高建辉 范轲

摘 要： 在各种工业材料中，高铬铸铁以其优越的抗磨性能与良好的韧性，在国内外工业生产中得到了广泛的应用。铬可以使共晶碳化物的特性发生改变，改善碳化物自身的形态，提高硬度，不断提升铸铁的耐磨性与韧性。为了不断提升高铬铸铁的性能，在生产过程中设计出科学的热处理技术，通过一系列试验分析冲击韧性与硬度、热处理技术与成分、冷却组织与速度之间的关系，以形成理论上的支持。

关键词： 热处理工艺；高铬铸铁组织；性能；影响

二十世纪初，随着世界工业化水平的不断提升，所采用的耐磨材料也进行了更新换代，由过去的白口铸铁、镍硬铸铁以及高锰钢铸铁逐步过度到铬系白口铸铁。近年来，工业生产对铸铁工艺提出了越来越高的要求，使铸铁技术面临巨大的发展压力。国内外众多专业技术人员对铬系白口铸铁做了深入研究，并根据有关的热处理工艺，实现了材料性能的持续提升。铬系白口铸铁当前在矿山施工与物料粉碎等方面能够发挥重要作用，可以成功替代低合金钢、耐磨锻钢以及中锰球铁等材质，广泛应用于生产鄂板、磨球等部件。高校研究院根据液液、固液等材料复合工艺，把铬系白口铸铁和多种合金材料进行了完美的符合，使铬系白口铸铁所具有的良好耐磨性能得到了充分发挥，进一步降低了工业生产对材料韧性方面的要求。在鉻系白口铸铁中，热处理技术与铬碳比是影响其性能的关键因素。所以对铬元素的化学与物理作用进行研究，并结合热处理工艺进一步发挥铬元素的作用显得非常重要。

本文主要采用改变铬含量的技术处理手段，通过中频炉设备充分熔炼高铬铸铁，利用中频炉设备进行调控、物理浇注等操作，对热处理工艺对高铬铸铁组织及性能的影响进行了整体分析。

一、实验材料与方法

为了使高铬铸铁突出的力学性能得到充分保留，一般结合铁碳相图选择亚共晶成分，目的就是确保加工材料的韧性符合生产需要，实验成分中的Cr检测指标各为12%、14%、16%，其中C含量为2.9%～3.3%。本次实验所选用的设备为GW系列中频无铁芯感应电炉，在完成熔炼技术处理后，把最后的试样置于SX2系列箱式热反应器内完成热处理操作。通过HR系列洛氏硬度计测试生产材料自身的宏观硬度，利用ZBC系列全自动金属摆锤冲击试验机检测来获取实际冲击韧性值，最后利用光学电子显微镜观察生产材料中的显微组织。

二、实验结果及分析

1.高铬铸铁中的微观组织

高铬铸铁所具有的铸态组织结合冷却与加热条件的差异，能够形成多种形态的产物，本次试验中，Cr12高铬铸铁所形成的铸态组织是碳化物+初生奥氏体，碳化物包含两种，即共晶碳化物与块状M7C3型，每一共晶团中所包含的碳化物均呈菊花瓣状，相邻之间隔有基体组织；Cr14高铬铸铁所形成的铸态组织是碳化物+奥氏体，碳化物为M7C3型；Cr16高铬铸铁所形成的铸态组织是碳化物+奥氏体基体，碳化物为M7C3型。

2.热处理工艺对高铬铸铁组织的影响

铸态组织进行加热处理形成奥氏体化后，在热处理技术条件发生改变的情况下，奥氏体基体内所含有的二次碳化物与过饱和合金元素全部析出，造成奥氏体自身稳定性下降，逐渐变为马氏体，在材料基体硬度得到提升的同时，还有效减弱了白口铸铁所承受的冲击韧性。从实验过程能够发现，铸态组织中所含有的网状碳化物成分已经完全消失，而且碳化物尖角也出现了明显变化，从形状上来看，铸件已经基本成块状，有效降低了基体所产生的割裂作用，对提升铸铁冲击韧性具有积极的作用，这些反应表明经过热处理之后所具有的冲击韧性要明显好于铸态组织。

