一种高铬铸铁热处理工艺的制作方法

本发明涉及金属热处理领域，尤其涉及一种高铬铸铁热处理工艺。

背景技术：

众所周知，互相接触或者相对运动的两个物体，其表面都会发生摩擦，一般情况下，摩擦时往往又伴随着磨损，而磨损到一定程度时，必然会导致各种机器或者零部件的失效，带来极大的安全隐患。我国又是一个制造大国，在我国，类似于冶金、矿山、建材、电力、煤炭等部门对矿山机械、工程机械和各种破碎粉磨设备的使用量很大，这些设备一般都运行在恶劣工况之下，一部分零部件由于受到砂石、矿石、土壤等各种物料和研磨体的磨损，每年会消耗大量金属。所以提高材料的耐磨性及其使用寿命具有非常重要的经济意义和现实意义。

实际工况下，一些易损零部件不仅存在着磨料磨损，而且往往伴随着腐蚀磨损与高温磨损，处在一种复合磨损工况中，多种因素相互作用，加剧了零件的磨损失效。这一类工况常见于矿山、冶金、建材等工业生产中，如输送含煤泥、矸石的浓浆泵，其内部易损零部件耐磨眼镜板，在承受冲蚀磨损的同时又受到过流介质的腐蚀，使用寿命很短，该部件体积虽小，但技术要求高，制造难度较大。在这种类似的复合磨损工况条件下，对于易损零部件的消耗量非常之大。所以，针对这种在恶劣工况下运行的零部件，如果能够采用一种简单有效的制备工艺，在其工作表面获得高硬度的同时还能保证内部具有一定的冲击韧性，则会大大提升其耐磨性及使用寿命。陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料的研究引起了很多相关领域专家的重视，相关文献表明，在耐磨金属材料表面复合一定厚度的硬质颗粒，不仅能够提高易损零件的可靠性及使用寿命，也能改善易损零件的使用性能和质量，对于提高经济效益，推动高新技术的发展及节约能源等都具有非常重要的意义。

高铬铸铁具有高耐磨性与耐腐蚀性，能够满足上述性能要求。但是高铬铸铁在生产后一般不能直接投入生产使用，需经热处理工艺改善强化其基体组织，提高铸件硬度及耐磨性后方可使用。铸态下的高铬铸铁金属基体组织主要为奥氏体、珠光体等，整体宏观硬度不高，最终表现为铸件耐磨性差，同时铸态下高铬铸铁成分偏聚严重，碳化物的形态、大小、数量也存在较大差别，对金属基体存在较大的割裂作用，导致铸件的韧性较差。所以需对高铬铸铁进行热处理工艺研究，以强化铸件的硬度及冲击韧性，综合提高其抗磨性。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供了一种高铬铸铁热处理工艺。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种高铬铸铁热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将高铬铸铁放在加热炉中进行加热，加热时间为1.5~2小时，加热温度至1010~1050℃后进行保温，保温时间为1.5~2小时，实现奥氏体化；

（2）将高铬铸铁出炉进行淬火；

（3）将淬火后的高铬铸铁回炉进行加热，加热时间为1.5~2小时，加热温度至450~460℃后进行保温，保温时间为1.5~2小时；

（4）将高铬铸铁出炉空冷至室温。

优选地，在步骤（1）中，高铬铸铁温升至1010℃后进行保温，保温时间为2小时。

优选地，在步骤（2）中，淬火后的高铬铸铁温升至450℃后进行保温，保温时间为2小时。

优选地，在步骤（2）中，高铬铸铁在冷却油中进行淬火，高铬铸铁在冷却油中的保持时间为1~1.5小时。

优选地，所述冷却油的质量浓度为10~20％。

优选地，所述高铬铸铁按重量百分比计的化学成分包括：c:2.86~2.95%，cr:24.5~24.9%，si:0.72~0.83%，mn:2.15~2.35%，mo:0.25~0.35%，cu:0.35~0.40%，ni:0.85~1.25%，p:0.03~0.04%，s:0.01~0.02%，余量为铁。

本发明的物理冶金学分析：

高铬铸铁铸件在生产后一般不能直接投入生产使用，需经热处理工艺改善强化其基体组织，提高铸件硬度及耐磨性后方可使用。铸态下的高铬铸铁金属基体组织主要为奥氏体、珠光等，整体宏观硬度不高，最终表现为铸件耐磨性差，同时铸态下高铬铸铁成分偏聚严重，碳化物的形态、大小、数量也存在较大差别。

