（材料学专业论文）深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐磨性的影响.pdf

y846 9 1 1 1 四川大学硕士学位论文：深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐磨性的影响 深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其 耐磨性的影响 材料学专业 研究生：杨宏山指导老o i l i ：沈保罗教授 高铬耐磨铸铁的显微组织是在高强度又有良好韧性的基体上分布着高硬 度的且彼此孤立分布而连不成网状的m 7 c 3 型共晶碳化物。正是由于它的特殊 的显微组织使得它具有杰出的耐磨性，而被广泛地应用于矿山、冶金、建材、 电力和化工等行业。铸态高铬耐磨铸铁并不具有很好的耐磨性。众所周知，通 过适当的热处理可以显著改善高铬白口铸铁的组织和使用性能。高铬铸铁通常 采用的热处理工艺是去稳处理或亚临界热处理。随着深冷技术的发展，人们发 现，深冷处理作为一种新型的热处理技术，可提高材料的韧性和耐磨性，延长 工件使用寿命，故可以用深冷处理来改善高铬铸铁的性能。 本文采用x 射线衍射( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 、磁性 法、硬度测量和磨损实验等方法研究了深冷对去稳处理高铬白口铸铁显微组织、 硬化行为机制及其耐磨性的影响。 结果表明，在去稳处理过程中，高铬铸铁的奥氏体组织中首先析出了m 2 3 c 6 型二次碳化物，随着保温时间延长m 2 3 c 6 型二次碳化物长大，并连接在一起， 形成棒状的m 7 c 3 型碳化物；在冷却到室温的过程中，大部分去稳的奥氏体转 变成马氏体。再经深冷处理，组织中弥散析出了细微的m 2 3 c 6 型二次碳化物， 进而使得奥氏体进一步转化为马氏体。 在去稳加空冷处理过程中，随着加热温度( 9 0 0 。c 一1 15 0 。c ) 的升高，高 铬铸铁的硬度先升高达到最高值，然后开始下降。在去稳加深冷处理过程中， 高铬铸铁的硬度的变化与前者相似，但其硬度显著高于米加深冷处理的高铬铸 铁。深冷处理使高铬铸铁的残余奥氏体的含量大大下降，并且有二次破化物的 摘要 析出。尽管马氏体含量升高，但其含碳量降低，硬度降低。因此，在高铬铸铁 硬度强化机制中，二次碳化物( f e ，c r ) z 3 c 6 弥散强化起到了重要的作用。通过 对四种合金经两种热处理后硬化行为的分析，发现高铬铸铁要想获得高的硬度， 组织中必须含有一定量的残余奥氏体，即使经过深冷处理后硬度明显提高，其 组织内仍有残余奥氏体的存在。如果残余奥氏体量过低，其硬度反而会下降。 经过磨损实验发现，高铬铸铁的硬度和耐磨性存在一定的关系，高铬铸铁 的耐磨性随硬度的增高而提高。高铬铸铁获得最佳耐磨性时，组织中仍有残余 奥氏体的存在。奥氏体是一个韧性相，它可以阻止和减少磨损裂纹的产生和扩 展，有利于提高耐磨性；一个耐磨性最佳的组织，不仅要有较高的硬度，而且 应具有较高的断裂韧性。 关键词：高铬耐磨铸铁去稳处理深冷处理马氏体转变碳化物 弥散强化 i l 四川大学硕士学位论文：深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐磨性的影响 t h ee f f e c t so fc r y o g e n i ct r e a t m e n to nh a r d e n i n g b e h a v i o ra n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fh i g h c h r o m i u mw h i t ec a s ti r o n ss u b j e c t e dt o d e s t a b i l i z a t i o nt r e a t m e n t c a n d i d a t e ：y a n g h o n g s h a n s u p e r v i s o r ：p r o f s h e nb a o l u o m a j o r ： m a t e r i a l ss c i e n c e a b s t r a c t a s c a s th i g hc h r o m i u mc a s ti r o n s ( h c c i s ) c o n s i s to fa u s t e n i t e ，m a r t e n s i t ea n d e u t e c t i ct y p em 7 c 3c a r b i d et h a th a s1 1 5 【g hh a r d n e s s ，d o e s n tj o i ni n t on e ta n di s i s o l a t e dd i s t r i b u t i o ni nt h em a t r i xw h i c hh a sh i g hs t r e n g t ha n dg o o dt o u g h n e s s t h e h c c i sh a v ee x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c