高铬铸铁离心铸造铸态组织分析

摘  要：对20Cr高铬铸铁离心铸造后的铸态组织进行了观察。结果表明:在离心铸造条件下，20Cr高铬铸铁的铸态组织为马氏体十M₇C₃型碳化物+残余奥氏体+M₂₃C₆型碳化物。上述组织的形成与实际冷却条件有关。

关键词：高铬铸铁，离心铸造，铸态组织

高铬白口铸铁由于具有高的硬度及耐磨性而广泛应用于冶金、机械、矿山等领域。近年来，离心铸造技术被普遍用于复合轧辊的生产与制造，满足了轧辊对表面和芯部不同性能的要求，已成为未来几年轧辊制造技术的主要发展方向。高铬铸铁的铸态组织十分复杂，这同凝固期间产生的分配效应有关，而合金元素的再分配又取决于铸造条件和冷却速度。对于高铬铸铁的静态铸造组织，已有很多的相关报道，然而关于在离心铸造条件下的组织特点却报道不多。付瑞东等结合20Cr离心铸造的实际生产条件，讨论了其铸态组织的形成过程，为制订合理的生产工艺提供参考。

1  试验材料及方法

试验所用试料取自实际生产用的复合高铬铸铁的外表面，其化学成分见表1。将试料用无齿锯切割成所需尺寸，并对铸态金相组织进行观察。

2  试验结果与讨论

法国的J.M.Smisler对离心铸造高铬铸铁的组织进行了较为详尽的研究。其结论是先共晶奥氏体未发生相变，而共晶奥氏体均转变为马氏体，沿M₇C₃型碳化物网络分布的先共晶相也完成了马氏体转变，因此离心铸造后的组织为马氏体+ M₇C₃型碳化物+残余奥氏体(约占40%～50%)。

在1150℃的平衡状态下，对于本文的高铬铸铁而言，其基体中的碳、铬平衡含量应分别为0.75%和11%，850℃时分别为0.2%和8.5%。由此可知，随温度的降低，碳及铬要向外析出，析出的碳、铬合金元素主要以碳化物的形式存在。但是实际的冷却条件都远偏离平衡态，由于铬、钼等合金元素的自扩散系数较小，同时它们又显著地降低碳在基体中的扩散速率，从而使碳及合金元素的再分配发生困难，导致大量的合金元素仍以固溶形式存在于基体中，使得过冷奥氏体基体处于过饱和状态。在随后的冷却过程中，这种过饱和奥氏体一部分发生马氏体转变，而另一部分则成为残余奥氏体。

这次试验所研究的20Cr高铬铸铁离心铸造组织与J.M.Snisler的结果有较大差异，其组织如图1所示。经分析认为是马氏体+从M₇C₃型碳化物+过饱和铁素体十M₂₃C₆型碳化物+残余奥氏体。其中残余奥氏体的含量仅为13.2%，并且存在一定数量的二次碳化物。造成上述结果差异的原因与高铬铸铁离心铸造的实际冷却条件有关。

实际的离心铸造冷却曲线如图2所示。由液态到1100℃以上的冷却时间较短，使得先共晶相和共晶相的成分都处于高的过饱和状态。由于外层的高铭铸铁受到中间层及芯部散热的影响，同时高铬铸铁本身的导热性很差，而且铸件要埋在沙中冷却，使其在高温的停留时间较长，冷却到300℃大约为70小时。上述两方面的影响有利于二次碳化物的析出，降低了过冷奥氏体的稳定性，使大部分奥氏体都发生了转变，故所测定的残余奥氏体的含量只有13.2%。

需说明的是虽然在缓冷过程中有大童二次碳化物析出，但此时的过冷奥氏体仍具有较高的相稳定性。其在冷却后的转变产物有两种可能:或为马氏体，或为铁素体+碳化物。但是此时的铁素体十碳化物还不能称为珠光体组织，因为所生成的铁素体仍具有较高的过饱和度，是一种非平衡态组织。

           图1  20Cr高铬铸铁离心铸造后的组织                图2  复合轧辊离心铸造时各层的冷却曲线

3  结束语

由上述分析可知，高铬铸铁的铸态组织十分复杂，其与冷却条件有直接的关系。只有充分认识和了解铸态组织的形成机理，才能制订出合理的铸造工艺及随后的热处理工艺。

参考资料

付瑞东，20Cr高铬铸铁离心铸造铸态组织，物理测试,2001,4