作者：郑晓敏
高铬铸铁件一般需要通过热处理来获得较好的综合性能，常采取的热处理工艺为高温奥氏体化失稳处理。即将高铬铸铁加热至奥氏体化温度以上并保温，在此过程中C、Cr及其他合金元素脱溶于奥氏体形成弥散分布的二次碳化物，此时基体中C、Cr等合金元素含量较低，降低了奥氏体的稳定性，使得马氏体转变温度Ms点升高。Cr15高铬铸铁凝固时形成不连续(Cr，Fe)7 C3型共晶碳化物，其显微硬度(HV)为1 200～1 800，彼此孤立分布而不连成网状，为主要抗磨相，而奥氏体基体通过失稳处理可部分转变为马氏体和二次碳化物，硬度大大提高并具备一定的冲击韧度。此外，为消除铸造应力和调控组织结构，获得较为理想的综合力学和耐磨性能，通常还可进行回火和深冷处理。本课题结合工程实际需求，针对Cr15高铬铸铁铸造过程，对失稳和回火工艺进行了优化，着重探讨了失稳温度和回火时间对高铬铸铁显微组织及耐磨性的影响。
1 试验材料及方法
将生铁、废钢、钼铁、锰铁等按成分配比装入酸性中频感应电炉中，升温至全部熔化，加入已预先烤红的铬铁，升温至1 480～1 500℃熔化，加入铝脱氧处理后转入浇包中。经包内静置后在干砂型中浇注成块状铸锭，采用水玻璃砂型，涂料采用高铝粉与酒精混合而成，浇注温度为l 440～1 460℃。采用QSN-750型火花直读光谱仪测试高铬铸铁的化学成分（见表1）。
将铸锭线切割加工成10 mm×10 mm×18 mm和10 mm×10 mm×55 mm的试块，在KSY型箱式电阻炉中进行失稳处理和回火处理。首先，升温至设定温度（850、900、950、1 000、1 050和1 100 0C）后保温3h，出炉空冷至室温，而后250℃保温4h。为了确定最优的回火保温时间，取1 000℃保温3h，在250℃下分别保温2、4、6、8h。
用PANalytical X'Pert PRO型X射线衍射仪进行物相分析；利用Image-Pro Plus软件对二次碳化物的析出量和晶粒大小进行定量分析；用HBRV-187.5型布洛维硬度计测定洛氏硬度，测5次取其平均值。将10 mm×10 mm×55 mm无缺口标准冲击试样在JBW-300型冲击试验机上进行冲击试验；用M-2000A型磨损试验机测试高铬铸铁试样的磨损性能，摩擦副为GCr15钢，恒定正压力和转速分别为350 N和200 r／min。对铸态和热处理态金相试样经磨制、抛光后，用体积分数为8%的硝酸酒精腐蚀，用Phenomworld Pro型扫描电镜和VK-9 710型激光共聚焦显微镜观察试样的显微组织和磨损形貌。
2 试验结果与分析
2.1 失稳温度对高铬铸铁显微组织及性能的影响
图1为铸态高铬铸铁显微组织照片和X射线衍射图谱。从图1看出，基体上弥散分布着多边形初生碳化物和菊花状共晶碳化物。经X射线衍射分析，基体和碳化物分别为奥氏体和(Cr，Fe)7 C3相。通过金相法计算，奥氏体和碳化物的体积分数分别为67. 6%和32. 4%，与回归方程计算结果（65. 9%和34. 1%）大致相当。
图2为不同热处理态高铬铸铁的显微组织。从图2a和图2b可见，失稳温度为850℃和900 ℃时，奥氏体晶粒中弥散分布着细小颗粒状二次碳化物，二次碳化物难以在奥氏体晶粒内随机生长，更易在共晶碳化物晶界处析出。失稳温度为950口C时，残余奥氏体内出现方形和细杆状二次碳化物，其含量随失稳温度升高而增加。从图2d看出，当失稳温度为1 000℃时，二次碳化物大量弥散析出。此后，进一步升高失稳温度，二次碳化物含量减少，并有聚集长大趋势。结合图3，也可明显看出，随着失稳温度不断升高，二次碳化物的晶粒尺寸也不断增大。在失稳温度为850℃时，二次碳化物晶粒尺寸为0. 43 μm，随着失稳温度升高至1 000℃时，晶粒尺寸增大至0. 99 μm，继续升温，晶粒尺寸略有增大。
