離心鑄造高鉻合金鑄鐵氣門座圈的組織及耐磨性能研究

季同鑫，薛茂權，黃之德

（1.常州工業職業技術學院現代裝備制造學院，江蘇常州 213164；2.全椒雷科德精密機械有限公司，安徽 全椒 239500）

高鉻鑄鐵在采礦、礦物加工、冶金和水泥工業等行業應用廣泛，極高的耐磨性和相對較低的生產成本使這些合金特別適用于加工礦石、煤和礫石等材料的研磨、加工和泵送設備[1-3]，其在鑄態和熱處理態的優異磨損行為主要歸因于其微觀組織和增強相。

高鉻鑄鐵的典型微觀組織為基體中分散有高硬度的碳化物，經淬火處理[4-6]之后，足夠的碳濃度使奧氏體轉變為高硬度馬氏體，隨后的回火處理，可獲得較高的耐磨性和綜合力學性能，因此可在船艦設備的摩擦組件上得到應用。

在鑄造成型過程中，高鉻鑄鐵從奧氏體枝晶開始凝固成核，然后長大形成奧氏體枝晶基體和奧氏體/M7C3共晶混合物。隨著冷卻過程中溫度的降低，碳的溶解度隨之降低，產生大量的碳化物沉淀[7，8]。在足夠高的溫度下進行奧氏體化，以溶解在先前冷卻過程中析出的大部分碳化物，得到的合金奧氏體具有較高的含碳量，經過合適的淬火工藝，轉化為高硬度馬氏體。然而，經淬火處理后，仍有部分奧氏體來不及轉變而殘余下來，需進行回火處理加以消除。在回火過程中會均勻析出細小碳化物，同時殘余奧氏體轉變為馬氏體，產生二次硬化，進一步提高高鉻鑄鐵的硬度和耐磨性[9，10]。本文研究了兩種不同碳含量離心鑄造工藝制備的高鉻鑄鐵船用氣門座圈，重點討論了不同碳含量及熱處理狀態下高鉻合金鑄鐵中碳化物的形貌、分布及其對高鉻合金鑄鐵的硬度、強度和耐磨性能的影響，為優化制備工藝與選用綜合性能優異的高鉻合金鑄鐵提供試驗數據和理論參考。

1 試驗材料與方法

試驗用兩種高鉻鑄鐵合金的化學成分見表1.在25 kg 高頻感應熔爐中進行熔煉，待鐵水溫度為1550℃左右出爐，澆注溫度控制在1490℃～1510℃，離心鑄造氣門座圈，鑄態毛坯經軟化退火加工后，在1 000 ℃左右淬火，460 ℃左右回火，最后精車成型，測試試樣采用線切割直接從鑄態和熱處理態氣門座圈取樣。

表1 高鉻鑄鐵的化學成分（質量分數，%）

鑄態和熱處理態的高鉻鑄鐵試樣的物相分析采用D/max-2500PC 型X 射線衍射儀（XRD），輻射源為Cu 靶、掃描角度為20°～100°；金相試樣先用砂紙打磨，再研磨拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液對樣品進行15 s 腐蝕，再清洗吹干，采用Olympus-CK40M 型金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織結構；拉伸試驗在島津AGS-10KN 電子萬能試驗機上進行，拉伸斷口形貌利用掃描電鏡（JSM-6360LA 型）進行觀測；采用HR-150A 型洛氏硬度計，測試鑄態、最終熱處理態高鉻鑄鐵試樣硬度。

利用線切割切出若干個直徑為4 mm，高為16 mm的圓柱試樣，將試樣表面用金相砂紙磨光。經酒精洗凈并吹干后在精度為0.1 mg 的天平上進行質量稱量并記錄。在UMT-2 型銷盤式摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，對磨盤采用硬度為63 HRC的硬化不銹鋼圓片。試驗的具體工藝參數為：載荷30 N、轉速100 r/min、磨損時間30 min，室溫條件下進行干摩擦，試樣及對磨盤在磨損前后均進行清洗、吹干并稱重，試樣的磨損量等于試樣磨損前后的質量差值。

