万方数据
第５期孙志平，等：１６Ｃｒ一２．５Ｍｎ高铬白口铁的亚临界热处理研究
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．通常，采用高温淬火（也称去稳处理）加回火或是通过亚临界处理来获得最佳综合性能的高铬白口铸铁．研究表明，含有大量残余奥氏体的铸态高铬白口铸铁通过亚临界处理可以使其中的残余奥氏体发生马氏体转变而使其硬化∞。Ｊ．与高温淬火相比，采用亚临界处理可以避免铸件变形和开裂以及降低生产成本，因此，对于大型铸件常采用亚临界处理旧一１｜．但是，目前有关合金元素、铸态组织，亚临界处理温度和保温时间对高铬铸铁硬化行为及其磨损性能的影响还缺乏系统深人的研究．
本文将利用透射电子显微镜结合ｘ射线衍射仪和扫描电子显微镜研究亚临界热处理对１６Ｃｒ一２．５Ｍｎ白口铁硬化行为和耐磨性影响．
１试验
１．１试验材料
采用废钢、生铁、碳素铬铁和锰铁作原料，在２５０ｋｇ中频感应电炉中冶炼高铬白口铸铁，铁水熔清后用铝脱氧，然后在铸铁模具中铸成直径８０ｍｍ的磨球，浇注温度约１５００ｏＣ．磨球冷却后用线切割机切割成亚临界处理试样和ｘ衍射试样．高铬白口铸铁的化学成分见表１．
表１高铬白口铸铁的化学成分（质量分数／％）
１．２试验方法
将亚临界热处理试样（１０ｍｍ×１０ｍｍｘ１０ｍｍ）放在箱式电阻炉中加热到５００、５２０、５４０、５６０ｏＣ，并分别保温０、２、４、６、８ｈ和１０ｈ后出炉空冷．在洛氏硬度计上测定高铬铸铁在亚临界处理前后的硬度，每个试样测５次，取其平均值作为试样的硬度．采用Ｘ’ＰｅｒｔＰｈｉｌｉｐ型ｘ衍射仪和磁性法相结合计算高铬铸铁基体组织中的奥氏体和马氏体的相对含量；用定量金相法测定高铬铸铁中的Ｍ，ｃ，型碳化物的含量，每个试样测１００次，取其平均值．用ｘ衍射图中的奥氏体和马氏体的晶面间距（取３个晶面）计算其平均点阵常数．在ＰｈｉｌｉｐｓＴｅｖｎａｉ２０ＨＲ型透射电子显微镜上观察确定基体组织转变和二次碳化物的析出及转变．用Ｘ’ＰｅｒｔＰｈｉｌｉｐ型ｘ衍射仪测定铸态高铬白口铸铁中的残余奥氏体．用ＪＳＭ一５９００ＬＶ型扫描电子显微镜观察组织形貌．
用Ｍ一２００型磨损试验机进行静载滑动磨损试验，下试样为外贴１５０号棕刚玉（Ａ１。０：）砂布的西５０ｍｍ４５号钢圆环，上试样为１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ的高铬白口铸铁磨损试样，载荷为５ｋｇ，下试样转速为２００ｒ／ｍｉｎ，每次试验３ｍｉｎ后再换新的下试样，共试验３次；用ＴＧ３２８Ａ型光电天平称磨损后的试样质量（精确到０．１ｍｇ），以３次失重的平均值来评价其耐磨性．
２试验结果
２．１铸态组织分析
图１为高铬铸铁的铸态显微组织，可以看到，高铬铸铁的铸态显微组织由先共晶相（由奥氏体和马氏体形成的枝晶）和共晶组织组成．ｘ衍射（图２）结果表明，铸态组织由奥氏体、马氏体和Ｍ，Ｃ，型碳化物组成，奥氏体和马氏体的平均点阵常数分别为０．３６３２ｎｍ和０．２８９５ｎｍ，说明铸态组织中的奥氏体和马氏体都固溶了过饱和的碳和其他合金元素．计算得到奥氏体和马氏体的含量分别为５６．２％和２３％，用定量金相法测得Ｍ，ｃ，型碳化物的含量为２０．８％．奥氏体中过饱和的碳和其他合金元素有效的降低了马氏体转变开始温度Ｍｓ点，抑制了奥氏体冷却过程中向马氏体的转变，从而使铸态组织获得大量的残余奥氏体．
图１高铬白Ｅｌ铁的铸态显微组织
２．２亚临界处理硬化行为
图３为高铬白口铸铁亚临界热处理的硬化曲线，其中ｔ为保温时间．由图３可见，高铬白口铸铁经亚临界处理后出现与高速工具钢相似的二次硬化现象．当亚临界处理温度高于５００℃时，高铬白口铸铁都在不同温度和不同时问出现硬化峰．温度越高，出现峰值硬度的时间就越短，并且硬化峰峰值硬度变低．
