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铸渗铬合金层组织特征分析
沈蜀西 刘炳 于青
李维民 徐彰德
(新疆工学院机械系，新疆乌鲁木齐
8300080)
摘
要：通过扫描电镜、能谱分析等方法，对铸铁件和铸钢件表面渗铬层的组织进行了研究。结果表明，铸铁渗铬层是由熔合层、钎焊层和烧结层三个不同组织区域构成的；而铸钢渗铬层仅由熔合层和烧结层构成。
关键词：铸渗铬合金层；显微组织；熔合层
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前言
铸渗技术是在铸件凝固过程中实现表面合金化的一种生产技术，由于具有合金化程度深，生产工艺简单、成本低廉等优点，越来越受到人们的重视。北京科技大学在灰铸铁钢锭模内表面铸渗硼，阜新矿业学院在球墨铸铁锤头表面铸渗钒和钛，华中理工大学利用超重力场条件在灰铸铁增锅表面铸渗铝和硅，均达到了提高使用寿命的目的。因为他们大都采用了合金涂层的方法，铸渗层厚度受到限制。为了提高铸渗层厚度，我们采用合金膏块代替合金涂层，将高压成形为一定厚度的合金膏块放置在需要耐磨的位置，在重力浇注下成形。所以，其铸渗层组织具有自身的特点。铸渗层的组织特点正是本文研究的主要目的。
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试验方法
铸渗剂以碳素铬铁粉为主，其它低熔点金属添加剂为辅，加人适量水玻璃粘结剂，混合均匀后，经机器高压成形为所需形状和厚度的合金膏块(以下简称膏块)。将烘干后的合金膏块放置在型腔的顶面，形腔尺寸为75×75×75mm的立方体，铸型为粘土砂干砂型。
母体材料选用HT200和T8钢，均在30kg中频感应电炉中熔炼，铸铁浇注温度控制在1320～1460℃，TS钢浇注温度控制在1530～1600℃。
铸渗铬合金层的金相组织在光学显微镜和S-2700扫描电镜上观察。铸渗铬合金的微区成分用DX-4能谱分析仪测定。
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试验结果及分析
2.1
母体材料为HT200时，铸渗铬合金层内层、中间层和外层的组织有明显差异，其金相显微组织见图1，铸渗层的碳化物类型与碳、铬量的关系见图2。
(a)铸渗内层
100×
(b)铸渗中间层 100×
(c)
铸渗外层 100×
(d)多元共析体
3000×
图1
铸铁渗铬层显微组织
图2
碳化物类型与碳、铬量的关系
2.1.1
铸渗内层组织
铸渗层内层指紧靠母体的渗层。从图1(a)中看出，该层组织中既有片状石墨，又有共晶莱氏体，还有(Fe，Cr)3C、(Fe、Cr)7C3碳化物和M+A基体。这种多相不平衡组织的形成说明在母体与青块的交接面附近，母液的热作用最强烈，依靠母液提供的热量，青块中的Cr-Fe粒和添加剂完全熔化，形成高C高Cr合金液。同时，母液在铸渗动力作用下渗人到青块中，与高C高Cr合金液进行了较为充分的液态扩散，并在扩散过程中发生了冶金反应，产生了共品莱氏体、马氏体等新相，最终形成了你中有我、我中有你。
参差不齐的多相组织特征，我们称具有这种多相组织特征的铸渗内层为熔合层。在熔合层的母液与高C高Cr合金液相互扩散过程中，少量高C高Cr合金液也扩散到熔合层外的毋液中，使靠近熔合层附近的母液中C，Cr含量增加，冷却凝固后形成马氏体+片状石墨+碳化物的组织。
