谈淑咏
(盐城工学院材料工程学院，江苏盐城 224051)
摘要：研究了不同热处理状态下高铬白口铸铁显微组织，探讨了热处理对高铬铸铁冲击韧性和
硬度的影响，并确定了组织与性能的相关性。分别采用金相显微镜观察热处理后高铬铸铁显微组织，洛氏硬度计测定高铬铸铁的硬度，冲击试验机测定冲击韧性。结果表明：高铬铸铁随着淬火温度的升高，硬度先升后降，冲击韧性则相反。在1000℃淬火空冷，并在400℃回火时，材料可以获得良好的综合力学性能。 关键词：热处理；高铬铸铁；显微组织；冲击韧性；硬度中图分类号:TG164 文献标识码:A 文章编号:1671-5322(2008)01-0062-04收稿日期:2007-10-18
基金项目：江苏省生态环境材料重点实验室资助(XKY2006016)
作者简介：谈淑咏(1976-)，江苏连云港人，硕士，讲师，主要研究方向为金属基复合材料及材料热处理。
含铬量在12%-28%之间的白口铸铁就属于高铬铸铁，目前它是高合金抗磨铸铁中应用最广泛的一种耐磨性优良的材料。目前高铬铸铁组织性能分析也日趋成熟，对高铬铸铁组织中碳化物的形式及形貌、基体组织的控制、碳化物及基体对机械性能影响，对高铬铸铁轧辊材质的凝固特性、热物理性、断裂机制、疲劳裂纹扩展机制、滚滑 动磨损性能[1-11]
等都进行了比较详尽和系统的研究。
但是高铬合金铸铁在使用过程中，存在脆性大、韧性较差，易破碎等问题，故在冲击较大等情况下不宜使用，这在一定程度上阻碍了其推广和使用。因此，提高高铬铸铁的韧性一直是冶金工作者多年来追求的目标。本文将在分析热处理工艺对高铬白口铸铁组织和性能影响的基础上，探讨改善其韧性的途径。
1 试验方法
原材料选用江苏大丰生产的高铬铸铁，采用过硫酸铵-银盐氧化容量法测量铬的含量为16.4%，保证高铬铸铁组织中的碳化物类型全部是(Fe,Cr )7C 3。采用过硫酸铵-银盐氧化法测量锰的含量为0.464%。锰能提高铸件的淬透性，但随锰量的提高，铸铁的M s 点会大大降低，从而
使显微组织中残余奥氏体量显著增加，铸件硬度降低，耐磨性亦降低。同时，工作过程中残余奥氏体会转变为马氏体，发生体积膨胀而引起铸件开裂。所以含锰量宜控制在1.0%以下。
本试验中先将高铬铸铁预热到680℃，并保温2h，然后分别加热到950℃、1000℃、1050℃，保温3h，空冷。然后对淬火后高铬铸铁进行回火，回火温度分别为250℃和400℃，回火时间为4h，炉冷。借助金相显微镜观察铸态和不同热处理态高铬铸铁显微组织，采用HR -150A 型洛氏硬度计测定硬度，采用标准V 型缺口冲击试样(尺寸如图1所示)测定冲击韧性
。
图1 高铬铸铁冲击试样(单位:mm )
F i g .1 I m pact s am ple of h i gh chro m i u m
ca st i ron(Un it:mm )
第21卷第1期
2008年03月
盐城工学院学报(自然科学版)
Journal of Yancheng I nstitute of Technol ogy Natural Science Editi on
Vol .21No .1Mar .2008
2 试验结果与分析
2.1 热处理对高铬铸铁组织的影响2.1.1 淬火温度对高铬铸铁组织的影响
未经热处理时，铸态高铬铸铁的金相组织为
奥氏体+共晶碳化物，见图2
。
图2 铸态高铬铸铁显微组织
F i g .2 The m i crostructure of h i gh chro m i u m
ca st i ron a s ca st cond iti on
图3是不同温度下空淬后的高铬铸铁显微组
织。从图中可以看出，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。
图3b 还可以看出，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。图3c 可以看到，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。2.1.2 回火温度对高铬铸铁组织的影响
图4是高铬铸铁在不同温度空淬及250℃回
火后的显微组织。图4a 中的组织为碳化物+残余奥氏体+回火马氏体+少量的屈氏体,