高铬铸铁接受淬火技术处理后，主要有以下几种变化：①高铬铸铁接受淬火技术处理后，基体组织会发生由奥氏体向马氏体的转变，但是因为马氏体的转变无法彻底完成，依旧会剩余部分奥氏体，这些材料中会析出一定份量的二次碳化物，该组织配合会将高铬铸铁自身的硬度提升到HRC66以上；②高铬铸铁接受淬火技术处理后，基体组织变成碳化物+马氏体，碳化物包含两种，即共晶碳化物与块状M7C3型碳化物，能够把高铬铸铁自身的硬度提升到HRC65以上。③高铬铸铁接受淬火技术处理后，基体组织变成碳化物+马氏体，碳化物包含两种，即菊花状共晶碳化物与块状M7C3型碳化物，能够把高铬铸铁自身的硬度提升到HRC66以上。

三、热处理工艺对高铬铸铁力学性能产生的影响

随着高铬铸铁中铬元素含量的不断增加，其洛氏硬度也随之提升。淬火处理过程中的温度变化增加了基体中所含有的溶碳量，在接受淬火技术处理后实现了向马氏体的转变，材料本身的硬度大幅增加。此外，结合F.Maratry所给出的回归方程式：12.33×（%C）+0.55×（%Cr）-15.2=碳化物（%），对各试样含碳量进行检测，算出的占比百分数各为：Cr12-33.3%，Cr14-34.4%，Cr16-35.5%，各试样材料中所含有的碳化物量是不断增加的趋势，结合铬碳比会对碳化物形成产生一定影响的规律考虑，依据实验所获取的材料显微组织，可以确定碳化物的基本类型是M7C3型

为了获得更高的材料淬透性，在实验过程中一般加入大量合金元素，如Mo、Ms等，影响C曲线向右移动，从而使马氏体发生转变的初始温度Ms有一定的提高，最终产生二氧碳化物成弥散状态分布的全马氏体基体组织。在这次实验中并没有添加Cr、Mo等任何元素，但是并没有对材料所具有的淬透性产生影响，原因在于试样材料截面面积比较小，反应发生率低，这些问题将在今后的实验研究中进行再次验证。

总结：

近年来，工业生产对铸铁工艺提出了越来越高的要求，使铸铁技术面临巨大的发展压力。铬系白口铸铁凭借其显著优势，在矿山施工与物料粉碎等方面能够发挥重要作用，广泛应用于生产鄂板、磨球等部件。在铬系白口铸铁中，热处理技术与铬碳比是影响其性能的关键因素。高铬铸铁在接受淬火技术处理后，会产生洛氏硬度非常高的马氏体基体组织，以及成弥散状态分布的M7C3型碳化物，可以有效降低碳化物对材料冲击韧性所产生的影响。铸铁基体组织所含有的碳化物通常为二次碳化物与初生碳化物，这些物质状态呈条块状。在实验过程中没有添加Mo、Cu等任何元素，但是并没有影响实验材料的淬透性。

参考文献

[1]关于金属材料与热处理工艺的探讨[J]. 李林. 化工设计通讯. 2016（12）.

[2]关于举办“关键零部件（齿轮、轴承）热处理工艺技术培训”的通知[J]. 金属热处理. 2017（05）.

[3]德国工程师们怎样快速地编制高水平的热处理工艺[J]. 谢宝强，宗长江，黄维. 金属加工（热加工）. 2017（11）.

[4]热处理工艺对25CrMoRE钢组织及性能的影响[J]. 石晓霞，张行刚，田伟. 包钢科技. 2017（03）.

[5]特殊要求的12Cr1MoVR钢板热处理工艺研究[J]. 王青，秦红新，管秀兵. 宽厚板. 2017（04）.