一种基于自然时效的高铬马氏体铸铁热处理方法与流程

本发明属于高铬铸铁技术领域。尤其涉及一种基于自然时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。

背景技术：

高铬铸铁是指合金中碳主要以碳化物形式存在，具有高硬度、高耐磨性能的铸铁。随着科技和社会的发展，为进一步提高高铬铸铁的硬度、耐磨性以及韧性，以适应工业技术的发展，本领域技术人员进行了大量的研究和技术开发。高铬铸铁铸态组织由奥氏体+共晶碳化物m7c3组成，在淬火过程中，将会发生奥氏体向马氏体的转变，并伴有二次碳化物的析出，一般情况下基体组织为马氏体+残余奥氏体。

提高高铬铸铁硬度的主要方法是提高基体的硬度，减少残留奥氏体、铁素体和贝氏体的数量。提高基体硬度的主要方法有增加c含量，进而增加马氏体的含量，增加合金碳化物的数量与硬度。减少残留奥氏体主要是提高马氏体转变量，亦即要将马氏体转变点ms控制在室温以上。

经过淬火后获得的马氏体中的碳由于过饱和，在室温条件下，将会重新分布，进一步析出碳化物，而此过程主要发生在未经回火的马氏体中，因此经过回火的高铬铸铁不会产生时效硬化现象。现有技术都是采用淬火+回火处理的热处理工艺，回火后的高铬铸铁不再发生自然时效。

“一种高铬铸铁研磨体”(cn109930057a)专利技术，该技术按质量百分含量的化学成分是：c为2.5～2.8％、si≤0.5％、mn为0.15～0.25％、mo为0～2.5％、cr为15～20％、al为0.01～0.8％、ni为0.05～0.10％、re为0.1～0.2％、p≤0.05％、s≤0.05％，余量为fe；该技术采用淬火+回火工艺，虽获得硬度≥65hrc的耐磨铸铁，但工艺复杂、热处理成本高。

“高铬铸铁的热处理工艺”(cn106755789a)专利技术，该技术通过随炉加热至400℃保温1-2小时，随后加热至600℃保温1～2小时，继续加热至950℃保温2～3小时，淬火处理，缓慢降温至600℃后，又继续升至950℃-980℃保温2～4小时，最后空冷至室温后进行回火处理，工艺复杂，加热时间长，热处理工艺成本高。

“一种高铬铸铁磨球及其热处理方法”(cn107034347a)专利技术，所述高铬铸铁磨球中铬cr含量为11.4～27.52％，碳c含量为2.25～2.65％。该技术在600～890℃保温2～10h，加热至880～1100℃保温3～6h；冷却至150～350℃，空冷至室温后进行回火处理，该技术存在保温时间长、工艺复杂的缺点。

“耐磨白口铸铁及其制备方法”(cn103757516a)专利技术，所述耐磨白口铸铁按质量分数的化学成分是：c为2.9～3.3％、mn为4.55～5％、cr为6.0～7.2％、b为0.45～0.70％，si<0.50％，s<0.05％，p<0.05％，余量为fe。该技术在950～1000℃保温3～6h，风冷至250℃后，在280～320℃，保温8～12h后空冷至室温，该技术的缺陷是工艺复杂，加热时间长。

“一种用于耐磨球的高铬铸铁及其制备方法”(cn110129664a)专利技术，所述高铬铸铁按质量百分含量的化学成分是：c为2.3-3.0％、si为0.5-1.0％、mn为0.4-1.0％、cr为16～20％、mo为0.3～0.6％、ni为0.4-0.8％、v为0.02～0.08％、b为0.050～1％、nb为0.1～0.2％、re为0.01～0.1％、s≤0.03％、p≤0.03％，余量为fe。该技术在960-980℃进行淬火处理，冷却至360-380℃，风冷至室温，在340-360℃回火。该成分含有贵重合金元素ni、mo、v、nb，成本高，工艺复杂且成本高。

综上所述，现有的高铬铸铁存在生产成本高、热处理工艺复杂、热处理温度高和热处理工艺成本高的技术缺陷，热处理后的产品硬度和韧性有待于提高。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种热处理工艺简单、热处理成本低和节约能源的基于自然时效的高铬马氏体铸铁热处理方法，用该方法制得的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：c为2.5～3.0％、cr为18～22％、si为0.5～0.9％、mn为2.0～2.5％、cu为0.7～1.2％、p≤0.049％、s≤0.049％，其中cr/c为6.5～7.3，余量为fe；按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后于900～1000℃条件下保温1～2小时，然后水淬至室温，再于室温条件下自然时效7～21天，制得高铬马氏体铸铁。