eb e c a u s eo ft h e i rp a r t i c u l a rm i c r o s t r u c t u r ea n d h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h em i n e r a li n d u s t r y ，m e t a l l u r g y , m a n u f a c t u r eo f b u i l d i n gm a t e r i a l s p o w e rp l a n ta n dc h e m i c a li n d u s t r ya n ds oo n t h ea s c a s th c c i s h a v en o tw e l la b r a s i o nr e s i s t a n c ea n db e f o r eb e i n gp u ti nu s et h e ym u s tb ep r o p e r l y h e a t t r e a t e dt og e tb e t t e rw e a rr e s i s t a n c e ，c o m m o n l y t h eh e a tt r e a t m e n t su s e d c o m m o n l ya r ed e s t a b i l i z a t i o nt r e a t m e n ta n ds u b c r i t i c a lt r e a t m e n t a st e c h n i q u e so f c r y o g e n i ct r e a t m e n ta r ed e v e l o p i n g ，p e o p l eb e g i nt ou s et h e m t oi m p r o v et h ew e a r r e s i s t a n c eo ft h eh c c i s i nt h i s p a p e r , w ei n v e s t i g a t eh a r d e n i n gb e h a v i o r , h a r d e n i n gm e c h a n i s ma n d a b r a s i o nr e s i s t a n c eo fh c c i ss u b j e c t e dt oc r y o g e n i ct r e a t m e n tb ym e a n so fx r a y d i f f r a c t i o n ，s e m ，t e m ，m a g n e t i cm e t h o d ，h a r d n e s st e s t ，a n dw e a r t e s t 1 n 摘要 t h es t u d i e dr e s u l t ss h o wt h a ti nh e a t i n gf o l l o w e db yc r y o g e n i ct r e a t m e n to ra i rc o o l ，w i t h i n c r e a s i n gt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e ( f r o m9 0 0 。ct o11 5 0 。c ) ，t h eh a r d n e s so fh i g hc h r o m i u mc a s t i r o n si n c r e a s e su n t i li tr e a c h e st h em a x i m u m ，a n dt h e nb e g i n st of a l l b u tt h eh a r d n e s sf o l l o w i n g t h ec r y o g e n i ct r e a t m e n ti sa l w a y sh i g h e rt h a nt h a tf o l l o w i n gt h ea i r c o o l i n g b e c a u s ei nt h e c r y o g e n i ct r e a t m e n t ，n o to n l yt h em o r er e t a i n e da u s t e n i t et r a n s f o r m si n t ot h em a r t e n s i t eb u ta l s o m o r et i n ys e c o n d a r yc a r b i d e sp m c i p i t a t ef r o mt h em a t r i x t h es e c o n d a r yc a r b i d e sp l a yag r e a t e r r o l et h a nt h em a r t e n s i t ef o ri n c r e a s i n gt h eb u l kh a r d n e s sb u tt h e r ei ss t i l ls m a l lr e t a i n e d a u s