正因为在熔合层中发生了冶金反应，气孔夹渣少，内在质量好，铸渗层与母体之间呈完全冶金结合。结合强度高，结合层较宽，在试验条件下。熔合层宽度约1～3mm。使用时，铸渗层不会从母体上脱落。
2.1.2
铸渗中间层组织
铸渗层中间部位的组织与铸渗内层有显著区别，该层中有较多大小不均的块状碳化物、少量呈崩裂状的Cr-Fe粒，基体为屈氏体+灰白色组织。
表1的能谱分析和显微硬度值表明，块状碳化物中Cr含羞为16%～22%，C含量也较高，硬度为1410～1850HV0.1，因此块状碳化物应为(Fe、Cr)7C3与(Fe、Cr)3C。从图l(d)的电镜照片上看出，灰白色基体是极细密的共析组织，显微硬度值较高，为423～487HV0.5，灰白色基体上Cr含量为5.33%，Si含量为5.74%左右，应是Fe-C-Si-Cr多元共析体。因该组织极细密，又可称其为屈氏体型多元共析体。为了进一步证实灰白色基体为多元共析体组织，将铸渗试样分别在350℃、450℃、550℃下回火，试验结果显示，其组织和显微硬度值均未发生变化，证实了我们对上述组织的判断。
笔者认为，形成上述组织特征的原因是在浇注结束后一段时间内，母液除渗透到熔合层中，实际上还有少量随同熔合层的金属液继续渗入到铸渗中间层的Cr-Fe粒间隙中，首先将间隙中的低熔点金属添加剂熔化，随后包围Cr-Fe粒，使较小Cr-Fe粒的表面和尖角溶解、熔化，形成少量高C高Cr合金液，并与母液添加剂发生局部扩散和互渗，在冷凝过程中，形成成分不均匀的合金奥氏体基体，然后产生共析反应，形成屈氏体和屈氏体型多元共析组织，而大的Cr-Fe粒在较强的热作用下先崩裂成碎块，然后形成大小不均的块状碳化物。该过程酷似钎焊过程，所以，我们称铸渗中间层组织为钎焊层。
2.1.3
铸渗外层组织
从图1(C)看出，铸渗外层组织中有大量未熔的Cr-Fe粒和少量即将崩裂的Cr-Fe粒，还有少量黑渣和显微孔洞，分布在灰白色的屈氏体型多元共析体基体上。这一组织特征只能说明，在铸渗过程中，传导到铸渗外层的热量相对较少，母液已无法渗人该层，较少的热量只能使低熔点金属添加剂熔化，使较小的Cr-Fe粒尖角表面部分溶解，形成少量高C高Cr合金液，它与熔化的添加剂发生短程互渗，冷凝后形成灰白色的屈氏体型多元共析体组织，将未熔的Cr-Fe粒紧紧包裹。组织中的黑渣为水玻璃粘结剂熔融、分解后未能上浮逸走而留下的。对黑渣进行能谱分析，结果表示黑渣中含有较高的Si、Na、O(44.7%Si，13.71%Na，34.24%O)，确为水玻璃分解产物SiO2和Na20聚集而成。铸渗外层的组织特点和形成过程与粉末冶金的液态烧结过程相似，故称为液态烧结层，简称烧结层。
烧结层是耐磨铸渗件的主要工作面，耐磨铸渗件使用时，最先接触磨料的就是烧结层，那么，烧结层组织能否满足磨粒磨损工况的要求呢?对烧结层测试的硬度数据表明，铸态下，烧结层硬度为50～55HRC，淬火回火后的硬度值提高到64～70HRC。生产实践证明，灰铸铁渗铬制砖机模具的使用寿命较灰铸铁提高了20倍以上!7」，这说明烧结层是非常有用的组织结构，完全可以用于抵抗低应力磨料磨损工况，经热处理后更能充分发挥烧结层组织的潜力。
综上所述，铸铁渗铬层实质上是由熔合层，钎焊层和烧结层三个不同组织区域构成的。
2.2
母体材料为T8钢时，铸钢渗铬层的组织与灰铸铁渗铬层组织有较大差异，铸钢渗络层的组织有以下几个特点：
