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热处理影响高铬铸铁硬度的研究2018/7/20 12:25:56

  1实验材料及方法

  实验用高铬铸铁成分(质量分数,%)为:2.61C,0.55Si,1.58Mn,14.98Cr,0.67Mo,0.48Ni,0.33Cu,0.18Nb,0.013P,0.019S.将试样线切割成8mm×8mm×10 mm的长方体试样,分别在950,970和990℃淬火,保温时间分别为1,4和7h,冷却方式分别为在空气中淬火,在机油中淬火和在炉中冷却,对950℃保温1h的淬火试样进行回火,回火温度为200,300,400和500℃,回火时间为6h.利用500MRA硬度计测定试样的洛氏硬度,利用ZeissAxiovert40MAT光学显微镜观察试样的金相组织。未经热处理时,铸态试样的金相组织为奥氏体和碳化物。其硬度值为41.6HRC.

  2实验结果及讨论

  2.1淬火温度的影响

  不同淬火温度下的硬度值。可以看出,在相同的淬火介质中,随着淬火温度的升高,硬度值出现先增大后减小的趋势,在970℃的淬火温度下出现峰值。淬火介质不同,其硬度值也不同。在相同的热处理工艺下,油淬的硬度值最高,空淬其次,炉冷后的硬度值最低。

  高铬铸铁的淬火温度直接影响溶入奥氏体中的渗碳体数量。由于渗碳体中含有更多的合金元素铬,因此淬火温度也就直接影响奥氏体中合金元素的含量,如图2.淬火加热温度较低时,溶入奥氏体中的渗碳体数量较少,淬火后作为合金基体的马氏体中碳,铬等合金元素较少,马氏体硬度较低,导致合金的硬度也较低。淬火温度升高,碳的扩散速度快,溶解到奥氏体中的碳含量增多,转变成马氏体中的含碳量也增多,马氏体硬度高了,基体硬度变高,则高铬铸铁整体的宏观硬度也增加。而淬火加热温度太高,溶入奥氏体中的渗碳体数量较多,奥氏体中合金元素的含量较高,提高了奥氏体的稳定性。奥氏体化温度越高,会使一次碳化物溶解到奥氏体中,奥氏体数量增多,一次碳化物数量减少,导致硬度降低。当冷却至室温时,只能部分转变为马氏体,余下的奥氏体就残留了下来,使残余奥氏体量增加,硬度值下降<3-4>。铸态奥氏体过饱和溶入碳及合金元素,在热力学上处于不稳定状态,会从奥氏体中扩散出去。根据文献可知,扩散出去的碳及合金元素以二次碳化物的形式存在。在热处理过程中,加热温度显着影响二次碳化物析出量。二次碳化物的析出量随着淬火温度的升高而减少,所以,在淬火温度较高的情况下,基体中碳和其他合金元素含量提高,析出的二次碳化物减少,奥氏体稳定化程度增加<6>,发生马氏体转变的MS点降低,淬火后马氏体量减少,残余奥氏体量增多,使得硬度值下降。

  2.2保温时间的影响

  在950℃保温不同保温时间,分别炉冷,空冷和油冷对应的硬度值。可以看出,在相同的淬火介质下,随着保温时间的增长,硬度值先增大后减小,保温时间为4h时,硬度值最高。

  在950℃淬火时,随着保温时间的延长,碳的扩散逐渐均匀化,溶解到奥氏体中的碳含量增多,转变成马氏体中的含碳量也增多,马氏体硬度高了,基体硬度变高,则高铬铸铁整体的宏观硬度也增加。但是再继续延长保温时间,一次碳化物会进一步溶解到奥氏体中,奥氏体含碳量增多,发生马氏体转变的MS点降低,淬火后马氏体量减少。同时保温时间延长,二次碳化物出现聚集和长大,强化效果下降,会降低基体硬度。保温时间过长,奥氏体基体的晶粒长大,其后转变得到的马氏体相对粗大,这也软化了基体,使基体的显微硬度降低,导致高铬铸铁的硬度下降<7>。

  2.3XRD分析

  对950℃保温1,4和7h的试样进行X射线衍射分析(XRD),图5为保温7h的XRD图。从图中可以看到,主要的相为合金碳化物,马氏体和奥氏体。

  由于马氏体的双峰没有显着分离,可以把马氏体当作铁素体来处理。采集α相的(200)和(211)及γ相的(200),(220)和(311)晶面衍射峰的强度,组成(200)α-(200)γ,(200)α-(220)γ,(200)α-(311)

  γ,(211)α-(200)γ,(211)α-(220)γ,(211)α-(311)γ,对每一组合用直接对比法计算高铬铸铁基体中残留奥氏体含量,再取其平均值。残余奥氏体的含碳量用下式计算:α=3.555+0.044x式中:α为(311)γ的点阵常数(?);x为残余奥氏体的含碳量(wt%)。

  残余奥氏体量及碳含量见表1.从表1可以看到,随着保温时间的延长,残余奥氏体含量增加,其碳含量也增加。950℃保温1h与4h差异不显着,保温7h后发现残余奥氏体明显增多。这解释了淬火工艺不同,硬度的变化。保温时间较短时,适当延长保温时间能够让更多的碳化物溶解到奥氏体中,奥氏体中的碳浓度增加,随后得到的马氏体碳浓度较高,其硬度增加,从而表现出宏观硬度增加。而保温7h后,奥氏体中碳浓度相对较高,MS被压低,淬火后得到较多的残余奥氏体。由于奥氏体的硬度比马氏体要低很多,所以合金表现出宏观硬度降低。

  2.4回火温度的影响

  在950℃淬火温度保温1h油淬后,不同回火温度对应的硬度值。可以看出,随着回火温度的增高,硬度值逐渐降低。回火的过程就是马氏体分解,铬的碳化物析出和残余奥氏体分解的过程。回火处理中,相变主要为淬火马氏体的分解和碳化物的析出和长大。淬火后,马氏体中含有较高的合金元素铬以及钼,这些强碳化合物可以增强回火马氏体的稳定性,推迟马氏体的分解。随着回火温度的升高,合金元素扩散能力增强,形成合金碳化物析出。伴随着马氏体的分解和碳化物的析出和长大,强化效果下降,致使基体的硬度下降。

  3结论

  (1)在本试验中,970℃保温4h淬火后200℃回火,高铬铸铁的硬度值最高,为62.8HRC.

  (2)随着淬火温度的升高和保温时间的延长,奥氏体中的碳含量增加,转变成的马氏体中的含碳量也增加,基体硬度提高。淬火温度过高或保温时间过长,奥氏体中的碳含量过高,MS点降低,残余奥氏体增加,高铬铸铁的硬度降低。

  (3)回火温度的升高,加速了马氏体的分解和碳化物的析出,马氏体硬度下降,导致高铬铸铁的硬度值下降。


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