t e n i t ei nm i c r o s t r u c t u r e sw h e nt l l eh a r d n e s sr e a c h e st h em a x i m u m i nd e s t a b i l i z a t i o n t r e a t m e n tt w ok i n d so fs e c o n d a r yc a r b i d e s ( f e ，c 0 2 3 c 6p r e c i p i t a t ef r o mt h em a t r i x ，o n ei sc u b i c w h i c hh a so r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pw i t ht h ea u s t e n i t e ，a n dt h eo t h e ri sg r a i n yw h i c hh a sn o o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pw i t ht h em a t r i x w i t hh o l d i n gt i m ep r o l o n g i n g ，s o m ef m ec a r b i d e s ( f e ， c r ) 2 3 c 6h a v et r a n s f o r m e di n t oa s - r o dc a r b i d em 7 c 3 r e s u l t so ft h ew e a rt e s ti n d i c a t et h a tt h ea b r a s i o nr e s i s t a n c eo ft h ea l l o y sh a sr e l a t i o nt o t h e i rh a r d n e s s w i t hi n c r e a s i n gh a r d n e s s ，t h e i ra b r a s i o nr e s i s t a n c ec a nb ei m p r o v e d w h e nt h e a b r a s i o nr e s i s t a n c er e a c h e st h em a x i m u mt h e r ei ss t i l ls m a l lr e t a i n e da u s t e n i t ei nt h e m i c r o s t r u c t u r e s ，t o o k e yw o r d s ：h i 曲c h r o m i u mw h i t ei r o n ；d e s t a b i l i z a t i o nt r e a t m e n t ；c r y o g e n i c t r e a t m e n t ；m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ；c a r b i d e ；d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g i v 四川大学硕士学位论文：浑狰对主稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐睁性的影响 第一章绪论 1 1 引言 随着我国社会主义建设事业的发展，冶金、矿山、电力、建筑材料等各工 业部门都遇到零件磨损的问题，4 ；但消耗了大量钢铁材料而且柃修工作量也很 大。高铬铸铁具有十分优良的抗磨料磨损能力，冲击韧性也优于其它合金白口 铸铁，这使它成为当代最佳的抗磨材料并在采矿、水泥、电力、筑路机械、耐 火材料等方面应用十分广泛。高铬铸铁中铬含量超过1 1 ，并且铬、碳含量比 值大于3 5 。在这种条件下，碳化物的组织形态发生了变化，由斜方晶系的针状 的m ，c 变成六角形杆状及曲面板条状型碳化物m 7 c 3 ，m 7 c 3 型碳化物的硬度很 高，其显微硬度为h v l 2 0 0 1 8 0 0 ，而m 3 c 型碳化物的显微硬度只有h v 8 0 0 1 2 0 0 ，高硬度的m 7 c 3 型碳化物儿乎全部取代了m 3 c 型碳化物并分布在基体巾， 而且不呈连续性。和普通自口铸铁或低铬铸铁相比较，高铬铸铁中的碳化物是 不连续相，而基体是连续相；这使得碳化物大大减小了对基体的破坏作用，所 以高铬铸铁的韧性要比普通向口铸铁和低铬铸铁优越。斟此可以认为，由于 m - r c 3 型碳化物的存在，把高铬铸铁韧性和耐磨性结合起来，使其获得高的硬度 和耐磨性能。 众所周知，高铬铸铁是一种比较复杂的多元台金，人们常常在高铬铸铁中 添加其它合金元素来改善其耐磨性能并且通过_ i 同的热处理j 二艺使高铬铸铁可 以获得不同的基体组织，以满足各种不同工况对抗磨材料提出的性能要求。高 铬铸铁组织与性能是受多种因素影响的，为了使用这种抗磨材料能够充分发挥 其优越的耐磨性能，作为研究人员应该全而认识和深入了解这些因素。 1 2 国内外研究现状 近十年来，国内外材料科学工作者对高铬铸铁的化学成分，变质处理，热 处理工艺，组织结构以及这些因素与高铬铸铁的硬度，耐磨性和冲击韧性的关 系进行了大量的研究，取得了许多研究成果。 