2 試驗結果與分析

2.1 高鉻鑄鐵的顯微組織

高鉻鑄鐵的金相顯微組織如圖1 所示?？梢钥闯?，圖1a）、b）的兩種鑄態組織沒有明顯區別，主要為初生奧氏體和共晶結構，條帶狀的共晶碳化物連接成魚骨狀或網狀均勻分布在奧氏體基體上。先經1 000 ℃淬火，再經460 ℃左右回火處理，1 號、2 號高鉻鑄鐵的顯微組織也發生了不同的變化，由析出的二次碳化物、共晶碳化物和馬氏體基體組成。1 號試樣經熱處理后，條帶狀碳化物形貌出現粗化，與鑄態時相比逐漸變的圓潤。2 號試樣熱處理后碳化物同樣出現粗化，但是其連續網狀分布的結構得到改善，孤立圓潤的塊狀碳化物均勻分散在基體中。

圖1 高鉻鑄鐵金相顯微組織

熱處理過程中較高的加熱溫度，使得碳化物在發生溶解的同時也發生析出，析出的細小碳化物顆粒分布在奧氏體晶界處，溶解首先從塊狀和條帶狀碳化物的尖角處開始，隨后由于碳的不斷擴散使最終形成的碳化物曲率半徑相近。殘留奧氏體在460 ℃的回火過程中向馬氏體轉變，高溫加熱鑄態高鉻鑄鐵，碳、鉻從奧氏體中充分析出，導致MS點升高，在隨后冷卻過程中可以獲得更多的馬氏體，從而使高鉻鑄鐵的耐磨性得到有效提高[11]。

2.2 物相分析及力學性能

鑄造成型過程中，高鉻合金鑄鐵中的碳和鉻發生反應，形成的碳化物硬度高，其均勻彌散分布于基體上可以有效改善材料的整體耐磨性。含碳量的多少決定了最終碳化物的含量，其中的鉻元素影響了最終碳化物的類型。因此，增加高鉻鑄鐵中的含碳量有利于生成更多的M7C3型碳化物[12]。圖2 所示為兩種含碳量高鉻鑄鐵鑄態和熱處理后的X 射線衍射圖譜，可以看出，鑄態樣品的主要物相為奧氏體和M7C3，其衍射峰較寬、較鈍，強度較低，說明發生了晶格畸變；相比較而言淬火+回火態樣品的衍射峰較尖，且又高又窄。鑄態時，高鉻鑄鐵內部的鑄造熱應力，會引起晶格畸變；在經過淬火+回火熱處理后，熱應力得到釋放，晶格畸變減小，衍射峰的寬化現象減少或消失。同時與標準PDF 卡片對照可知，鑄態試樣基體以奧氏體相為主，并還有少量馬氏體相，碳化物主要為M7C3型。經1 000 ℃淬火，460 ℃左右回火處理后，試樣中奧氏體物相幾乎消失，只在2θ 角50°左右出現很少量的殘余奧氏體，而回火馬氏體相顯著增多，M7C3型碳化物的物相峰基本沒有變化。

比較1 號和2 號高鉻合金鑄鐵鑄態和熱處理態的物相峰發現，碳含量對高鉻鑄鐵的物相影響不大，主要影響圖1 中高鉻鑄鐵熱處理后的金相組織。

圖2 高鉻鑄鐵XRD 圖譜

表2 所示為兩種樣品鑄態和熱處理后的力學性能。比較發現，高鉻鑄鐵的力學性能在經過淬火+回火熱處理后顯著改善，1 號樣品抗拉強度從536MPa提高到882.1MPa，增加了64.5%，伸長率從8.75%提高到13.5%，增加了54.2%，洛氏硬度也由43.9HRC提高到52.7HRC，增加了20%.2 號樣品抗拉強度從566.7 MPa 提高到1 091.67 MPa，增加了92.6%，伸長率從8.55%提高到19.17%，增加124.2%，洛氏硬度也由42.2HRC 提高到50.3HRC，增加了19.2%.

表2 性能試驗結果

高鉻鑄鐵的硬度主要受基體組織硬度以及其中碳化物的類型和體積分數的影響，基體組織硬度與基體的結構直接相關，一般來說，較多的碳化物會導致硬度的增加。結合圖1 的金相組織和圖2 的物相分析，說明熱處理使高鉻鑄鐵的硬度得到明顯提高。這主要歸因于高鉻鑄鐵中含量較高的合金元素，使其具有較大的碳當量，淬火處理使部分奧氏體轉變成馬氏體，但是由于冷卻速度太快，還有不少奧氏體來不及轉變而形成殘余奧氏體，這部分殘余奧氏體在接下來的回火過程中會轉變為高強的回火馬氏體，導致高鉻合金鑄鐵的硬度升高。不管是鑄態還是熱處理態，1 號樣品的硬度比2 號樣品要稍高，這主要歸因于1 號樣品的含碳量高于2 號樣品，更高的碳含量在鑄造過程中更容易生成碳化物，表現出更高的硬度。