基于上述问题，本发明在浇铸后对高铬铸铁进行去稳处理与回火工艺，以强化铸件的硬度及冲击韧性，综合提高其抗磨性。

脱稳处理是一种常用的热处理工艺，高铬铸铁铁液在凝固时由于高温奥氏体中合金元素含量较高，稳定性好，在自然冷却过程中难以转变为马氏体组织，脱稳处理的过程大致为：将铸件缓慢加热到奥氏体化温度，然后进行保温，待其充分奥氏体化后放入淬火介质中冷却。在此过程中，奥氏体基体中合金元素以二次碳化物形式析出，基体中的cr、c元素贫化，并使ms点升高，在淬火时能使更多的奥氏体发生马氏体转变。脱稳处理对于提高高铬铸铁的淬透性很有帮助，因此，马氏体高铬铸铁基本都是通过这种方法得到的。另外，铁液在冷却凝固过程中，共晶碳化物在形成时会消耗一部分奥氏体中的c、cr等元素，导致奥氏体易于发生固态相变，会在奥氏体和碳化物之间形成一层板条状的马氏体组织，使材料的韧性降低，脱稳处理工艺在奥氏体化保温过程中能够加速元素的扩散迁移，有助于消除这层马氏体组织，从而增强材料的韧性。

高铬白口铸铁是热导率较低的金属材料，铸件快速加热时，表面与心部会出现较大的温度梯度。同时高铬铸铁本身的热膨胀系数也较高，不同部位温差过大的话则容易导致铸件内产生较高的热应力和组织应力，所以在制定热处理方案的过程中要控制加热速度，以降低内应力，防止铸件变形、开裂。由于高铬铸铁cr含量较高，在20%以上，奥氏体化保温温度通常选在900~1050℃，回火温度一般在200~600℃。为使高铬铸铁得到最佳的耐磨性及其冲击韧性，因当合理设计热处理过程中的淬火温度、淬火保温时间、回火温度以及回火时间。

本发明首先将浇铸后得到的铸件放入加热炉中进行加热，使铸件表面温度达到1010~1050℃，温升时间为1.5~2小时，保温时间为1.5~2小时，实现奥氏体化；其后将高铬铸铁由加热炉中取出，并进行淬火；淬火后在450~460℃进行回火，回火温升时间为1.5~2小时，保温时间1.5~2小时；最后将高铬铸铁出炉空冷至室温。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明对淬火温度、回火温度进行了合理优化，使高铬铸铁淬火组织中马氏体、残余奥氏体和碳化物含量适中，相比于铸态试样，洛氏硬度、冲击韧性、综合力学性能得到了较大提升。

附图说明

图1是本发明提出的一种高铬铸铁热处理工艺的流程示意图。

图2是分别为在930℃、970℃、1010℃、1050℃淬火，450℃回火时，四个试样的金相显微组织。

图3是970℃淬火，450℃回火后试样的金相显微组织。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

参照图1，图1是本发明提出的一种高铬铸铁热处理工艺的流程示意图。本发明首先将浇铸后得到的铸件放入加热炉中进行加热，使铸件表面温度达到1010~1050℃，温升时间为1.5~2小时，保温时间为1.5~2小时，实现奥氏体化；其后将高铬铸铁由加热炉中取出，并进行淬火；淬火后在450~460℃进行回火，回火温升时间为1.5~2小时，保温时间1.5~2小时；最后将高铬铸铁出炉空冷至室温。

本发明适用于对高铬铸铁的热处理，尤其适用于如下包含如下成分的高铬铸铁，按重量百分比计，c:2.86~2.95%，cr:24.5~24.9%，si:0.72~0.83%，mn:2.15~2.35%，mo:0.25~0.35%，cu:0.35~0.40%，ni:0.85~1.25%，p:0.03~0.04%，s:0.01~0.02%，余量为铁。