佟庆平等人研究了碳和铬含量对高铬铸铁组织的影响。研究表明，铬和 碳的含量决定了共晶碳化物的类型，铬高、碳低有利于生成m ，c 3 型共晶碳化 第一章绪论 物，为了使共晶碳化物全部转变为m 7 c 3 型共晶碳化物，铬含量应达到1 1 以 上，c r c 比应大于6 。 田村朗等人f 3 j 的研究结果证明，为使高铬铸铁获得最高的硬度，其c r c 比 应在7 左右：c r c 小于6 ，高铬铸铁的硬度则急剧下降。 m r a d u l o v i c 等人【4 1 研究了钒对高铬铸铁断裂韧性和耐磨性的影响。他们发 现，增加钒含量会使高铬铸铁的组织变得更细，即奥氏体枝晶臂间距和m ，c ， 碳化物的尺寸变小，加入1 1 9 v ，韧性提高约2 0 ，耐磨性增加1 0 ，含3 2 8 v 的高铬铸铁的耐磨性最高，比f e c c r 合金的耐磨性提高了2 7 。 c r l o p e r 等人【5 】在f e c c r - n b 高铬铸铁中加入少量钛后，发现钛对碳化 物的形态和分布都有显著的改变，因为钛在枝晶形成前就在熔体中形成t i c 和 t i c n 颗粒。 m r a d u l o v i e 等人 6 】研究了稀土元素对高铬铸铁组织和性能的影响，并认 为，稀土通过改变高铬铸铁的显微组织改变了力学性能。他们发现，优化的稀 土元素加入量为0 1 3 0 2 6 ，其耐磨性提高1 0 而不改变断裂韧性。 田村朗等人【3 1 研究了淬火温度对高铬铸铁硬度的影响，并发现在1 3 5 0 k 左 右的温度进行淬火，可使3 c 一2 6 c r 合金的硬度达到h r c 6 4 以上。 黄四亮 7 1 仔细研究了高铬铸铁的化学成分( 2 3 9 2 7 9 c ，1 0 2 8 c r ) ，淬火 温度( 9 0 0 1 1 2 0 ) ，淬火介质( 风，油) 以及回火温度( 2 0 0 2 6 0 ) 对高铬 铸铁硬度和冲击韧性的影响，结果表明，淬火的最高硬度不但与化学成分，淬 火温度有关，还与冷却介质密切相关；化学成分相同，油淬比空淬得到的硬度 更高；铬含量升高，获得最大硬度的淬火温度升高；小于5 0 0 回火并不明显 改变高铬铸铁的硬度和冲击韧性。 徐志明等人 剐研究了高铬铸铁的亚临界处理( s u b c r i t i c a l t r e a t m e n t ) ，他们 的研究结果表明，铸态奥氏体高铬铸铁在5 3 0 6 0 0 。c 进行亚临界处理，奥氏体 在冷却过程中转变为马氏体，使高铬铸铁的硬度大大提高。 c e t a b r e t t 等人嘲研究了去稳处理( 即高温淬火) 和亚临界处理对两种高铬 铸铁硬度和耐磨性的影响。研究结果表明：去稳处理可以提高高铬铸铁的硬度 和耐磨性( 用榴子石和刚玉作磨料) ，但高铬铸铁中的残余奥氏体的含量仍在9 以上；亚临界处理可以提高高铬铸铁的硬度，并把残余奥氏体的含量降低到 5 以下，但却使耐磨性( 用榴予石和刚玉作磨料) 下降。 2 阴川大半顿士学位论文；深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为驶其耐磨性的影响 王文才等人”1 发明了一种以铸态屈氏体为基体的高铬铸铁磨球，其特点是 在高铬铸铁中加入适量的硅，使磨球在铸造后的冷却过程中转变为屈氏体，然 后经4 0 & c 消除应力后再使用。 1 3 高铬铸铁的组织及形成 高铬铸铁的优良抗磨能力和冲击韧性主要取决于其特有的组织。这种铸铁 的组织由奥氏体、马氏体和碳化物组成。其中碳化物主要为m c 3 型，其硬度 很高，多数以条状形态存在，和m ，c 型碳化物相比，减少了对基体的分割，使 高铬铸铁保持了较好的韧性；又由于基体中富肯铬元素，有较好的淬透性，经 过适宜的热处理，可获得抗磨能力优良的金属组织。 1 3 1 高铬铸铁中的碳化物 工业应用的高铬铸铁含碳量一般为2 4 ，含铬量为1 1 2 5 。凝固组 织中可能出现的初生碳化物和共晶碳化物有m 7 c ”m c 、m , 3 c 6 和m 3 c 。这些 碳化物都是硬质相，对合金的抗磨能力起主要的作用“。“j 。 高铬铸铁中碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态队及基体组织的性质对 其抗磨能力都产生明显影响。碳化物的类型与成分有关，更确切地说，与合会 中铬、碳含量的比值有关。当合金中含铬量大于1 1 ，铬碳比大于3 5 时，组 织中出现m 7 c 3 型碳化物。随着铬碳比的提高，m 7 c 3 型碳化物将被m 2 3 c 6 型碳 化物所取代。合金成分越接近共晶反应投影线，初生相份量越少，共晶体在凝 固组织中占有的比例越高。高铬耐磨铸铁中的碳化物( 见图1 - 1 ) 呈点状或块 状，对基体的分害4 较小。 高铬铸铁中的m t c 3 型碳化物一般写成( f e ，c r ) 7 c 3 。这种碳化物是铬原 子溶入铁碳系的不稳定碳化物f e ，c 3 形成的。f e ，c ，晶体是一个六方点阵结构， 每个碳原子与相邻的六个铁原子紧密接触，c r t c 3 晶体属于斜方晶系( 见图 1 2 ) ，c r t c ，中的铬原子与f e t c 3 巾的铁原子排列方式很接近( 见图1 3 ) ，铁原 了铬原子的尺寸也很接近，为铬原子大量取代铁原子而形成( f e c r ) 7 c 3 提供了条件。 