高铬铸铁中的碳化物研究

陈惠芬，胡静霞

(上海应用技术学院材料工程系，上海，200235)

摘  要：本文介绍了在铸态、预处理工艺以及预处理淬火工艺中锰钼高铬铸铁的组织和碳化物的形态；就预处理淬火工艺下二次碳化物的结构和成分进行了透射电镜分析；结果表明：预处理淬火工艺下，存在铬的M7C3型二次碳化物并呈弥散分布；对高铬铸铁的耐磨性产生积极的影响。

关键词：高铬铸铁；碳化物；预处理淬火

高铬铸铁作为第三代耐磨材料在采矿、冶金、电力和建材等行业中的应用日趋广泛。含钼的高铬铸铁所具有的优良的耐磨性取决于其显微组织是由高硬度的共晶M7C3型碳化物(HV=1300～1800)和连续的马氏体基体组成。但是，钼的价格昂贵，为了降低成本，人们结合不同的热处理工艺开展了以锰代钼，锰钼复合高铬铸铁的试验研究。资料表明，以锰代钼高铬铸铁通过采用预处理淬火新工艺解决了耐磨性能的降低问题。通常，碳可与铬、铁形成M7C3、M23C6、M3C三种碳化物，本文试图研究在铸态、预处理淬火工艺下，锰钼高铬铸铁中碳化物的形貌及存在类型和分布，从而就高铬铸铁的耐磨性提供理论上的指导。

1  试验方法

本研究采用生铁、废钢、铬铁、锰铁作为原材料，试样均一炉浇铸。熔炼采用150kg酸性中频感应电炉，熔炼温度1550℃，出铁温度为1500～1350℃之间。熔炼得到的高铬铸铁的化学成分为3.38%C，15.16%Cr，0.80%Si，0.040%P，0.034%S，0.71%Mo.3.34%Mn，即以大量的锰替代一定量的钼，从而形成锰钼复合。本实验选用的预处理淬火工艺(650℃/5h+950℃/0.5h、2h、8h空冷)，采用Versamet-2型金相显微镜，0900型图象分析仪，PhilipsEM420型透射电镜对高铬铸铁的组织结构进行测试和分析。

2  实验结果及分析

2.1 高铬铸铁的金相组织

经过对铸态、预处理态及预处理淬火态的高铬铸铁的金相组织进行观察，结果见表1。由图1可知高铬铸铁的铸态组织为奥氏体加共晶碳化物。碳化物的形貌呈美丽的菊花状和条块状。该高铬铸铁经过预处理后，奥氏体发生了珠光体转变，经图像分析仪测试知珠光体量为67.967%，其余32.033%为共晶碳化物和奥氏体。而经预处理淬火后，高铬铸铁的金相组织是：隐晶马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+少量的残余奥氏体。隐晶马氏体的出现主要在于淬火加热温度适中，奥氏体晶粒内碳浓度不均匀性较大，即碳含量相似的微观区域尺寸较小，淬火时马氏体形成温度的差异就大，以致每一马氏体晶体很难长大，从而形成隐晶马氏体。

图1  高铬铸铁的显微组织  400×

一定的预处理淬火加热温度下二次碳化物的尺寸则和该温度下的保温时间有关，随着保温时间的延长二次碳化物粒子略有长大，如图2所示。

在淬火温度下保温30min，二次碳化物析出量较少，显微组织不易分清。若将保温时间延长至8h，则二次碳化物粒子清晰可见。

图2  二次碳化物的析出长大  400×

2.2  高铬铸铁中的共晶碳化物

已知M7C3和M23C6型碳化物的硬度值分别是1300～1800HV、1000HV。由表1知实测共晶碳化物的硬度值是1609HV20，与M7C3型碳化物的硬度值一致。可以确定锰钼复合高铬铸铁中的碳化物为铬的M7C3型而非M23C6型。高铬铸铁中的碳是决定碳化物数量的敏感因素，当Cr=11%～26%，C=2%～4%，Mo=0～4%时，碳化物数量可以表示为：

K=12.33(%C)+0.55(%Cr)-15.20经过计算得到高铬铸铁中约有34.81%的碳化物，和经预处理后测定的碳化物量非常接近。高铬铸铁中共晶碳化物的数量越多，碳化物的硬度越高则材料的耐磨性越好。同时也说明预处理工艺条件下绝大部分的铸态奥氏体向珠光体发生转变。该转变将有助于提供众多的低锰区域，使随后的淬火工艺下残余奥氏体降低，耐磨性提高。

2.3  二次碳化物的精细结构

除了铸态高铬铸铁中已存的大量共晶M7C3型碳化物外，经过预处理淬火后的高铬铸铁，在隐晶马氏体基体上分布着大量弥散的二次碳化物。该碳化物对提高高铬铸铁的耐磨性能极其有利。经透射电镜观察及进行电子衍射分析，结果如图3所示。

图3  二次碳化物的电镜形貌

二次碳化物的形貌呈规则的多边形和近似圆滑的球形，每个碳化物粒子中有一组位向不同的细平行线，碳化物粒子尺寸约0.2～0.3μm。据资料介绍[4]：高铬铸铁中的共晶碳化物为M7C3型，其中存在若干组位向不同的平行线，它是由多组有一定位向关系的层错组成。本研究中二次碳化物内平行的细线为一组层错，且二次碳化物的层错位于(100)晶面上。和共晶碳化物的区别在于二次碳化物只有一组位向的层错而非多组。但二次碳化物粒子的尺寸比共晶碳化物要小得多。层错的存在极大地提高了碳化物粒子的硬度值。经电子衍射花样分析知碳化物为M7C3型。二次碳化物粒子相界平直，说明二次碳化物脱溶时，新旧相之间保持着结晶学位向关系，此时二次碳化物起共格强化作用。若在奥氏体化温度下，二次碳化物粒子能充分析出成为稳定相，则二次碳化物的形貌由多边形向球形转变，原有的共格关系消失，对基体的强化以弥散强化为主。对二次碳化物进行能谱分析，结果见表2。

结果表明，二次碳化物的主要成分是铁和铬，并溶有少量的钼。由于钼的碳化物常常以M2C的形式存在，因此对于以锰代钼的高铬铸铁而言，铬的M7C3型碳化物占主导地位。

在预处理淬火条件下未发现铬的M23C6型和M3C型碳化物，这说明碳化物的类型并不受预处理淬火新工艺和以锰代钼的影响而仅与高铬铸铁中的铬含量有关。

3  结论

(1)预处理淬火后所获得的显微组织是弥散分布着大量颗粒状二次碳化物的基体隐晶马氏体和M7C3型共晶碳化物及少量的残余奥氏体。

(2)预处理淬火后的二次碳化物的类型为铬的M7C3型。且碳化物内有高密度的层错存在。

(3)高铬铸铁中的碳化物类型并不受预处理淬火新工艺和以锰代钼的影响而仅与高铬铸铁中的铬含量有关。