变质处理提升中铬铸铁材料性能

时间：2024-07-28

苏伟，张华聪

(国家电投集团重庆合川发电有限公司，重庆 401536)

由于铬能有效改变白口铸铁的组织和性能，显著提高材料的抗磨能力，且铬资源相对丰富，价格适中，多年来，国内外的科研人员对铬白口铸铁进行了大量的研究[1]。目前，铬白口铸铁在电力、矿山、水泥等重工业部门都得到了广泛的应用[2-4]。高铬铸铁是目前国内外使用最为广泛的耐磨铸铁，但制造成本较高。中铬铸铁由于铬含量较高铬铸铁偏低，因此成本优势较为明显，是诸如球磨机衬板等常用的材料。但中铬铸铁碳化物大多为MC3型碳化物，材料的耐磨性、韧性较高铬铸铁都有较大幅度降低[5]，这在一定程度上限制了中铬铸铁的应用范围。添加变质剂改善铬白口铸铁的组织，是提高其性能的常用手段。本文对中铬铸铁Cr6进行复合变质处理后，针对变质处理对其组织和性能的影响进行了研究。

1 试验材料及方法

原材料为CrMoMnTi合金，利用KGPS-1000型中频熔炼炉进行熔炼，浇注温度为1 480～1 520 ℃。采用稀土硅、钛铁为变质剂，变质处理为钢水冲包。铸造后的热处理工艺：900 ℃加热保温2 h后用环保淬火液淬火，360 ℃回火。未经变质处理的对比材料除不添加变质剂，其他工艺均与变质处理的相同。Cr6的化学成分如表1所示。

表1 中铬铸铁Cr6的化学成分(质量分数) %

从浇注好的Cr6铸锭上截取部分并将其加工成相应的试样。其中磨损试样的规格：30 mm×25.5 mm×10 mm，冲击试样为按《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T 229—2010)加工的标准U型缺口试样，拉伸试样直径d0=5 mm，标距L0=25 mm。

利用MLG-130B型干砂橡胶轮磨损试验机对Cr6变质前后的两种试样进行耐磨性检测，测试条件：橡胶轮转速200 r/min，橡胶轮直径 176 mm，橡胶轮硬度 60(邵尔硬度)，磨料为40～70目石英砂，磨料流量约460 g/min，载荷130 N，磨损时间 10 min，橡胶轮总转数约2 000转。磨损试样(横截面)经磨光、抛光后，用4%的硝酸酒精侵蚀，用Motic(K400LED)型光学金相显微镜(OM)、S-3400型电子显微镜(SEM)对其显微组织进行观察与分析。利用OLYMPUS DSX510型超景深显微镜观察磨损形貌。利用TH903型多功能硬度计和HV-1000型显微维氏硬度计测试试样的硬度。冲击韧性使用JB-300B型冲击试验机测试，利用DNS100型电子万能试验机按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)进行室温拉伸试验。

2 结果与讨论

2.1 变质处理对显微组织的影响

图1所示为中铬铸铁Cr6变质前后的光学显微照片，其组织均为回火屈氏体和共晶碳化物。从图中可以看出，变质前组织多为粗大的树枝晶，变质后粗大的树枝晶基本消失，组织明显细化。图2为变质前后Cr6的扫描电镜照片。不难发现，无论是变质前还是变质后，碳化物以颗粒状沿初生奥氏体的晶界分布。由于变质处理后初生奥氏体细化，共晶碳化物分布的集中程度明显降低，分布相对更为均匀。此外，从图2还可以看出，由于共晶碳化物的沿晶界聚集，在后续淬火过程中出现了微裂纹，而变质前的试样的微裂纹更多，也更为连续。

图1 中铬铸铁Cr6变质前后光学显微照片

图2 变质前后Cr6的扫描电镜照片

2.2 变质处理对耐磨料磨损性能的影响

图3所示为变质前后的Cr6铸铁的磨损率和相对耐磨性。经过变质处理，Cr6的耐磨性有所提高。磨损率由变质前的9.63 g/h降为8.89 g/h。图4为磨损形貌照片，可以看出，无论是变质前还是变质后，磨损表面均十分光滑，磨损形貌主要表现为犁沟，其磨损机理为微切削。硬度检测结果表明，变质前后材料的硬度分别为54.3 HRC和57.3 HRC，略有提升。这是材料耐磨性提高的主要原因。

图3 Cr6变质前后的耐磨性对比

图4 变质前后Cr6橡胶轮磨损试验后的表面磨损形貌

2.3 变质处理对冲击韧性的影响

表2所示为变质前后Cr6的冲击试验结果，从表中可以看到，变质处理后Cr6冲击韧性提高了22.7%。断口形貌表明，变质前后的冲击断口均为典型的解理断口(如图5所示)。事实上，从图1至图2可以看出，变质前组织存在粗大的树枝晶，碳化物沿着晶界集中析出，对基体有明显的割裂作用。另一方面，变质前由碳化物沿晶界集中析出导致的淬火微裂纹也更多更连续，这也是变质前冲击韧性较低的原因。此外，在变质前的冲击断口上，还发现了少量的石墨(如图6所示)，这是降低材料韧性的又一原因。

表2 中铬铸铁Cr6变质前后的冲击韧性

图5 变质前后Cr6的冲击断口形貌

图6 变质前Cr6的冲击断口能谱分析

2.4 变质处理对抗拉强度的影响

拉伸试验结果发现，变质前后的Cr6抗拉强度分别为1 192.85 MPa和979.02 MPa，变质后抗拉强度明显降低。二者的延伸率均近似为零，为脆性断裂。从断口的扫描电镜照片发现，变质前拉伸断口的每个小断裂面多为解理断裂，但最后残余连接部分的撕裂区域存在大量的韧窝，表现为典型的准解理断裂，而变质后Cr6的拉伸为典型的解理断裂(如图7、图8所示)。此外，在变质后的Cr6拉伸断口上，可观察到明显的沿晶断裂区域，这也是造成其拉伸强度降低的重要原因(如图9所示)。

图7 变质前Cr6的拉伸断口形貌

图8 变质后Cr6的拉伸断口形貌

图9 变质后Cr6的拉伸断口中的沿晶断裂区域