婴查兰塑主堂堡喳塞；堡堡型童竖竺型曼堡堕堂堡些堑垄墨苎型堕堡塑墅堕一 王文才等人发明了一种以铸态届氏体为基体的高铬铸铁磨球，其特点是 在高铬铸铁中加入适量的硅，使磨球在铸造后的冷却过程中转变为屈氏体，然 后经4 0 0 4 c 消除应力后再使用。 1 3 高铬铸铁的组织及形成 高铬铸铁的优良抗磨能力和冲击韧性主要取决于其特有的组织。这种铸铁 的组织由奥氏体、马氏体和碳化物组成。其中碳化物主要为m ，c 3 型，其硬度 很岛，多数以条状形态存在，和m 3 c 型碳化物相比，减少了对基体的分割，使 高铬铸铁保持丁较好的韧性；又南于基体中富含铬元素，有较好的淬透件，经 过适宜的热处理，可获得抗磨能力优良的金属组织。 1 3 1 高铬铸铁中的碳化物 工业应用的高铬铸铁含碳量一般为2 一4 ，含铬量为1 l ，2 5 。凝固组 织巾可能出现的初生碳化物和芪晶碳化物有m i c 3 、m c 、m 2 s c 6 和m f 。这些 碳化物都是硬质相，对合金的抗磨能力起主要的作用”。”】。 高铬铸铁中碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态以及基体组织的性质对 其抗磨能力都产生明显影响。碳化物的类型与成分有关，更确切地说，与台金 中铬、碳含量的比值有关。当合金中含铬量大于l l ，铬碳比大于3 5 时，组 织中出现m ，c 3 型碳化物。随着铬碳比的提高，m t c ，型碳化物将被m 2 s c 6 型碳 化物所取代。合金成分越接近共晶反应投影线，初生相份量越少，共晶体在凝 固组织中占有的比例越高。高铬耐磨铸铁中的碳化物( 见图1 - 1 ) 呈点状或块 状，对基体的分害q 较小。 高铬铸铁中的m ，c 3 型碳化物一般写成( f e ，c r ) 7 c 3 。这种碳化物是铬原 于溶入铁碳系的不稳定碳化物f e t c 3 形成的。f e t c ，晶体是一个六方点阵结构， 每一个碳原子与相邻的六个铁原子紧密接触。c r v c 3 晶体属于斜方晶系( 见图 】一2 ) ，c r t c ，中的铬原子与f e v c s 中的铁原子排列方式很接近( 见图1 3 ) ，铁原 子与铬原子的尺寸也很接近，为铬原子大量取代铁原子而形成( f e ，c r ) 7 c 3 子与铬原子的尺寸也很接近为铬原子大量取代铁原子而形成( f e ，c r ) 7 c 3 提供了条件。 阴川大半顿士学位论文；深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为驶其耐磨性的影响 王文才等人”1 发明了一种以铸态屈氏体为基体的高铬铸铁磨球，其特点是 在高铬铸铁中加入适量的硅，使磨球在铸造后的冷却过程中转变为屈氏体，然 后经4 0 & c 消除应力后再使用。 1 3 高铬铸铁的组织及形成 高铬铸铁的优良抗磨能力和冲击韧性主要取决于其特有的组织。这种铸铁 的组织由奥氏体、马氏体和碳化物组成。其中碳化物主要为m c 3 型，其硬度 很高，多数以条状形态存在，和m ，c 型碳化物相比，减少了对基体的分割，使 高铬铸铁保持了较好的韧性；又由于基体中富肯铬元素，有较好的淬透性，经 过适宜的热处理，可获得抗磨能力优良的金属组织。 1 3 1 高铬铸铁中的碳化物 工业应用的高铬铸铁含碳量一般为2 4 ，含铬量为1 1 2 5 。凝固组 织中可能出现的初生碳化物和共晶碳化物有m 7 c ”m c 、m , 3 c 6 和m 3 c 。这些 碳化物都是硬质相，对合金的抗磨能力起主要的作用“。“j 。 高铬铸铁中碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态队及基体组织的性质对 其抗磨能力都产生明显影响。碳化物的类型与成分有关，更确切地说，与合会 中铬、碳含量的比值有关。当合金中含铬量大于1 1 ，铬碳比大于3 5 时，组 织中出现m 7 c 3 型碳化物。随着铬碳比的提高，m 7 c 3 型碳化物将被m 2 3 c 6 型碳 化物所取代。合金成分越接近共晶反应投影线，初生相份量越少，共晶体在凝 固组织中占有的比例越高。高铬耐磨铸铁中的碳化物( 见图1 - 1 ) 呈点状或块 状，对基体的分害4 较小。 高铬铸铁中的m t c 3 型碳化物一般写成( f e ，c r ) 7 c 3 。这种碳化物是铬原 子溶入铁碳系的不稳定碳化物f e ，c 3 形成的。f e ，c ，晶体是一个六方点阵结构， 每个碳原子与相邻的六个铁原子紧密接触，c r t c 3 晶体属于斜方晶系( 见图 1 2 ) ，c r t c ，中的铬原子与f e t c 3 巾的铁原子排列方式很接近( 见图1 3 ) ，铁原 了铬原子的尺寸也很接近，为铬原子大量取代铁原子而形成( f e c r ) 7 c 3 提供了条件。 第一章绪论 图1 - 1 典型高铬耐磨铸铁的碳化物 f i g 1 1 t h e t y p i c a lc a r b i d eo f ak i n d o f h i g h c h r o m i u ma l l o y 图1 - 2c r t c 3 化台物原子点阵 f i g 1 - 2t h ea t o m sa r r a yo f t y p ec r 7 c 3 图1 - 3f e 7 c 3 化合物原子点阵 f i g 1 - 3 t h ea t o m sa r r a yo f t y p e f e t c 3 另外，铬元素可以降低碳在铁中的化学位，使( f e ，c r ) 7 c 3 成为稳定的化 合物。