它的组
图3 不同温度下淬火空冷的高铬铸铁显微组织
F i g .3 M i crostructures of h i gh chro m i u m ca st i ron after d i fferen t quench i n g te m pera tures
织与淬火后的组织相似，只不过马氏体变成了回
火马氏体，图4b 是1000℃空冷+250℃回火的组织图，和图4a 大体相似，但屈氏体不见了，弥散
分布的二次碳化物的量增多，图4c 的组织是回火马氏体+菊花状的共晶碳化物+残余奥氏体
。
图4 不同温度下淬火空冷及250℃回火后的高铬铸铁显微组织
F i g .4 M i crostructures of h i gh chro m i u m ca st i ron after d i fferen t tem pera tures quenched and te m pered a t 250℃
・36・第1期谈淑咏：热处理对高铬铸铁组织和性能的影响
图5是高铬铸铁在不同温度空淬及400℃回火后的显微组织。图5a组织为马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+残余奥氏体。组织与淬火没有什么大的变化。这是因为450℃以下回火，由于马氏体中合金元素含量高，抗回火性强，因而马氏体分解不充分，并且可能伴随碳化物的析出
。
图5 不同温度淬火空冷及400℃回火后的高铬铸铁显微组织
F i g.5 M i crostructures of h i gh chro m i u m ca st i ron after d i fferen t tem pera tures quenched and te m pered a t400℃
2.2 热处理对高铬铸铁力学性能的影响
表1为不同热处理态高铬铸铁硬度和冲击韧
性。从表中可见，高铬铸铁铸态硬度较低，原因是
初生奥氏体中含有过饱和的碳和铬及其它合金元
素，在冷却过程中奥氏体转变不充分，从而在铸态高铬铸铁
下得到较多较软的奥氏体基体。
表1 不同热处理态高铬铸铁的硬度和冲击韧性
Table1 The hardness and i m pact toughness of h i gh
chro m i u m ca st i ron after d i fferen t hea t trea t m en ts
热处理工艺硬度/HRC冲击韧性/J・c m-2
铸态50.24.73
950℃空淬58.9/
1000℃空淬61.2/
1050℃空淬59.4/
950℃空淬+250℃回火56.26.0
1000℃空淬+250℃回火59.15.97
1050℃空淬+250℃回火57.46.13
950℃空淬+400℃回火54.26.26
1000℃空淬+400℃回火57.66.5
1050℃空淬+400℃回火56.36.47
2.2.1 淬火温度对高铬铸铁硬度和冲击韧性的
影响
从表1可以看出，随着淬火温度升高，硬度升
高，淬火温度过高，硬度下降。这是因为随着加热
温度的升高和保温，奥氏体中的碳和合金元素扩
散能力逐渐提高，铸态下过饱和的奥氏体中析出
一次碳化物，使奥氏体中碳的含量降低，从而提高
M s点。淬火时使奥氏体转变为马氏体，从而硬度
提高。当淬火温度较低时，一次碳化物析出较多,
平衡奥氏体中的含碳和含铬量较低，当淬成马氏
体时，其马氏体中碳和合金元素含量较低，使马氏
体较软，硬度较低；当淬火温度过高时，奥氏体达
平衡时的碳和铬含量较高，使奥氏体的稳定性增
加，使C曲线右移[9]。空淬时有部分奥氏体残
留，从而使硬度降低；只有当淬火温度适中时，平
衡奥氏体中既有一定量的碳和合金元素，淬火时
又能全部淬成M才能得到较高的硬度值。
图6 空冷条件下淬火温度对冲击韧性的影响
F i g.6 The effect of quench i n g te m pera tures on
i m pact toughness of h i gh chro m i u m ca st i ron
图6为回火工艺相同情况下不同淬火温度
对高铬铸铁冲击韧性的影响。由图可知，随着淬
火温度的升高，冲击韧性先略微下降后回升。这
是因为在温度较低时，奥氏体中析出大量的碳化