所述高铬马氏体铸铁的基体组织为马氏体；

所述高铬马氏体铸铁的硬度为65.5～67.5hrc，v型缺口冲击功为2.4～5.2j。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明的热处理过程是在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后水淬至室温，再于室温条件下自然时效7～21天，制得的高铬马氏体铸铁。本发明采用自然时效的热处理方法，只需室温条件下放置一段时间即可，热处理方法极其简单，无需因为热处理加热而消耗能源，也无需加热设备，且无热处理介质排放，不仅环境友好，且能显著降低热处理的工艺成本。另加之本发明的化学组分中未有贵重合金元素如ni、mo，因此，本发明能使生产成本显著降低。

本发明将高铬马氏体铸铁的化学组分中的cr/c限定为6.5到7.3，使高铬马氏体铸铁中的共晶碳化物为m7c3碳化物，共晶碳化物m7c3呈块状、断裂网状不连续的分布在基体上，对基体的割裂作用较小，能够很好的镶嵌在基体之中。因此在冲击过程中，块状、断裂网状m7c3碳化物可以缓解应力集中，使高铬铸铁具有高韧性。本发明的化学成分中碳和铬含量较高，奥氏体区体积含量小，因而高铬铸铁经过淬火处理后基体为过饱和马氏体，得到的高铬马氏体铸铁硬度高。

本发明采用自然时效的热处理方法，能使过饱和马氏体中的碳重新分布，并进一步析出细小的二次碳化物，而其他组织不发生变化。过饱和马氏体基体中含有大量弥散分布的二次碳化物，使得到的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。

本发明将铸态高铬铸铁在900～1000℃条件下保温，然后水淬至室温，取出经检测：硬度为60～62.5hrc，v型缺口冲击功为1.6～2.0j；本发明将水淬后的高铬马氏体铸铁在室温条件下进行自然时效，经自然时效后制得的高铬马氏体铸铁经检测：硬度为65.5～67.5hrc，v型缺口冲击功为2.4～5.2j。采用自然时效的热处理方法，使产品硬度hrc提高了8％以上，v型缺口冲击功提高了50％以上。

因此，本发明具有热处理工艺简单、热处理成本低和节约能源的特点，经自然时效制得的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。

附图说明

图1为本发明未经自然时效直接得到的一种高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图2为图1所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；

图3为图1所示高铬马氏体铸铁经自然时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图4为图3所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图；

图5为本发明未经自然时效直接得到的另一种高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图6为图5所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；

图7为图5所示高铬马氏体铸铁经自然时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图8为图7所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：

所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：c为2.5～3.0％、cr为18～22％、si为0.5～0.9％、mn为2.0～2.5％、cu为0.7～1.2％、p≤0.049％、s≤0.049％，，其中cr/c为6.5～7.3，余量为fe；按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后于900～1000℃条件下保1～2小时，然后水淬至室温，再于室温条件下自然时效7～21天，制得高铬马氏体铸铁。

所述高铬马氏体铸铁的基体组织为马氏体；

所述高铬马氏体铸铁的硬度为65.5～67.5hrc，v型缺口冲击功为2.4～5.2j。

实施例1

一种基于自然时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：c为2.8％，cr为18.2％，si为0.5％，mn为2.0％，cu为0.7％，p≤0.49％，s≤0.49％，其中，cr/c＝18.2/2.8＝6.5，余量为fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后于900℃条件下保温1小时，然后水淬至室温，再于室温条件下自然时效7天，制得高铬马氏体铸铁。所述高铬马氏体铸铁的基体组织为马氏体。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：自然时效前的高铬马氏体铸铁硬度为61.4hrc，v型缺口冲击功为2.0j；自然时效后的高铬马氏体铸铁硬度为66.0hrc，v型缺口冲击功为4.5j。

实施例2

一种基于自然时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：c为2.5％，cr为18％，si为0.6％，mn为2.3％，cu为0.8％，p≤0.05％，s≤0.05％，其中cr/c＝18/2.5＝7.2，余量为fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后于950℃条件下保温1小时，然后水淬至室温，再于室温条件下自然时效15天，制得高铬马氏体铸铁。所述高铬马氏体铸铁的基体组织为马氏体。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：自然时效前的高铬马氏体铸铁硬度为62.5hrc，v型缺口冲击功为1.8j；自然时效后的高铬马氏体铸铁硬度为67.5hrc，v型缺口冲击功为4.0j。