２．３磨损试验
选取具有最高二次硬化峰值的５２０℃处理的试样进行磨损试验．与铸态相比，将亚临界处理后合金的相对耐磨率口定义为
詹一
签查这搓的麽塑基重（望里２
Ｐ一亚临界处理后试样的磨损失重（ｍｇ）’
万方数据
材料科学与工艺第１４卷
６２
５８
譬５２墨
４８
４４图２铸态组织Ｘ衍射曲线
℃
℃
图３高铬白口铁亚临界热处理的硬化曲线由表２可以看出，与铸态情况相比，亚临界处理后，高铬白口铸铁的耐磨性得到一定的改善，并且在获得最高二次硬化峰处得到最好的耐磨性能．表２高铬白口铸铁的磨损失重（△埘）和相对耐磨率
３讨论
在本试验条件下，高铬白口铸铁的显微组织由奥氏体（约５６．２％）、（Ｃｒ，Ｆｅ），Ｃ，（２０．８％）和马氏体（２３％左右）组成；由于奥氏体硬度较低，因而在铸态下，该高铬白口铸铁的硬度和耐磨性能都比较较低．
图４（ａ）是该合金５２０℃保温８ｈ时试样的ＴＥＭ形貌，可以看出，在基体中有大量纳米尺度的颗粒状二次碳化物析出，碳化物呈弥散分布．通过选区电子衍射分析（图４（ｂ）），确定该碳化物为（Ｃｒ，Ｆｅ）：，Ｃ。．这说明亚临界处理过程中，过饱和奥氏体中的ｃｒ、Ｆｅ和ｃ以（ｃｒ，Ｆｅ）：，ｃ。碳化物析出后一Ｊ，导致残余奥氏体中的ｃｒ和Ｃ含量下降，使Ｍｓ点升高，在冷却到室温的过程中，残余奥氏体发生了马氏体相变（图５），因而使其整体硬度升高．另外，弥散分布在基体中的（ｃｒ，Ｆｅ）：，Ｃ。对基体的弥散强化作用，也很好地提高了合金的硬度和耐磨性能．根据扩散理论，温度升高或时间延长都会使扩散的通量增加，也即析出的（ｃｒ，Ｆｅ）∞ｃ。增多，其Ｍｓ点升高愈高则残余奥氏体转变成马氏体的量愈多，该高铬白口铸铁的硬度升高也愈大．
（ａ）（Ｆｅ，Ｃｒ）”Ｃｓ微观形貌（ｂ）选区电子衍射谱
图４奥氏体晶内析出的（Ｆｅ，Ｃｒ）２３Ｃｅ微观形貌
图５是合金５２０℃热处理时硬度和相对耐磨率与残余奥氏体含量之间的关系．从图５可以看出，随着合金组织中残余奥氏体含量的降低，合金的硬度和相对耐磨率得到不同程度的改善．对图５的分析还发现，合金获得最高二次硬化峰值和相对耐磨率时仍然有一定含量的残余奥氏体，说明随着时间的延长，虽然可以进一步降低残余奥氏体含量，但是合金的硬度和耐磨性能均出现不同程度的降低．图６（ａ）是该合金５２０ｏＣ保温１０、ｈ时试样的ＴＥＭ形貌照片，可以看到，弥散分布的颗粒状（Ｃｒ，Ｆｅ）∞Ｃ。发生长大并且颗粒发生连接形成长条状碳化物．通过选区电子衍射分析（图６（ｂ）），发现该长条状碳化物为Ｍ，ｃ型碳化物，说明随保温时间延长，优先析出的（Ｃｒ，Ｆｅ）∞Ｃ。发生向Ｍ，Ｃ碳化物的转变．从二者具有共面关系可以推测这一转变是原位发生的，也说明Ｍ，Ｃ碳化物并不是由奥氏体中析出形成的．Ｍ，Ｃ型碳化物的形成说明基体组织发生珠光体转变（图７）．伴随（Ｆｅ，ｃｒ）：，ｃ。向Ｍ，ｃ型碳化物原位转变的完成，将得到珠光体基体组织．由于珠光体组织的硬度和耐磨性能相对于马氏体组织都比较低，导致合金硬度和耐磨性能下降．
图８为该高铬铸铁磨损表面形貌（（ｂ）为（ａ）的局部放大）．由图８可见，其磨损表面存在大量犁沟（亚临界处理试样表面的形貌都无明显差别）．ＡＩ，Ｏ：的硬度比高铬白口铸铁的硬度高得多，在一定压力下，Ａｌ，Ｏ：颗粒进入试样表面并在切向应力作用下对材料进行犁削．在磨损过程中，因磨损而逐渐变钝的磨粒把材料推挤至犁沟
的两侧形成沟脊．经反复的犁削和挤压，材料因塑
万方数据
第５期孙志平，等：１６Ｃｒ一２．５Ｍｎ高铬白口铁的亚临界热处理研究?５１３?