物，从而造成奥氏体中碳元素和合金元素的量降
低，马氏体转变温度上升，马氏体的生成量增多,
残余奥氏体的量降低，冲击韧性则下降；随着温度
的进一步升高，析出的二次碳化物又重新溶入奥
氏体中，奥氏体的稳定性增强，残余奥氏体的量增
多，试样的冲击韧性升高。
2.2.2 回火温度对高铬铸铁硬度和冲击韧性的
影响
由于高铬铸铁在淬火过程中产生了很大的内・
4
6
・ 盐城工学院学报(自然科学版)第21卷
应力，在很大程度上影响了材料的性能。因此，样品在淬火后都要进行及时的回火，从而改善材料
的性能。
高铬铸铁在250℃回火时，其硬度有些下降，但变化不大。随着回火温度升高，当温度达到400℃时，由于马氏体分解和碳化物析出的程度增加，内应力减少，样品的硬度不断下降。但是由于高铬铸铁含量较高，析出大量的二次碳化物，因此，在回火后，其硬度也是很高的。
从表1可以看出,250℃回火后的冲击韧性低于400℃回火。这是因为随着回火温度的升高，碳化物析出，即发生了马氏体的分解。同时随着回火温度的升高，碳原子的活动能力增强，晶内缺陷及各种残余内应力均不断下降。因此，回火温度越高，内应力下降的越快，材料的冲击韧性不断提高。
3 讨论
铸态高铬铸铁中奥氏体过饱和溶入碳及合金元素，在热力学上处于不稳定状态，随加热温度升高，奥氏体中的碳及合金元素的扩散能力增强，必将从奥氏体中扩散出去，扩散出去的碳及合金元
素将以二次碳化物形式存在[10]
。淬火加热温度升高，奥氏体中铬含量愈多，则淬透性愈高,M s 低。而奥氏体中铬含量的多少，不仅取决于铬加入量的多少，还取决于二次碳化物析出量的多少。二次碳化物析出愈充分，奥氏体中铬含量愈低，则导致淬透性降低，冷却后易获得马氏体和少量残余奥氏体。高铬铸铁适宜的淬火温度选择应保证析出的二次碳化物量合适，即奥氏体溶有一定的碳及铬元素，获得足够的淬透性以使最多的奥
氏体转变成马氏体，而马氏体碳含量又较高，残余奥氏体量尽可能减少。若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。因此最佳淬火温度要充分考虑到铸铁的化学成分、铸件壁厚和淬火介质的冷却能力，以确保二次碳化物析出量最合适。
回火温度与硬度之间的关系表明，高铬铸铁中因含有大量的碳化物形成元素，使其抗回火稳定性提高，要使这些具有较高激活能的合金元素扩散，必须具备较高的温度，因此高铬铸铁的回火温度要高些。高铬铸铁的淬火温度愈高，二次碳化物溶解得愈多，奥氏体中的碳及合金元素含量增加，其抗回火稳定性愈大，故回火温度应适当高一些。反之，淬火加热温度低，抗回火稳定性差，则回火温度应选择低一些。同时还应考虑高铬铸铁的化学成分。若Cr/C 高，即碳化物形成元素愈多时，则回火温度应选择偏高一些，反之亦然。
经回火的试样硬度普遍下降，淬火温度越低，回火后其硬度就越低。原因是高温回火时其M 变为回火M 或索氏体组织，回火时二次碳化物连
续析出[11]
。保温时，二次碳化物长大，部分M 分解，引起硬度大幅度下降。随淬火温度升高，试样中残余奥氏体的出现和增多，回火后其硬度下降减少，甚至出现了回火后硬度升高的现象。这是由于组织中残余奥氏体较多的缘故，淬火后的残余奥氏体在高温回火时，奥氏体中析出二次碳化物，使M s 点升高，
在冷却中又转变为M 使硬度升高。
4 结论
(1)选择高铬铸铁的淬火温度时，应充分考
虑铸铁的成分、铸件壁厚及淬火介质冷却能力，以保证得到最佳的二次碳化物数量。回火温度选择应充分考虑淬火温度及铸铁的化学成分。
(2)在一定的温度范围内，随着淬火温度升高时，硬度先升高而后下降，冲击韧性变化趋势则相反。随着回火温度的上升，硬度先是变化不大，然后下降趋势明显；同时，随着回火温度的上升，高铬铸铁的残余内应力和晶体缺陷不断降低，冲击韧性不断升高。
(3)高铬铸铁组织经1000℃以上奥氏体化后空冷，并在400℃回火，共晶碳化物的分布形态得到改善，组织为菊花状共晶碳化物+二次碳化物+基体，能够获得良好的综合力学性能。
参考文献:
[1]颜爱民.热处理对高铬铸铁磨球组织与性能的影响[J ].金属热处理,2004,29(6):57-59.[2]子澍，宋润泽，张云霞.高铬抗磨白口铸铁化学成分的最佳设计[J ].现代铸铁,2005(6):29-32.