实施例3

一种基于自然时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分的质量百分含量是：c为2.9％，cr为20％，si为0.9％，mn为2.5％，cu为1.0％，p≤0.05％，s≤0.05％，其中cr/c＝20/2.9＝6.9，余量为fe。按照化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨；打磨后于950℃条件下保温1.5小时，再于室温条件下自然时效18天，制得高铬马氏体铸铁。所述高铬马氏体铸铁的基体组织为马氏体。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：自然时效前的高铬马氏体铸铁硬度为61.9hrc，v型缺口冲击功为1.7j；自然时效后的高铬马氏体铸铁硬度为66.8hrc，v型缺口冲击功为2.4j。

实施例4

一种基于自然时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：c为3.0％，cr为21.9％，si为0.7％，mn为2.4％，cu为1.2％，p≤0.05％，s≤0.05％，其中cr/c＝21.9/3＝7.3，余量为fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后于1000℃条件下保温2小时，然后水淬至室温，再于室温条件下自然时效21天，制得高铬马氏体铸铁。所述高铬马氏体铸铁的基体组织为马氏体。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：自然时效前的高铬马氏体铸铁硬度为60.0hrc，v型缺口冲击功为1.6j；自然时效后的高铬马氏体铸铁硬度为65.5hrc，v型缺口冲击功为5.2j。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明的热处理过程是在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后水淬至室温，再于室温条件下自然时效7～21天，制得高铬马氏体铸铁。本发明采用自然时效的热处理方法，只需室温条件下放置一段时间即可，热处理方法极其简单。无需为热处理加热而消耗能源，也无需加热设备，且无热处理介质排放，不仅环境友好，且能显著降低热处理的工艺成本低。另加之本发明的化学组分中未有贵重合金元素如ni、mo，因此，本发明能使生产成本显著降低。

本具体实施方式采取先水淬再自然时效的热处理方法，先后得到的高铬马氏体铸铁如附图所示：图1为实施例1未经自然时效得到的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图2为图1所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；图3为图1所示高铬马氏体铸铁经自然时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图4为图3所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图；图5为实施例2未经自然时效得到的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图6为图5所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；图7为图5所示高铬马氏体铸铁经自然时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图8为图7所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图。

从图1和图5可以看出，未经自然时效的两种高铬马氏体铸铁组织均为马氏体+m7c3碳化物+二次碳化物，从图2和图6可以看出两种基体组织为均马氏体，且共晶碳化物m7c3呈块状、断网状分布。从图3和图7可以看出，经自然时效处理后的两种高铬马氏体铸铁组织均为马氏体+m7c3碳化物+二次碳化物，从图4和图8可以看出基体组织均为马氏体，且共晶碳化物m7c3呈块状、断网状分布。对比图1与图3或对比图5与图7可以发现，经过自然时效处理后，马氏体基体中进一步析出细小的二次碳化物，而其他组织没有发生变化，自然时效后二次碳化物增多有利于提高铸铁硬度和韧性。对比图2与图4或对比图6与图8可以发现，二次碳化物弥散均匀分布在马氏体基体上，使高铬马氏体铸铁具有高硬度；块状、断裂网状m7c3碳化物，使高铬马氏体铸铁具有高韧性。

高铬马氏体铸铁中的共晶碳化物为m7c3碳化物，共晶碳化物m7c3呈块状、断裂网状不连续的分布在基体上，对基体的割裂作用较小，能够很好的镶嵌在基体之中。因此在冲击过程中，块状、断裂网状m7c3碳化物可以缓解应力集中，使高铬马氏体铸铁具有高韧性。本具体实施方式的化学成分中碳和铬含量较高，将高铬马氏体铸铁的化学组分中的cr/c限定为6.5到7.3，奥氏体区体积含量小，因而高铬铸铁经过淬火处理后基体为过饱和马氏体，得到的高铬马氏体铸铁硬度高。

本具体实施方式采用自然时效的热处理方法，能使过饱和马氏体中的碳重新分布，并进一步析出细小的二次碳化物，而其他组织不发生变化。过饱和马氏体基体中含有大量弥散分布的二次碳化物，使得到的高铬马氏体铸铁具有高硬度和高韧性。

本具体实施方式将铸态高铬铸铁在900～1000℃条件下保温，然后水淬至室温，取出经检测：硬度为60～62.5hrc，v型缺口冲击功为1.6～2.0j；本具体实施方式将水淬后的高铬马氏体铸铁在室温条件下进行自然时效，经自然时效制得的高铬马氏体铸铁经检测：硬度为65.5～67.5hrc，v型缺口冲击功为2.4～5.2j。采用自然时效的热处理方法，使产品硬度hrc提高了8％以上，v型缺口冲击功提高了50％以上。

因此，本具体实施方式具有热处理工艺简单、热处理成本低和节约能源的特点，经自然时效制得的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。