图4为不同处理工艺下高铬铸铁的洛氏硬度和二次碳化物相对含量。由图4可见，随着失稳处理温度升高，洛氏硬度和二次碳化物含量均呈先增加后减少的趋势。失稳温度为1 000℃时，洛氏硬度( HRC)和二次碳化物相对含量达到峰值，分别为60.3和39.80%；失稳温度继续升高，基体中碳和其他合金元素含量较高，二次碳化物析出量降低，1100℃失稳处理时硬度和二次碳化物相对含量都有所下降，分别为55.6和12. 32%。
失稳温度越高，残余奥氏体含量增加，马氏体转变量降低。1 000℃失稳处理促进了马氏体转变和二次碳化物析出，提高了硬度值；当失稳温度高于1 000℃时，奥氏体中C和合金元素回溶量增加，奥氏体稳定性提高，空冷过程中马氏体转变不彻底，残余奥氏体较多，
硬度值减小。由此可知，最优失稳温度为1 000℃，可获得马氏体和弥散细小的二次碳化物组织。
2.2 回火时间对高铬铸铁显微组织及性能的影响
为了消除淬火应力，进一步改善韧性，对1000℃保温3h失稳处理试样进行回火处理，回火温度和保温时间分别为250℃和2～8 h。图5为不同回火时间下高铬铸铁的显微组织。从图5看出，回火过程中二次碳化物有长大趋势，在较短的保温时间下，二次碳化物弥散程度较低，部分二次碳化物呈杆状分布。随着保温时间延长，在保温6h时，先析出马氏体脱碳并析出碳化物，二次碳化物弥散程度增加，细小独立分布，继续延长保温时间，二次碳化物聚集长大。
图6为淬火态与回火态高铬铸铁SEM组织。从图6看出，淬火态与回火态组织无明显差异，基体上都有明显的细密针状马氏体，且周围分布着方块状及细长杆状二次碳化物。
图7为不同状态的高铬铸铁X射线衍射图谱。对峰强变化可见，失稳处理使马氏体和M7C3相含量增加；淬火态高铬铸铁中存在少量M23C6相，经回火处理后消失，可能转变为更稳定的M7C3相。
表2为不同状态高铬铸铁的硬度和冲击吸收功。由表2可知，相比铸态，1 0 0 0℃失稳处理后，硬度( HRC)从51.5提至63.8，而无缺口冲击吸收功从5.7J降至4.3 J。低温回火处理使硬度略有下降，同时，冲击吸收功先升高后降低，回火6h时后达到最大值7.3J。由此可以确定，本试验条件下最佳回火保温时间为6h，此时试样兼具较高的硬度和冲击吸收功。
在回火处理过程中，残余应力降低和马氏体脱碳导致硬度下降，而析出二次碳化物含量增加则提高硬度。随着保温时间延长，Cr、C等元素扩散充分，弥散碳化物增多，宏观硬度略有升高口，但较高的碳化物含量增加了其与基体间的界面，增加了裂纹萌生的可能性，降
低了冲击韧度。回火保温时间增加时，部分残余奥氏体和马氏体中析出碳化物逐渐增多且粗化，马氏体脱碳，使自身显微硬度降低，导致铸件硬度再次下降。
2.3 热处理工艺对高铬铸铁耐磨性的影响
图8为不同状态高铬铸铁的单位时间磨损量和6h磨损总量。从图8a看出，失稳和回火处理均提高了高铬铸铁的耐磨性能，随着磨损时间延长，单位时间内磨损量逐渐减少。从图8b可知，铸态高铬铸铁6h磨损总量为43.O mg，而淬火态和6h回火态试样磨损总量分别降至38.5和28.8 mg。