(下转第68页)
・56・第1期谈淑咏：热处理对高铬铸铁组织和性能的影响
Study on Fl ame Ret ardant of
with D i fferent Filli n g
of Magnesi u m Hydroxi de i n PP
AN J ing
(M aterial Engineering College Yancheng I nstitute of Technol ogy,J iangsu Yancheng 224003,China )
Abstract:It had been reported that the fla me retardant effect of magnesiu m hydr oxide filled polyp r
opylene containing silane cou 2p ling agent had been investigated by blending methods .The results showed that the mechanical p r operties such as tensile strength and i m pact strength decreased when magnesiu m hydr oxide was overfilled .Comp rehensively,magnesiu m hydr oxide filling a mount of 100was the best recommended value .
Keywords:polyp r opylene;magnesiu m hydr oxide;fla me retardant
(上接第65页)
[3]赵明琦，伏杰.高铬铸铁中残余奥氏体的X 射线衍射定量分析[J ].理化检验.物理分册,2005(12):49-51.[4]王均，曾明，杨宏山，等.不同热处理对一种高铬铸铁组织的影响[J ].材料热处理学报,2005,26(6):75-79.[5]李具仓，赵爱民，王丽娜.热处理对Cr26高铬铸铁磨球组织与性能的影响[J ].铸造,2005(9):23-25.[6]赵玉华，张利，李润霞，等.Cr27高铬铸铁生产工艺的试验研究[J ].铸造,2005(8):823-826.[7]孟德亮，刘晓蛮.热处理对高铬钨铸铁性能的影响[J ].热处理,2005(2):22-24.[8]子澍.高铬白口铸铁热处理工艺的改进[J ].现代铸铁,2005(2):17-20.
[9]王祥东，徐传江，孙海东，等.高铬白口铸铁热处理[J ].国外金属热处理,2004,25(3):38-40.
[10]孙志平，沈保罗，高升吉，等.亚临界热处理对高铬白口铸铁组织和耐磨性的影响[J ].材料热处理学报,2003,24
(3):54-57.
[11]龚正春，刘产军.热处理对高铬铸铁磨损特性的影响[J ].哈尔滨理工大学学报,2001,6(6):58-62.
Effect of Heat Treat ment on the M i crostructures and Properti es
of Hi gh Chro m i u m Cast I ron
T AN Shu 2yong
(Dep t .of Materials Science and Engineering,Yancheng I nstitute of Technol ogy,Yancheng 224051)
Abstract:The m icr ostructures of high chr om iu m cast ir on after different heat treat m ents are investigated,and the effects of differ 2ent heat treat m ents on the i m pact t oughness and hardness are discussed .The relati onshi p bet w een the m icr ostructures and p r oper 2ties is deter m ined .The m icr ostructures of high chr om iu m cast ir on can be observed by op tical m icr oscope,and with the hel p of the r ock well apparatus the hardness can be tested,The i m pact t oughness is measured by i m pact testing machine.The results show that with the hardening temperature ascensi on,the hardness of the high chr om iu m cast ir on rises first,then fall .And the i m pact t oughness is opposite .H igh chr om iu m cast ir on quenched at 1000℃and then te mpered at 400℃can get good
comp rehensive mechanical p r operties .
Keywords:heat treat m ent;high chr om iu m cast ir on;m icr ostructure ;i m pact t oughness;hardness
・86・ 盐城工学院学报(自然科学版)第21卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议