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1、开箱时间及热处理对Cr28铸铁组织和性能的影响实用研究特种铸造及有色合金2007年第27卷第1O期开箱时间及热处理对Cr28铸铁组织和性能的影响程巨强(西安工业大学材料与化工学院)摘要研究了浇注后不同开箱时间及热处理对Cr28铸铁组织和性能的影响.结果表明,随着浇注后在砂型中冷却时间的延长,Cr28铸铁的硬度和冲击韧度降低,铸件在铸型中冷却3h开箱空冷,硬度(HRC)可达58,冲击韧度a可达4.5J?crn-.铸态Cr28铸铁的组织由马氏体,不同形状的Mc型碳化物及残余奥氏体组成.1040正火+100回火热处理可以提高铸件的硬度,HRC可达6O.关键词Cr28铸铁;开箱时间;热处理;组织;性能
2、中图分类号TG143.7;TG113文献标志码A文章编号10012249(2007)10075603高铬系抗磨铸铁材料由于具有较高的硬度,优良的耐热,耐蚀及抗磨性能,广泛应用于矿山,水泥,工程机械,设备冶金等耐热,耐磨,耐腐蚀设备.高铬铸铁中随着Cr含量的提高,含量(质量分数,下同)大于12%或w(Cr)/w(C)>3.5时铸铁中的碳化物全部为MC.型碳化物_5,由于MC.硬度比M.C的硬度高,加之合金元素含量较高,提高了铸铁的淬透性,铸态或经过正火+低温回火处理可获得较高的硬度和耐磨性.本课题结合高铬铸铁的实际生产,研究了Cr28高铬铸铁衬板浇注后在砂箱中不同的冷却时间及热处理对Cr2
3、8铸铁组织和性能的影响,为Cr28铸铁件的应用提供试验数据.1试验材料和方法试验材料为Cr28铸铁,其C含量为2.8%3.2%,Cr含量为27%29%.炉料采用废钢,生铁,回炉料和中间合金,用0.5t中频感应电炉熔炼,熔化工艺为:先熔清废钢,生铁和回炉料,进行炉前分析,再加入中间合金调整钢液成分,用Al终脱氧,采用炉前加入法,出炉温度为1460,浇注温度为1400,造型材料为水玻璃自硬砂,浇注球磨机衬板铸件,浇注后开箱时间分别确定为3,5,7,1O,12,15h,具体试验方法为浇注后控制在砂箱中的冷却时间,当冷却时间到达某一时间后,开箱取出铸件在空气中冷却至室温.衬板铸件热处理工艺为:1040
4、正火+100回火.冲击试样取自于厚度为30mm的高铬铸铁实体衬板本体,线切割加工成10mm10mm55mm无缺口冲击试样,冲击试验采用j3O/15型试验机,用洛氏HRC150硬度计测定试样的硬度,用Neophot一30型光学显微镜(OM)观察显微组织,组织观察的腐蚀液为4%的硝酸酒精溶液,采用D/max一2400型X射线衍射仪进行试验材料的物相分析.2试验结果及其分析2.1不同开箱时间和热处理的硬度和冲击韧度表1是浇注后不同开箱时间Cr28高铬铸铁的硬度和冲击韧度试验结果.可以看出,浇注后随开箱时间的延长,铸件硬度呈下降的趋势;712h开箱,随开箱时间的延长,硬度值变化较小;超过12h开箱,硬
5、度下降幅度较大.因此,对于Cr28铸铁浇注后在砂箱中冷却时间过长,会降低Cr28高铬铸铁的硬度,出现上述变化收稿日期:20070514作者简介:程巨强,男,1963年出生,教授,西安工业大学材料与化工学院,西安(710032),电话:13109585603,Email:chengjuqiang163.corntionsJ.J.FluidMech.,1992,234:487510.2周炳红,刘秋生,胡良,等.两层流体热毛细对流空间实验研究J.中国科学E辑(工程科学材料科学),2002,32(3):316322.3MCDONALDRJ,HUNTJD.Fluidmotionthroughpartia