Ma.等人[13]報道金屬材料的強韌性能不僅與基體組織有關，而且很大程度上取決于基體中碳化物的體積分數、形貌、尺寸和分布。熱處理使材料的強度值與鑄態時相比有了明顯的提高，這與淬火+回火熱處理對鑄態試樣內部的應力狀態改變有關。高鉻鑄鐵在鑄態時內部會存在應力，應力釋放會產生微裂紋，樣品經淬火+回火后，過飽和的馬氏體向接近飽和轉變，應力得到釋放，微裂紋減少，材料強度得以提高，特別是2 號樣品，熱處理后強度提升明顯，這與圖1 中觀察到的碳化物的形貌和分布改善具有一定的關系。1 號樣品的含碳量要高于2 號樣品，在鑄造過程中更容易生成碳化物，這一方面會提高材料的硬度，但另一方面也會導致更大的內部應力，從而使強度下降，因此1 號樣品的強度低于2 號樣品。

圖3 高鉻鑄鐵斷口形貌

圖3 為高鉻鑄鐵在鑄態和淬火+回火熱處理后拉伸斷口的掃描電鏡照片?？梢钥闯鲨T鐵材料的斷裂特征因材料的狀態不同而表現出明顯的區別。鑄態高鉻鑄鐵的斷裂表現出穿晶解理斷裂特征，其間的裂紋和裂紋擴展階梯十分明顯，經淬火+回火熱處理后的高鉻鑄鐵解理斷裂特征有所減弱，但依然存在，同時出現一些韌性斷裂的特征。

鑄態高鉻鑄鐵在拉伸過程中，應力集中處產生裂紋，裂紋沿著晶界擴展，形成河流花樣[14]。從圖3a）、b）中可以明顯看出，裂紋橫穿碳化物，這是因為鑄態組織中的粗長條狀碳化物數量較多，對基體的割裂嚴重，導致其強度差。而圖3c）、d）中熱處理后的解理面比鑄態時細小，同時出現一些韌窩斷裂的特征，這是由于經淬火+回火熱處理后析出的碳化物尺寸較小，分散在基體中，拉伸過程中韌性好的穩定基體提供了裂紋擴展的途徑，從而表現出抗拉強度和斷后伸長率的改善。

2.3 高鉻合金鑄鐵的摩擦磨損性能

高鉻合金鑄鐵由于其優良的耐磨性能，是一種被廣泛應用的功能材料，本研究的目的之一是研究碳化物的形成及熱處理對高鉻鑄鐵組織結構的改善，從而提高高鉻合金鑄鐵的耐磨性。

圖4 是兩種高鉻合金鑄鐵試樣在熱處理前后的磨損量的變化，經過淬火+回火熱處理后，兩種高鉻鑄鐵試樣磨損量均有明顯的下降，耐磨性能得到提升。其中1 號試樣磨損量相對鑄態時減少了40.1%，2 號試樣的磨損量相對鑄態時減少了61.7%。但整體上2 號試樣的耐磨性能較1 號試樣好。

圖4 高鉻鑄鐵的磨損

高鉻鑄鐵的耐磨性與其基體組織以及碳化物形貌和分布有直接的關系。高鉻鑄鐵的鑄態基體組織主要為奧氏體，在磨損過程中起到支撐碳化物及抵抗對磨材料對自身的磨損。經過熱處理之后，奧氏體組織轉化為硬度較高的馬氏體組織，其中的碳化物分布也更加均勻（見圖1），同時熱處理也使鑄造應力得到釋放，碳化物與基體的結合更加致密，其抗磨性比鑄態時明顯提高。兩種試樣的物相基本相同，但試樣2 中的碳化物形貌更加圓潤規整，分布也更加均勻，在磨損過程中能更好的支撐負載，提高抗磨能力，因此試樣2 的抗磨性要優于試樣1.

3 結論

1）離心鑄造船用氣門座圈高鉻合金鑄鐵的初始鑄態組織由奧氏體枝晶和M7C3/奧氏體共晶混合物組成，條帶狀的碳化物連接成魚骨狀或網狀均勻分布在奧氏體基體上。

2）熱處理釋放了高鉻合金鑄鐵的鑄造應力，顯著改變了基體的顯微組織，在馬氏體基體中均勻分布著較圓的碳化物，大大提高了硬度和強度。

3）較高硬度的碳化物在基體中的均勻分布，使高鉻鑄鐵表現出優秀的抗磨性能，熱處理后其耐磨性能顯著提高。