高铬铸铁中m ，c ，型碳化物的含铬量根据合金含铬量、铬碳比不同而变 化，对大量试样的测定表明，在最低铬含量为2 5 4 ( 重量百分数) 的高铬铸 铁中，几乎探查不到铬、碳原子比为7 ：3 的纯碳化铬晶体。在含铬比较低的铬 铸铁中，经常出现渗碳体型碳化物。这种碳化物中的铁原子部分被铬原子所取 代。m ：，c 6 碳化物常被称为t 相，它是以铬为主的间隙碳化物。 相晶体具有面 4 四川大学硕士学位论文：深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐磨性的影响 心立方点阵。( f e ，c r ) 2 3 c 6 含碳量极限值为5 5 ，最高含铬量为5 9 ；而c r 2 3 c 6 的含铬量为9 4 3 ，这说明( f c ，c r ) 2 3 c 6 中的含铁量是很高的。 ( f e ，c r ) 7 c 3 的硬度为h v l 2 0 0 1 8 0 0 ，( f e ，c r ) 2 3 c 6 的硬度为h v l 0 0 0 1 1 0 0 ， 均比渗碳体硬度( h v 8 4 0 1 1 0 0 ) 高。硬度增高除了与化合物点阵结构的变化有关 外，一般认为也与碳铬原子间键结合强度高于碳和铁原子键结合强度有关。试 验表明，随着铬溶入量的增加，碳化物硬度相应提高。具有密排六方点阵的晶 体是沿螺旋位错提供的生长台阶在光滑的固一液界面上生长的。在晶体点阵中 c 轴晶向生长较快，形成的晶体大多数是六方棱柱或是六方棱锥形状。c 轴晶 向大致平行于散热较快的方向。棱柱( 锥) 晶体侧面比较平直，很少显现分枝 迹象。 高铬铸铁中共晶碳化物与初生碳化物的形态显然不同。前者是在较高的应 力场中成簇生长，这将导致其中存在较多晶体缺陷。层错缺陷就是其中的一种。 层错扩展的方向与晶体点阵结构有关。由于层错扩展方向大多平行于六方晶体 棱柱面导致( f e ，c r ) 7 c 3 晶体不同取向上的硬度有所不同。对( f e ，c r ) 7 c 3 晶体的显微硬度测定结果表明：棱柱横断面硬度约为h v l 7 0 0 - - 1 9 0 0 ，棱柱侧面 硬度一般只有h v l 4 0 0 左右。碳化物的形态、类型和数量对于高铬铸铁的抗磨 能力和力学性能都有影响。 1 3 2 共晶组织 由于奥氏体的固一液界面是微观粗糙界面，而铁、铬的碳化物凝固时产生 微观光滑固一液界面，因此，两者形成的共晶组织一般呈现复合形态。 在( c r ，f e ) ，c 3 型碳化物与奥氏体的共晶中，奥氏体是领先相。高铬铸 铁的共晶属于纤维状的小晶面( 碳化物) 一非小晶面( 奥氏体) 共晶。其代表 性组织形态为在奥氏体( 或其转变产物) 的基体上分布着纤维状的碳化物。 对于亚共晶高铬铸铁而言，共晶碳化物的分布、形态取决于初生奥氏体的 数量。当初生奥氏体生长发育充分时，在凝固组织中几乎观察不到典型的共晶 混合物，碳化物只沿晶界生长。当共晶碳化物含量达到2 0 3 0 时，碳化物 与奥氏体构成的共晶团呈柱状或锥体状，共晶团的生长方向大体上与散热方向 平行陋l6 1 。 第一一章绪论 1 3 3 铸态奥氏体组织及其形成 铸态奥氏体是指在铸态下存在于室温组织中的奥氏体( 见图1 - 4 ) ，其形成 的基本条件是：铸件冷速高于避免共析转变成贝氏体转变的l 临界速度；马氏体 的开始转变温度( m s ) 低于室温1 5 。”。 图1 _ 4 高铬耐磨铸铁的铸态奥氏体( 2 8 c - 5 0 m n 一1 8 0 c r - 1 5 m o ) f i g 1 - 4 t h ea s - e a s tr e t a i n e da u s t e n i t e o f ak i n do f h i g hc h r o m i u ma l l o y ( 2 8 c 一5 0 m n 1 8 0 c r - 1 5 m o ) 高铬铸铁凝固组织中的奥氏体富含碳、铬，为形成铸态奥氏体基体组织提 供了良好的条件，铬对于奥氏体相变行为的影响是明显的，铬能延长奥氏体等 温转变的孕育期，使c 曲线移向右方，珠光体转变曲线移向较高温度，贝氏体 转变曲线移向较低温度，导致两条曲线分开( 见图1 5 ) ，同时铬使m s 点和m f 点下降，如果合金的铬碳比足够高，奥氏体可能全部保留到室温i l “。 在合金中加入锰、钼等元素，有助于铸态奥氏体的生成，即使含碳量高达 3 0 ，含锰量3 3 的合金也能获得铸态奥氏体基体组织，钼对提高奥氏体的 稳定性，避免共析反应也是有明显的作用的。 6 i 四 j l 大学硕士学位论文：深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐磨性的影响 ： f ) f l 8 ( 1 0 7 0 0 。6 0 0 ：u5 0 0 _ 避4 0 0 嘲3 0 0 2 1 0 0 0 慈 图1 5 铬对奥氏体转变曲线的影晌 1 5 】 f i g 1 - 5t h ei n f l u e n c eo na u s t e n i t ei s o t h e r m a l t r a n s f o r m a t i o i lc u r v eo fc h r o m i t i m 1 3 4 马氏体组织的形成 马氏体有很高的硬度，抗磨能力很强。