料耗尽而脱落，则形成了所谓韵剥层磨损．已经证
明，在高应力作用下，当残余奥氏体含量为２０％
～３０％时其耐磨料磨损抗力最佳…．在本文的试
验条件下，残余奥氏体量１０％左右耐磨性最好，
与上述观点大致相同．其存在一定差异的原因可
能是合金体系不同造成的．
１
ｌ
ｑ１
１
Ｏｏ已Ｚ
图５高铬白口铁硬度和相对耐磨率与残余奥氏体含量（Ａ）的关系曲线
（ａ）ＴＥＭ形貌（ｂ）选区电子衍射谱
图６（Ｆｅ，Ｃｒ）２３ｃ６一Ｍ３ｃ原位转变
图７与图６不同选区合金组织的ＴＥＭ形貌（ａ）及其选区电子衍射谱（ｂ）
图８磨损试样ＳＥＭ形貌
４结论
１）亚临界热处理可以使过饱和奥氏体中固溶的ｃｒ和ｃ以（ｃｒ，Ｆｅ）：，ｃ。形式析出，导致残余奥氏体中的ｃｒ和Ｃ含量下降，使Ｍｓ点升高，在冷却到室温的过程中，残余奥氏体发生了马氏体相变，使合金产生二次硬化．
２）析出的（Ｃｒ，Ｆｅ）：，Ｃ。呈纳米尺度的颗粒状并弥散分布在基体中，对基体有很好的弥散强化作用．
３）保温时间过长，会导致（Ｃｒ，Ｆｅ）∞ｃ。向Ｍ，ｃ原位转变发生，基体组织发生珠光体转变，导致硬度和耐磨性能不同程度降低．
４）基体中残余奥氏体含量为１０％左右时，合金获得最高硬度和最佳耐磨性能．
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（编辑吕雪梅） 万方数据
16Cr-2.5Mn高铬白口铁的亚临界热处理研究
作者：孙志平， 左汝林， 李聪， 高升吉， 沈保罗， 闫静， 杨林， 黄四九， SUN Zhi-ping ， ZUO Ru-lin， LI Cong， GAO Sheng-ji， SHEN Bao-luo， YAN Jing， YANG Lin，
HUANG Si-jiu
作者单位：孙志平,SUN Zhi-ping(四川大学,金属材料系,四川,成都,610065;山东轻工业学院,机械学院,山东,济南,250353)， 左汝林,ZUO Ru-lin(重庆大学,材料学院,四川,重庆,400044)， 李
聪,LI Cong(中国核动力研究设计院,核燃料及材料国家重点实验室,四川,成都,610041)，
高升吉,沈保罗,闫静,杨林,GAO Sheng-ji,SHEN Bao-luo,YAN Jing,YANG Lin(四川大学,金
属材料系,四川,成都,610065)， 黄四九,HUANG Si-jiu(双流县四久稀土合金铸造厂,四川
,双流,610211)
刊名：
材料科学与工艺
英文刊名：MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY
年，卷(期)：2006,14(5)
参考文献(11条)
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