实施例1

（1）将高铬铸铁放在加热炉中进行加热，加热时间为1.5小时，加热温度至1010℃后进行保温，保温时间为1.5小时，实现奥氏体化；

（2）将高铬铸铁出炉进行淬火；

（3）将淬火后的高铬铸铁回炉进行加热，加热时间为1.5小时，加热温度至460℃后进行保温，保温时间为1.5小时；

（4）将高铬铸铁出炉空冷至室温。

实施例2

（1）将高铬铸铁放在加热炉中进行加热，加热时间为2小时，加热温度至1050℃后进行保温，保温时间为2小时，实现奥氏体化；

（2）将高铬铸铁出炉进行淬火；

（3）将淬火后的高铬铸铁回炉进行加热，加热时间为2小时，加热温度至460℃后进行保温，保温时间为2小时；

（4）将高铬铸铁出炉空冷至室温。

实施例3

（1）将高铬铸铁放在加热炉中进行加热，加热时间为2小时，加热温度至1010℃后进行保温，保温时间为2小时，实现奥氏体化；

（2）将高铬铸铁出炉进行淬火；

（3）将淬火后的高铬铸铁回炉进行加热，加热时间为2小时，加热温度至450℃后进行保温，保温时间为2小时；

（4）将高铬铸铁出炉空冷至室温。

本发明另取13个试样，并按比较例1~13进行标号，比较例1~13的热处理参数如下表1所述。

表1本发明比较例的热处理参数

将实施例和比较例的试样经热处理后，取出进行打磨，去除表面氧化皮后测试其力学性能。衡量耐磨材料优劣的主要指标即为其抗磨性，抗磨性在宏观上表现为较高的硬度及良好的冲击韧性，较高的硬度为工件在磨损时提供强有力的支撑，良好的冲击韧性则使得工件不至于发生脆断开裂而导致直接报废。因此，耐磨高铬铸铁需要较高硬度的同时还需兼具一定的冲击韧性，从而提高整体的耐磨性。

用hr-150a洛氏硬度计测试每个试样的硬度，实验前用标准硬度块对洛氏硬度计进行校正，沿试样长度方向每隔一定距离测定一次，每个试样打5个点，取平均值。使用ni300c全自动摆锤式冲击实验机测试16个试样的冲击韧性，由于热处理后试样横截面尺寸有所偏差，需用游标卡尺重新测量并计算试样横截面积，标准试样的横截面积为1cm2，所以用测得的冲击韧性值αk除以实际横截面积a即为修正后的冲击韧性值。表2为具体的力学性能测试结果。

表2本发明实施例和比较例的力学性能测试

高铬白口铸铁的高温奥氏体稳定性好，在空冷过程中难以转变为马氏体组织，通过升高至奥氏体化温度保温一定时间的方式使得奥氏体中的一部分c、cr元素以二次碳化物形式析出，ms点升高，便于获得较多的马氏体组织。随后通过回火消除马氏体相变所产生的内应力，淬火马氏体转变成回火马氏体，热处理后铸件的硬度和冲击韧性均得到一定程度的提高。

根据上文高铬铸铁合金成分，代入相关估算公式可大致计算m7c3的体积分数，m7c3（%）=12.33（c%）+0.55（cr%）-15.2=33.83%，受其cr含量较高的影响，碳化物的百分比较高，所以铸态下试样的硬度也较高，为52.1hrc，加之成分偏聚等因素的影响，冲击韧性较低，为3.0j/cm2，铸态试样综合力学性能较差。

由上表可以看出，试样经过恰当的热处理后硬度和冲击韧性均有所提高，相比于1#铸态试样，2#至14#试样冲击韧性均有较大提升，说明热处理对提升高铬白口铸铁冲击韧性有良好的作用，脱稳处理时改善了一部分碳化物的形态，使相互连接的碳化物失去联系转变为孤立的碳化物，减少碳化物的割裂作用，同时回火时消除了淬火所产生的的淬火应力，也促使硬而脆的淬火马氏体向硬度偏低但韧性更好的回火马氏体转变。而经过热处理后的试样，彼此之间硬度存在较大差别，但冲击韧性的差别并不是很大，说明热处理参数的变化对硬度影响较大，对冲击韧性影响不大，但相较于铸态试样的韧性仍有较好的提升。