为了获得马氏体组织，铸件冷速应 高于珠光体和贝氏体转变的临界冷速，在连续冷却条件下，马氏体转变5 0 的 温度至少应高于室温。 高铬铸铁在较高温度进行等温处理时，碳与铬可由奥氏体中脱溶，形成弥 散分布的二次碳化物。由于二次碳化物中的碳铬浓度远高于固溶体，碳化物析 出后，奥氏体中的碳铬浓度相应降低，m s 点得以升高，而奥氏体的铬浓度仍 足以维持较低的临界速度，高铬铸铁经过等温处理后，空冷就可以获得以马氏 体为主体的基体组鲥1 6 。9 。由于高铬铸铁中奥氏体的碳铬含量较高，形成的马 氏体一般都是片状马氏体【1 6 1 。 1 4 高铬铸铁中的合金元素 高铬铸铁的显微组织和耐磨性主要取决于化学成分、合金元素和热处理方 法。合金用量不够，使淬透性不足，组织中出现珠光体，导致材料的耐磨性很 差。相反，加入的合金量太多，使m s 点降低，出现大量残留奥氏体，也使耐 第一章绪论 磨性降低 1 4 1 碳和铬 高铬铸铁的古铬量一般大于1 1 | 2 0 1 。铬除，和碳、铁形成碳化物以外，尚 有部分溶解于基体中，溶于基体中的铬可以提高铸铁的淬透性。当碳量一定时， 增加铬量；或铬量一定时，降低碳量，均能使淬透性提高。提高碳量的好处是 能增加碳化物的数量，从而提高耐磨性。不利的地方是牺牲了韧性，同时也降 低了淬透性，但可以加入其它台金元素来弥补损失的淬透性。 1 , 4 2 钼 铜是有效的提高钢铁材料淬透性的合金元素。对抗磨金属材料，淖透性是 材料的重要工艺性能。在高铬铸铁中制以二种方式存在：固溶于奥氏体及其转 变物中：溶入铬碳化物中或与碳形成碳钳化台物。溶解于基本中的钼具有抑制 珠光体形成和提高淬透性的作用，同时铝可使铸态组织细亿，选择钼在05 一 1 7 范围内】。溶入基体中的铂能提高淬运性，而对m s 温度的影响不大。其 中，铝与镍、铜等元素联合应用时，其效果更好。 m o 的添加量一般控制在0 5 35 之间 “。m o 可以有效地抑制冷却时二次 碳化物的析出m2 3 , ”从而抑制珠光体形成和提高淬透性 2 5 1 。m o 还可以促进 其它合金元素n i 和c u 对珠光体形成的推迟作用口“”1 ，但是对于这一行为的原 因还不是很清楚。m o 的另一优势就是不像其它的合金元素那样降低m s 点( 2 ”， 避免了过于稳定的舆氏体形成。但是m o 的价格比较昂贵，所以降低合金中的 m o 含量或者完全取代它是目前材料研究的一个重点1 2 4 , 2 9 1 。 1 4 3 铜 铜不溶于碳化物，完全溶于金属基体巾，抑制珠光体，提高淬透性，特别 与钼麸存时，提高淬透性的效果更佳。但是，古铜量过多，强烈稳定奥氏体。 因此，一一般选取用量小于1 5 。些研究表明口”在高铬铸铁中单独加铜 并不能显著提高材料的淬透性，而且对高铬铸铁c 曲线的形状和m s 点几乎没 有什么影响。 含锶的商铬铸铁在热处理后常保留有不少残留奥氏体，这就描响材料的耐 四川大学硕士学位论文：深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐磨性的影响 磨性。残留奥氏体的数量可以用变更淬火温度和保温时间的办法来使之减少， 因为铜是全部溶于奥氏体中，热处理不能降低其溶解量，故降低奥氏体稳定性 的唯一办法是尽可能减少奥氏体中的铬和碳。但此时所得的马氏含碳量较低， 硬度也较低。研究还表明3 0 3 1 1 ，m o c u 复合加入高铬铸铁，冷却后的试样硬 度高于m o - - m n 或m o n i 复合加入高铬铸铁。 1 4 4 锰 锰是高铬铸铁中一种常规元素。早期研究曾指出 】”，在高铬铸铁中增加少 量的锰能显著地抑制珠光体组织的形成，增加材料的淬透性。高铬钼铸铁中加 入一定量的锰可以大大强化钼的作用。然而锰是一个强稳定奥氏体元素，在强 烈阻止珠光体析出的同时也强烈地稳定奥氏体、降低m s 点温度，从而使淬火 后残余奥氏体增加，基体的平均硬度下降，对耐磨性能产生不利的影响。因而 通常高铬铸铁中锰量限制在l 以下。 1 4 5 硅 高铬白口铸铁中s i 含量被普遍的控制在1 以下【3 ，因为高的s i 含量会 降低了碳在奥氏体中含量提高珠光体的形成和降低淬透性；s i 的加入可以提高 m s 点温度。这一效用被利用在深冷强化合金中，该合金中含有1 5 2 的s i 来提高m s 点( 也就是马氏体终了点m f ) 温度。由于含有高的s i 含量，因此需 要加入比平时多的n i 来减少珠光体形成的趋势。 1 5 高铬铸铁的热处理工艺 热处理是改变高铬铸铁性能的最有效手段之一，几乎所有的高铬铸铁都要 经过热处理才能使用。高铬铸铁的热处理工艺包括： 1 5 1 去稳处理 去稳处理( 也叫失稳处理) 指在9 2 0 1 0 6 0 。c 保温1 6 h c 2 2 1 ，然后出炉冷却 的热处理工艺。这种工艺仅仅使基体组织发生转变，而对共晶碳化物几乎不产 生影响。当加热到奥氏体化温度并保持一定时间后，二次碳化物沉淀析出，使 奥氏体中的铬、碳贫化，并使m s 点升高，因而使更多的( 不是全部) 奥氏体 第一章绪论 在冷却到室温时转变为马氏体。去稳处理是提高高铬铸铁淬透性的有效方法， 制取马氏体高铬铸铁一般都需进行去稳处理 3 3 , 3 4 。 