面接触摩擦副中凸出的硬质相（M7 C3等）与试样表面直接在转动作用下相对切割，造成大量的磨损损失。随着磨损进行，磨损面增大，摩擦副与试样从线一面接触变为面一面接触，摩擦副与试样表面逐渐匹配，单位面积上的正压力减小，使磨损量增幅减缓，反映为各条曲线斜率均呈减小的趋势，逐渐变为平稳磨损阶段。
回火态高铬铸铁中存在大量弥散分布的硬质碳化物和马氏体，为共晶碳化物提供了有力支撑，阻止了其磨损过程中断裂和剥落；而基体中的部分残余奥氏体保证了铸件具有良好的韧性，缓解了摩擦副／碳化物相接触造成的应力集中，延缓了裂纹扩展和铸件断裂的发生。因此，回火6h试样具有最优的耐磨性能。
图9为不同状态高铬铸铁的表面磨损形貌。可以看出，磨损后试样表面存在大量平行犁沟，其边缘有部分剥落坑。失稳态磨损犁沟数量较多，其深度较铸态试样浅，犁沟边缘同样存在大片剥落。回火态试样表面犁沟明显，但并未见大块剥落现象。同时，在高倍下可以看到磨损过程中高铬铸铁表面有一定程度的剥落和粘着（见图9d）。
相对基体，表面微凸体(M7C3)的硬度较高，相当于磨料。磨损初期，摩擦副与表面微凸体相互接触摩擦，摩擦过程中表面微凸体嵌入较软的基体，相对滑动造成硬质凸起切削基体，形成犁沟。在后期磨损过程中，硬质碳化物逐渐变钝，将基体组织推至犁沟侧而形成沟脊，经反复犁削和挤压，部分基体组织因塑性耗尽而脱落。
由于铸态高铬铸铁中缺少二次碳化物等弥散分布的高硬度相，无法对块状共晶碳化物提供较好保护，使得表面形成了大量的微观断裂从而造成剥落。失稳处理提高了高铬铸铁基体的硬度，一方面增大了微凸体在相对滑动中承受的阻力，使剥落少且更浅，剥落硬质碳化物作为磨粒在压力和相对滑动的作用下进一步切削产生犁沟；另一方面，微凸体与试样接触部位因局部形变生热，相对运动中撕扯使两部分金属发生粘着，造成物料损失，同时影响着微凸体滑动所产生的犁沟口。回火处理释放了空淬过程的集中应力，强化了基体对碳化物的支撑作用，减少了磨损过程中的剥落现象。
综上所述，高铬铸铁在磨损过程中主要为磨料磨损和粘着磨损，二者相互影响，并与材料硬度及韧性密切相关。
3 结 论
(1)失稳处理促使二次碳化物析出和空淬过程中y-M转变，低温回火消除了应力集中，但长时间回火处理可能促进马氏体相脱碳而使硬度降低。
(2)高锰铸铁失稳处理的最优的热处理工艺为1 000℃保温3h空冷，而后250℃保温6h，硬度( HRC)和无缺口冲击吸收功分别从铸态的51.5和5.7J提升至61.4和7.3 J，6h干滑动磨损量从43.0 mg降至28.8 mg。
(3)在干滑动磨损条件下，铸／淬态和回火态Cr15高铬铸铁的主要磨损机理分别为磨粒磨损和粘着磨损，其磨损性能与硬度和韧性密切相关。
4摘要
分析了失稳和回火处理对Cr15高铬铸铁显微组织及耐磨性能的影响。结果表明，950 ~1 000℃下失稳处理促进二次碳化物析出和马氏体转变，淬火态高铬铸铁组织由马氏体、残余奥氏体和二次碳化物组成，基体硬度提高；而低温回火消除了应力集中，获得良好的韧性；Cr15高铬铸铁经l 000 1CX3 h+空冷+250。C×6 h可获得良好的综合力学性能，其硬度( HRC)和无缺口冲击吸收功分别为61.4和7.3 J；在干滑动磨损状态下，铸态和淬火态高铬铸铁主要为磨粒磨损，回火态高铬铸铁韧性较好，磨损形式以粘着为主。在干滑动磨损6h后，磨损量从铸态的43.O mg降至淬火态的28.8 mg。
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