6、lsolidiliedregionsofacastingandItsImportanceinunderstandingatypesegregationJ.Trans.Met.Soc.AIME,1969,24519931997.r4ROSENBERGERF,MUIIERG.Interfacetransportincrystalgrowth.aparametriccomparisonofconvectiveeffectJ.J.CrystalGrowth,1983,85:9197.r5BOETTINGERWJ,CORIELLSR,GreerAL,eta1.Solidificationmicrostr
7、uctures:recentdecelopments,futuredirectionsJ.ActaMater.2000,48:43487566SCHAEFERRJ,CORIELLSR.Convectioninduceddistortionofasolidliqu|dinterfaceJ.MetallTrans.A,1984,15:21092115.7焦育宁,刘清民,杨院生,等.流体受迫流动下的柱状枝晶非对称生长J.材料工程,1993(7):1416.8刘山,鲁德洋,黄韬,等.液相流动对柱晶一次间距的影响J.金属,1993,29(4):147152.9赵学端,廖其奠.粘性流体力学M.上海:上海机
8、械学院,1981.1O刘山,鲁德洋,黄韬,等.强制性晶体生长中的对流效应J.西北工业大学,1991,9(1):1320.(编辑:张正贺)开箱时间及热处理对Cr28铸铁组织和性能的影响程巨强的原因是由于Cr28铸铁中Cr含量较高,材料的淬透性较高,导热性差,在铸型中冷却速度较慢,在砂箱中冷却3h保温开箱取出铸件空冷,相当于正火处理,提高.了冷却速度,形成马氏体组织和板片状碳化物,可增加铸件的硬度,此时获得的Cr28铸铁件硬度HRC56,满足国标GB/T82631999规定的高铬铸铁硬化态硬度HRC56的要求.增加砂箱中保温冷却时间,冷却速度降低,形成的马氏体基体中C的过饱和度下降,过慢的冷却速度
9、有利于碳化物的长大及块状化,降低高铬铸铁的硬度.冲击韧度值的变化与硬度有同样的趋势,随着在砂箱凝固保温时间的延长,冲击韧度下降,韧性下降与组织中碳化物随着开箱时间的延长,板片状碳化物数量减少有关.尽管如此,由于Cr28为脆性材料,脆性较大,冲击韧度值随开箱时间的变化降低幅度不大.表1不同开箱时间Cr28硬度和冲击韧度表2是浇注后不同开箱时间Cr28铸铁进行1040.C正火+100.C回火热处理的硬度和冲击韧度试验结果.从表2可以看出,经过正火+回火热处理后Cr28硬度有不同程度的提高,硬度均在HRC60以上,冲击韧度值有所降低,但和铸态不热处理相比,硬度提高幅度较大,而韧度值降低幅度不大,因此
10、,在Cr28铸件实际生产中,对于要求HRC56的铸件可以采用浇注后3h左右开箱空冷,替代正火处理,能够节约能源,降低生产成本,对于要求HRC60的铸件,可以采用铸造后进行正火+回火热处理来提高铸铁的硬度.表2Cr28铸铁热处理的的硬度和冲击韧度中保温时间/h硬度(HRC)冲击韧度ak/(J?CIII一)6065626362636162606263652.2浇注后不同开箱时间和热处理Cr28铸铁的组织图1为砂型浇注后保温不同时间开箱后Cr28铸铁空冷的组织.X衍射分析表明,铸态组织的衍射峰有马氏体,铁素体峰,(FeCr)C.(MC.型)碳化物峰和奥氏体峰,因此不同开箱时间的组织应为马氏体,残余奥