1 5 2 高温团球化处理 高温球化处理是指在比失稳处理温度更高的温度下处理的工艺”州。典型 球化处理指在1 1 5 0 1 2 0 0 。c 保温7 2 h 。这种工艺消耗热能比较多，应当根据具体 情况选用。 1 5 3 亚临界处理 亚临界( 或回火) 处理指在2 0 0 6 0 0 。c f 3 7 保温2 。6 h t 。一般在失稳处理后 为进一步降低残余奥氏体含量常采用此处理工艺。亚临界处理是从基体中析出 弥散分布的m ，c 3 、m 2 3 c 6 等特殊碳化物，使基体产生弥散强化作用。另外，由 于碳化物的析出，在冷却时奥氏体产生转变，使得硬度进一步提高1 3 9 , 4 0 。亚临 界处理温度提高到5 8 0 6 0 0 时，可获得最佳的综合力学性能 4 。 1 5 4 低温处理 低温处理一般是将经过去稳处理的铸件冷却到低于m f 点的温度。低温处理 常用来消除失稳处理后存留的残余奥氏体，可以获得低于5 的残余奥氏体含 量。低温处理不但可以避免失稳处理中因二次碳化物析出对材料断裂韧性的 影响，而且可以消除热处理时温度梯度造成的残余应力2 9 1 。 1 5 5 珠光体化预处理 对含有镍或锰、铜的高铬铸铁，在铸态时有较多的残余奥氏体，硬度和耐 磨性低，为提高这类高铬铸铁的硬度，采用珠光体预处理工艺，铸态工件在 6 5 0 保温约1 5 h ，在加热到8 5 0 保温1 3 h 后进行淬火处理，经过这种工艺 处理后，组织均匀且溶入马氏体中的合金元素增多，可使淬火马氏体的硬度提 高，预处理还可使m s 点升高，奥氏体容易向马氏体转变，从而提高了淬火硬 度【4 2 】。 1 5 6 稳定眭热处理 l o 四门i 大学硕士学位论文：深冷对去稳处理高铬铸铁硬化行为及其耐磨性的影响 稳定性热处理即是在固溶处理后，采用合适的冷却方法，使奥氏体产生充 分的分解，获得残余奥氏体很少的马氏体组织。经固溶处理后的高铬铸铁，缓 慢冷却时能获得稳定马氏体组织，可不进行回火处理，如果固溶处理后采用快 速冷却时，则需经高温回火处理，才能获得稳定组织h 2 】。 1 6 高铬铸铁的固态相变 无论用何种热处理工艺对材料进行热处理，热处理过程中材料的固态相变 是必然涉及到的问题，高铬铸铁也是如此。在高铬铸铁的生产和处理中发现存 在各种各样的固态相变，对于不同的热处理工艺固态相变也是不同的。热处理 的主要目的就是使合金奥氏体失稳，从而在冷却时发生马氏体转变，改善材料 的性能。在高铬铸铁热处理中涉及到的固态相变主要包括二次碳化物的析出、 马氏体转变、贝氏体转变和珠光体转变。 1 6 1 去稳处理中的固态相变 在去稳处理温度下，二次碳化物会从基体中析出，降低了基体中的合金元 素的含量，特别是基体中的c 含量。基体中合金元素含量的降低导致了奥氏体 m s 点的升高，从而使奥氏体在冷却时发生马氏体转变。通常空冷就可以获得 马氏体基体，并且避免铸件淬裂。失稳处理中发生的固态相变可以用下式表示 4 3 舯 ： y _ y + m 3 c m 1 c 3 f mc m 2 3 c 6 j 【m a v j 妇7l 巴 3 式中：t t 合金元素含量低于初始奥氏体基体的奥氏体 二次碳化物的类型依赖于基体化学成分和处理温度，若有m 2 3 c 6 型二次碳 化物产生，一部分m 2 3 c 6 型碳化物要发生向更稳定相m 7 c 3 型碳化物转变删。 第一章绪论 c r 含量大于2 5 的合金会析出细棒状m 2 3 c 6 型二次碳化物眦4 5 1 ，而c r 含量在 1 5 2 0 范围内的合金则析出聚集的棒状和片状m 7 c 3 型二二次碳化物h 5 1 。二次碳 化物一般在奥氏体区的滑移带或晶界处析出 4 5 a 6 ，这些滑移带或晶界通常是由 于碳化物和基体的热膨胀系数不同导致的应力而产生的。k u w a n o 等 4 口也发现 在高铬铸铁中，若c r c 较低，二次碳化物会均匀地在奥氏体枝晶中析出，而 c r c 较高，则二次碳化物会优先在靠近共晶碳化物的区域析出。有关研究人员 对二次碳化物析出的动力学也作了研究。p o w e l l 和l a i r d 【4 3 1 研究认为，在失稳 温度保温1 5 分钟二次碳化物就会析出，继续保温会导致二次碳化物的粗化。 k u w a n 0 1 4 7 1 等则认为，二次碳化物的析出更为迅速，在9 5 0 1 0 0 0 保温1 分钟 就会发生，而且一旦碳化物形成后，继续在失稳温度保温会增加二次碳化物的 数目、尺寸和面积百分比，当保温时间超过3 0 0 分钟后，二次碳化物的数目会 减少，其面积百分比继续增加。l e c o m t e m e r t e n s 等【4 8 】的研究表明，失稳处理温 度在8 5 0 1 0 5 0 。c 范围内，基体中二次碳化物的面积百分比为9 5 1 2 。 k o o t s o o k o s 4 9 1 对低碳的高铬铸铁的研究发现，如果失稳处理温度超过1 0 7 5 会 降低二次碳化物的面积百分比，对于1 1 5 0 ，二次碳化物的面积百分比大约是 2 。二次碳化物的析出有效地降低了合金奥氏体中合金元素的含量，提高了奥 氏体的m s 点，冷却时基体组织转变为马氏体组织。尽管失稳处理可以获得马 氏体基体组织，但是基体中仍然存留大约3 5 的残余奥氏体。残余奥氏体的含 量决定于失稳处理后基体中的c 含量，而基体中的c 含量又受到基体合金