在600℃回火后试样硬度均不超过50hrc，明显低于在300℃、450℃回火时的硬度，甚至已经低于了铸态试样的硬度。分析原因为，600℃回火后虽然减少了残余奥氏体含量，但这与消除内应力一样，600℃足以产生球状铁素体-碳化物组织，即回火索氏体，使硬度急剧下降。而在300℃、450℃回火时，硬度相较于铸态试样硬度均有较大幅度提升，且最高达到了65.9hrc，表现出的规律为随着淬火温度的提高，硬度均呈现先增大后减小的趋势，在970~1010℃达到峰值。分析原因为在奥氏体化保温温度较低时，二次碳化物以析出为主，ms点升高，冷却时得到低碳马氏体，硬度较低，当奥氏体化温度达到1050℃时，碳及合金元素在奥氏体中溶解度增加，已经析出的二次碳化物会重新溶入基体中，奥氏体稳定性增强，冷却时残余奥氏体也较多，使得硬度有所下降。因此在奥氏体化温度为1010℃左右时，使得高铬铸铁淬火组织中马氏体，残余奥氏体和碳化物含量适中，高铬铸铁的综合性能达到最佳。

在淬火温度高于970℃时，450℃回火后试样硬度高于300℃回火后试样的硬度。原因为在450℃回火时，残余奥氏体发生转变，部分碳、铬含量低一些的残余奥氏体由回火温度冷却到室温过程中，残余奥氏体发生马氏体转变；而部分碳、铬含量较高的残余奥氏体在此回火温度下析出高度弥散的m7c3型碳化物，转变成为α+m7c3聚合物组织。马氏体硬度在回火过程中略有降低，但是这已被残余奥氏体转变增加的硬度所弥补，从而总的结果是硬度上升，即产生了二次硬化现象。综合分析得出，在1010℃淬火、450℃回火的热处理工艺下，试样获得的综合力学性能最好，其硬度可达65.9hrc，冲击韧性为4.6j/cm2，相比于铸态试样，洛氏硬度提高了25%，冲击韧性提高了53%，综合力学性能得到了较大提升。

用砂纸对试样进行打磨，随后抛光冲洗烘干。由于高铬铸铁的铬含量很高，耐腐蚀性强，使用硝酸酒精腐蚀效果不佳，故最终采用王水（浓盐酸与浓硝酸3:1混合）对试样表面进行腐蚀，清水冲洗后快速吹干，放入mr2000光学显微镜下观测拍摄金相组织。图2分别为在930℃、970℃、1010℃、1050℃淬火，450℃回火时，四个试样的金相显微组织。

由图2可以发现，热处理后试样中出现了马氏体组织，主要是由于合金元素的析出，ms点升高，淬火冷却时促进了马氏体相变，同时450℃回火时可能存在一部分碳、铬含量较低的残余奥氏体也发生了马氏体转变，宏观上表现为整体硬度的上升，所以最终组织应为回火马氏体+残余奥氏体+共晶碳化物。从图中还可以看出，经930℃脱稳处理后，交织相连的长条碳化物减少，虽然部分碳化物之间仍有关联，但相较于铸态试样，碳化物对基体的割裂作用已不那么明显，宏观上表现为冲击韧性的上升。随着淬火温度的增加，长条状的碳化物尖端出现了轻微的断裂破碎，主要呈紧密的菊花状分布在基体周围，为基体提供强有力的骨架支撑，这对于材料的力学性能及耐磨性的提升非常有益。

一次碳化物是以共晶碳化物形式析出于初生奥氏体之间最后凝固的部位。热处理过程中，除了基体发生马氏体转变外，还伴随有二次碳化物的析出。在进行奥氏体化保温过程中，元素扩散能力增强，大量细小的二次碳化物从基体中析出，所以可在图3中看到黑色的基体上零散分布着一些白色点状物质，而铸态下则没有此类情况，此种弥散分布的细小二次碳化物起到了弥散强化的作用，在一定程度上也提升了材料的硬度和冲击韧性。

由于宏观硬度及冲击韧性只能大致体现材料的耐磨性能，为了更加准确的了解材料的耐磨性能，本发明设计了七组摩擦磨损测试，用来对比热处理前后及不同热处理工艺参数对材料耐磨性能的影响。即：比较例1、3、6、8、10、12以及实施例三，然后对试样进行耐磨性能检测，实验结果如表3所示。

表3本发明实施例和比较例的力学性能测试

从上表中数据可以看出，经热处理的试样耐磨性相对于铸态有所提高，在同一回火温度下，相对耐磨性随着淬火温度的提高呈现出先递增后降低的趋势，在1010℃淬火、450℃回火热处理工艺参数下，材料的耐磨性达到了最高，相对耐磨性为铸态下的1.42倍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。