一般控制在14％以上，保证了凝固时析出的碳化物基本上是（Cr，Fe）7C3型，因而就有可能使高铬铸铁具有很高耐磨性并兼有较好韧性。

铬的碳化物有Cr6C3，Cr7C3，Cr23C6三种，有研究表明，（Cr，Fe）7C3型碳化物硬度最高，且每一种碳化物的显微硬度都随碳化物中铬含量的增加而增加。因此，在高铬铸铁中总是希望得到（Cr，Fe）7C3碳化物，以增加高铬铸铁的耐磨性。研究表明铬碳比在3.5～10.2之间时，都会产生（Cr，Fe）7C3型碳化物。

（1）高铬铸铁成分

碳和铬高铬铸铁中主要的元素就是碳和铬，这两个元素对于材料的性能也起主要作用。铸铁中含碳量越高，碳化物越多，提高铸铁的硬度，改善材料的耐磨性，但过高的碳含量会降低高铬铸铁的冲击韧性。当含C量较高时，组织中碳化物数量增多，初生碳化物粗大，硬度进一步提高，但对基体的割裂程度增大，材料的韧性、强度下降，将含碳量控制在2.4~2.9%为宜。铸铁中铬的含量增加，材料中高碳化物的数量也随之增加。当含铬量大于10%~12%时，碳化物的形态从(Fe,Cr)3C转变成(Fe，Cr)7C3。后者的硬度远大于前者，(Fe，Cr)7C3型碳化物对于基体的割裂性也很小，增强了高铬铸铁的强韧性，有利的改善了材料的组织和性能，对于实际生产也具有很重要的意义。在实际生产中，为了得到最佳的硬度和性能，铬要和碳化物合理的搭配。

近年来，国内外很多学者也研究了很多其它可以进一步强化高铬铸铁材料性能的合金元素并且进行了生产实践，其中几种合金元素的有效性也得到了证实。这些合金元素主要有钼、锰、硅、钒、镍、硫、磷、稀土合金。

锰

Mn具有提高淬透性和很强的稳定奥氏体的作用,降低马氏体转变开始温度。锰量较高时,部分锰与碳化合,存在于共晶碳化物中。锰在高铬铸铁中既是合金元素又是常存元素,但在Cr26高铬铸铁中Cr/C较高,已稳定了奥氏体,因此控制Mn在0.5%~1.0%,同时也避免在发生马氏体转变时因锰量过高而产生粗大的针状马氏体、增加残余奥氏体数量。

硅

高铬铸铁中硅量不易过高,硅主要固溶于基体中,在共晶碳化物周边硅浓度有所富集,而铬的浓度降低,易形成硬而脆的马氏体和微观裂纹,并沿界面扩张,是材料微观剥落的促成因素。硅作为高铬铸铁的常存元素一般控制在0.4%~1.0%[4]。

钼和镍

钼部分固溶在基体中。钼能提高共析转变温度,推迟奥氏体转变的孕育期,使连续冷却曲线右移,显著降低临界冷却速度;钼强化奥氏体脱稳反应,有效提高马氏体转变点Ms,是提高淬透性的有效元素。但由于钼的价格较贵,一般控制在1.5%以下。镍无限固溶于奥氏体中,不形成碳化物,使奥氏体连续冷却曲线右移,扩大奥氏体相区,降低临界冷却速度,也降低马氏体转变开始温度Ms,是稳定奥氏体的主要合金元素。镍在高铬铸铁中的使用量一般为≤1.5%。镍能提高高铬铸铁的冲击韧度和高温耐磨性。

硫和磷

硫和磷是高铬铸铁中的有害元素,由原材料带入,希望越少越好,一般控制在S≤0 06%,P≤0 08%。

稀土合金

稀土合金主要用于孕育处理,一般加入量为0.3%~1.0%。

钒

在高铬铸铁中加入钒可以获得铸态马氏体基体的高铬铸铁。钒与碳结合可以形成V4C3，而且它可以在较低的温度下析出。钒的作用与其它合金元素相似，但因其价格昂贵，所以实际生产中应用和研究较少，需要进一步比较和研讨加入合金元素钒带来的技术效果和经济意义。