(l)铸钢渗Cr层组织中只有熔合层和烧结层，无钎焊层，如图3(a)所示。
(2)铸钢母液与合金膏块交接处形成的熔合层与铸铁的熔合层组织完全不同，它是由边界较为平整的白带和黑带组成，在图3(a)中，靠近左边母液的白带中，Cr和Si含量均为痕量，C含量也较低。白带显微硬度值204HV0.02，为硬度较高的铁素体组织，其宽度约为16～18um。黑带在白带和烧结层之间，其宽度约为11～13um。黑带上的C：含量为10%，Si含量为0.48%，C含量较白带高，黑带硬度为414HV0.02，为较细的合金珠光体组织。图3(b)的电镜照片更清楚地显示了铸钢渗铬层中熔合层，即白带和黑带的组织特征，只是由于二次电子成象的缘故，衬度与光学显微镜的相反。所以，光镜照片h的自带在电镜照片上为黑带。而光镜照片的黑带在电镜照片上为白带。
(a)
熔合层与烧结层 100×
(b) 熔合层电镜照片 1000×
图3
铸钢渗铬层金相组织
(3)铸钢渗铬层中的绕结层组织l主要是由小块状、细杆状的(Fe、Cr)7C3与(Fe、Cr)3C碳化物和少量的Cr-Fe粒及较细的珠光体基体组成。大块Cr-Fe粒很少，未发现明显的黑渣。所以，烧结层组织与铸铁渗铬层中的烧结层组织也有较大的差别。烧结层质量也较灰铸铁的好许多。
形成上述特点的原因是钢液的熔点高，钢液浇注结束后，在钢液与合金膏块交接面较窄的范围内发生了极为短暂的冶金反应，因为Cr与C的亲合力较大，界面上Cr元素夺去了母液中的C，使其严重贫碳，熔点升高，快速结晶形成B-Fe。余下的液体(C含量略高)与部分B-Fe发生包晶反应生成A。冷至室温后，B=Fe保留下来成为碳浓度略高于饱和浓度的铁素体，A转变成P，形成了照片中典型的白带和黑带组织。白带中铁素体的显微硬度较一般铁素体高，也正是因为其碳浓度略高于饱和浓度的铁素体的缘故。黑带中珠光体含有较高的Cr和C，所以，珠光体的片间距极小，显微硬度较高，为合金珠光体类组织，或称合金屈氏体。由于白带和黑带形成过程极为短暂，它很快地将钢液与青块分隔开，使钢液无法渗入合金膏块，因而膏块只能依靠钢液的过热热量和结晶潜热进行液态烧结。由于钢液熔点高，结晶潜热较铸铁大，对青块的热作用较铸铁更强烈，膏块中的低熔点添加剂熔化、扩散以及Cr-Fe粒尖角和表面溶解、熔化、扩散均更充分。又因液态烧结温度高、时间长。水玻璃粘结剂分解产物形成黑渣绝大部分上浮逸出，烧结质量较铸铁烧结层好许多。
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结论
(1)铸铁渗铬合金层是由熔合层、钎焊层和烧结层二个不同组织区域构成的。熔合层是由片状石墨、共晶莱氏体、(Fe、Cr)7C3与(Fe、Cr)3C碳化物和M+A等多相不平衡组织组成。钎焊层组织中有较多大小不均的块状碳化物、少量崩裂状Cr-Fe粒和屈氏体+多元共析体基体。而烧结层组织却是大t未熔的Cr-Fe粒分布在多元共析体基体上。
(2)铸钢渗铬合金层仅由熔合层和烧结层构成，熔合层是由边界较为平整的铁家体带和细珠光体带共I司组成。烧结层则由小块状、细杆状的(Fe、Cr)7C3与(Fe、Cr)3C碳化物和少量Cr-Fe粒及较细的珠光体基体组成。与铸铁的熔合层和烧结层组织相比均有很大差异。
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