11、氏体和不同形状的碳化物组成,不同开箱时间碳化物的相貌有所不同,主要有初生碳化物和共晶碳化物,初生碳化物相有两种生长状态L7:杆状和板片状,碳化物按斜方晶系或菱形晶系析出,易生长成板片状碳化物,若按六方晶系结晶生长,则形成杆状,断面呈六方形貌,由于杆状MC.型碳化物向内包围生长,被包围的熔液凝固时会产生缩孔,在六方形断面会形成孔洞.共晶碳化物呈板条状或点状碳化物,板条状碳化物多数以集束状态存在,断面呈菊花状.杆状和板条状的碳化物对基体的割裂程度远小于M.C型碳化物,能够改善铸铁的韧性L8.在与碳形成的碳化物中,形成MC.型的碳化物晶体结构为六方晶格,显微硬度较高,HV达13001800l9,可以
12、提高材料的硬度.从不同时间开箱的金相组织可以看出,浇注后保温3h,5h(见图1a,图lb)开箱的铸铁组织中,碳化物主要呈板片状,因此铸件的硬度和冲击韧度最高.随着开箱时间的延长,Cr28铸铁凝固速度及冷却速度降低,组织中的共晶碳化物形貌由图1浇注后不同开箱时间Cr28铸铁的组织片状向断续状碳化物和块状碳化物转变.浇注后7h开箱(见图lc),铸铁组织中板片状碳化物减少,断续的块片状碳化物量增加;12h开箱组织主要为块状碳化物(见图1d),板条状碳化物消失,中心存在孔洞且断面为六方形状的碳化物为初析MC.型杆状碳化物,菊花状的碳化物为共晶碳化物;15h开箱(见图le),碳化物75731O3O833
13、4432357种铸造及有色合金2007年第27卷第10期长大,形成粗大的块片状,初析的杆状碳化物保持六方形断面.图2是浇注后不同时间开箱空冷的Cr28铸铁件进行1040正火+100回火热处理的组织.正火+回火热处理的组织为回火马氏体,MC3型碳化物和少量的残余奥氏体,与铸态相比,热处理后试样的组织明显细化.开箱时间较早,铸造后进行正火低温回火,初生渗碳体的形貌端面为六角形的杆状和板条状,但板条呈断续状分布(见图2a)_1.5,7h开箱的铸件正火+回火组织碳化物呈较细的板片状(见图2b,图2c).123结论h开箱空冷的铸件正火+回火组织和铸态相比,块片状碳化物形貌变化不大,出现部分板片状,15h
14、开箱的铸件正火+回火组织板条状碳化物明显细化.上述碳化物变化的原因与其热处理加热时碳化物的溶解有关,铸态板条状的碳化物由于局部溶解,形成保持原板条位相的断续的板片状碳化物,较长时间后开箱的铸件进行正火+低温回火,由于块状或粗片状的碳化物溶解,热处理后空冷形成部分板片状碳化物.由此可见,Cr28热处理后试验材料的硬度提高与组织中形成板片状碳化物有关.图2Cr28铸铁不同开箱时间空冷正火+回火热处理组织版社,2006.(1)Cr28铸铁不同开箱时间的铸态组织为马氏体,不同形状的碳化物Mc和残余奥氏体组成,随着浇注后开箱时间的延长,初生碳化物呈六角状形貌变化不大,呈板片状的碳化物由板条状向块片状过渡
15、.(2)Cr28铸铁浇注后随着凝固保温时间的延长,硬度和冲击韧度呈下降,浇注后3h开箱,试验材料具有最高的硬度和冲击韧度,硬度HRC可达58,冲击韧度ak可达4.5J/cm.(3)1040正火+100回火热处理可以提高铸态Cr28铸铁件的硬度,正火+低温回火热处理可获得的性能为:硬度HRC可达60,冲击韧度a可达2.8J/cm.参考文献1刘贞,王永庆,高建英,Cr26高铬白口铸铁的研究与生产J.现代铸铁,2006(5);2832,2郭长庆,张国庆,程军.溶剂淬火低钼Cr2OMoCu高铬铸铁锤头的研究J.铸造,2006,55(11):11331136,3黄钧声我国高铬抗磨白口铸铁磨片材料的发展J
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