除了以上几种合金元素外，高铬铸铁中通常还含有一定量的Ti、Nb、Cu等元素，也能够有效地提高和改善高铬铸铁的性能。

（2）高铬铸铁基体组织

通过试验研究，得到铸态高铬白口铸铁的金相组织主要为：铬奥氏体加M7C3共晶碳化物和铬屈氏体加M7C3共晶碳化物；采用稀土变质处理，可使晶粒细化，从而有效地提高机械性能和抗磨性能。 

  高铬铸铁是一种常用的抗磨铸铁。铬的大量加入,使碳化物变成具有更高硬度(1300～1800HV)的M7C3型碳化物，从而提高了抗磨性。在此同时，凝固过程中M7C3型碳化物形成了孤立分布的杆状组织，使得高铬白口铸铁的韧性有了一定程度的改善。目前国内外生产的高铬白口铸铁大多要经过高温淬火加回火处理工艺，以获得马氏体基体，然而这种基体作为水泥磨机磨球材料在高应力小能量的三体磨损中，其韧性仍显不足。并且生产周期长，工艺复杂，设备投资、能源消耗和劳动强度均较大。 

  本文通过试验对含碳量在亚共晶区,含铬15%左右的高铬白口铸铁进行了铸态金相组织分析及性能研究。试验结果表明：铸态高铬白口铸铁的主要金相组织是铬奥氏体加M7C3共晶碳化物和铬屈氏体加M7C3共晶碳化物。经过稀土变质处理后，可有效改善碳化物形态及分布，均匀组织，细化晶粒，明显提高韧性和强度，提高抗磨性。

（3）高铬铸铁的热处理工艺

热处理是高铬铸铁不能缺少的工序，通过合理的热处理工艺可以调整基体金属的组织和性能，使其耐磨性和强韧性得到合理的匹配，以改善铸件的使用性能，提高工作效率，增加经济效益。

①常用的高铬铸铁的热处理工艺是加热到950~1000℃，经保温空冷淬火后再进行200~260℃的低温回火。 

②高温团球化处理1140~1180℃保温16h空冷却，可以明显提高冲击韧度和耐磨性能。高温团球化处理可使碳化物全部呈团球状，可消除或减少大块状和连续网状碳化物对基体的隔裂作用，经团球化的碳化物受到更加均匀的基体支撑，特别受到一定数量的奥氏体的支撑。如果适当减少保温时间，对薄截面零件也可以取得效果。该工艺的不足是工艺消耗热能较多。

③高铬铸铁的回火：即使在空气中冷却的高铬铸铁铸件，其中仍然存在较大应力，应该尽快进行回火处理。淬火后的马氏体高铬铸铁一般在200~600℃回火。在这个温度范围内回火可以改善高铬铸铁的韧性，提高铸件在冲击载荷下工作的可靠性。相关实验结果表明：淬火后的 高铬铸铁具有较高的回火抗力，回火温度在200~450℃范围内进行回火处理，其硬度变化不大，保持较高的硬度。回火温度至500时其硬度的变化与淬火温度有很大关系，淬火温度较低时硬度就下降，淬火温度适中时仍能维持其硬度，淬火温度较高的反而出现硬度的高峰。淬火温度较高，由于基体中残留奥氏体，则在500℃回火时可进一步析出二次碳化物，致使回火后进一步促使奥氏体转化成马氏体，因而硬度进一步提高。当回火温度超过550℃，由于马氏体分解及二次碳化物聚集，硬度出现急剧下降的趋势。

④高铬铸铁的淬火：当采取较低淬火温度(如950℃), 组织中除有奥氏体、共晶碳化物和马氏体外还出现大量的屈氏体组织。出现屈氏体组织说明高铬铸铁未淬透;淬火温度较高(如1000℃和1050℃)时,空冷后组织中的屈氏体基本消失,二次碳化物变得短小,直至均匀弥散分布,这对性能的改善是有利的。淬火温度达到1000℃马氏体的数量不断增多,残余奥氏体的量不断减少。菊花状的共晶碳化物和弥散分布的二次碳化物都不断增加。当淬火温度达1050℃时,已经析出的碳化物及合金元素又溶入奥氏体, 奥氏体稳定性增强,马氏体的量减少,残余奥氏体的量增加,而碳化物的量也相对减少。

 

参考文献

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