1、高鉻鑄鐵（HC-Wi）與哈德菲爾德奧氏體錳鋼的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能比較 Johnson O. Agunsoye1*, Talabi S. Isaac2, Agbeleye A. Abiona1 1冶金和材料工程系，拉各斯大學(xué)，拉各斯，尼日尼亞2材料和冶金工程系，伊洛琳大學(xué)，伊洛琳，尼日尼亞郵箱: *.ng 2012.10.7日收到；2012.11.15日修訂；2012.11.27日接受 摘要 本文對(duì)高鉻白口鑄鐵（HC-Wi）合金和哈德菲爾德鋼進(jìn)行研究。使用金相光學(xué)顯微鏡（OM）對(duì)高鉻鑄鐵與哈德菲爾德鋼的顯微組織進(jìn)行對(duì)比。HC-Wi合金和哈德菲爾德鋼在鑄態(tài)和熱

2、處理后的硬度與沖擊強(qiáng)度檢測(cè)?；瑒?dòng)磨損的線性測(cè)試速度為1.18米/秒和10N正常負(fù)荷用來(lái)評(píng)估楊平的磨損性能。顯微結(jié)構(gòu)的結(jié)果表明,不同的碳水平HC-Wi合金會(huì)影響碳化鉻奧氏體的形態(tài)及其分布矩陣從而導(dǎo)致相當(dāng)大的機(jī)械性能的變化。磨損試驗(yàn)表明,HC-Wi合金有配角結(jié)果耐磨性,哈德菲爾德鋼的三倍左右。 關(guān)鍵詞：高鉻白口鑄鐵；哈德菲爾鋼；微觀結(jié)構(gòu)；磨損 1簡(jiǎn)介 羅伯特哈德菲爾爾德在1882年發(fā)明哈德菲爾德鋼時(shí)，當(dāng)時(shí)的挑戰(zhàn)是開發(fā)鋼具有兩個(gè)極端屬性。這個(gè)主意是艱難且困苦的。這種類型的鋼的基體是奧氏體具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐磨性。在各種各樣的情況下哈德菲爾德鋼是優(yōu)秀的候選材料例如：土木工程、礦山、鐵路、采石、挖掘

3、和鉆探石油/天然氣1,2。 全球經(jīng)濟(jì)的衰退加重了全球鑄造廠的壓力，尼日尼亞特別想找到一種提高工廠生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的方法，以及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)的抗磨行業(yè)；在過(guò)去的十年里，使用碳鋼球干磨機(jī)研磨與原位取代陶瓷鋼組合合成技術(shù)增加磨損部件的壽命。在這種技術(shù)中，硬陶瓷形成元素引入到鋼作為合金元素，在凝固過(guò)程中通過(guò)在基體中的形核和生長(zhǎng)將會(huì)形成以中熱力學(xué)更穩(wěn)定更強(qiáng)化的相3。最常見的一種陶瓷增強(qiáng)材料被用于鐵基合金碳化物，其中碳化鉻由于其高硬度約為1020-1835HV4，已經(jīng)證明是一種獨(dú)特的具有馬氏體的耐磨高鉻白口鑄鐵5，6。而較少的關(guān)注與哈德菲爾德鋼的研究。 一般而言，適合于耐磨應(yīng)用所要求的鉻鐵落入由鐵，鉻，碳

4、圖的三元液相表面的奧氏體相字段所限定的組成范圍之內(nèi)。凝固由共晶過(guò)程共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是（Fe，Cr）7C3的奧氏體和富鉻碳化物發(fā)生。對(duì)于高鉻白口鑄鐵Cr濃度 18 - 20（重量）（亞共晶成分），凝固開始樹枝狀初生奧氏體（）的成核，隨后+ M7C3型碳化物和其形態(tài)的形成已被許多研究者證明7。對(duì)HC-Wi合金具有奧氏體基體結(jié)構(gòu)在室溫下與鉻碳化物彌散在基體中。這種材料的耐磨性，實(shí)現(xiàn)了在表面上，當(dāng)磨料顆粒或沖擊載荷變換不穩(wěn)定的奧氏體通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)機(jī)制成馬氏體。這種奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的現(xiàn)象增加表面硬度和較低的磨損率損失。碳含量起著碳化鉻的形成和它的形態(tài)以及硬度、沖擊韌性和耐磨性有顯著作用。在這項(xiàng)研究中，碳含

5、量對(duì)微觀結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能和磨損HC-Wi和，高錳鋼的特性的影響進(jìn)行了研究和比較。 2.材料 HC-Wi和高錳鋼在在尼日利亞鍛造有限公司（NFL）生產(chǎn)，在奧塔和尼日尼表1與表2分別表示其成分組成。用500公斤中性內(nèi)襯在電熱感應(yīng)爐融化，然后從155的榮熔池中取樣然后倒入二氧化碳簡(jiǎn)易砂模（11×11×200mm）中。在獲得的成分組成規(guī)范如下表。 達(dá)到一定溫度后，根據(jù)表1取出樣品并澆注對(duì)于后續(xù)的批次，將細(xì)顆粒狀的石墨加入到碳含量分別為1.6%、2.2%、2.7%和3.3%的熔池中，在1520-1543下保溫10分鐘使石墨顆粒充分溶解。重復(fù)這個(gè)過(guò)程讓顆粒全部溶解。為了減少氧化的傾向，1

6、公斤鋁壓塊加入到熔體中。此外，根據(jù)ASTM128 C標(biāo)準(zhǔn)如表2中為高錳鋼熔煉準(zhǔn)備。總的化學(xué)成分含量如表3。表1HC-Wi原料質(zhì)量（kg）元素比例（%）CSiMnPSCr退還鋼料Fe-CrFe-SiFe-Mn石墨總和156.25223.263.805000.940.090.10-0.070.511.550.210.09-0.33-0.630.010.02-0.030.010.02-0.030.010.02-0.037.190.0017.68-24.87表2高錳鋼原料質(zhì)量（kg）元素比例（%）CSiMnPSCr退還鋼料Fe-CrFe-SiFe-Mn石墨總和187.8323

7、4.807.042.0063.404.935000.4100.0950.001-0.1400.661.300.1900.120-0.300-0.6104.7600.120-9.640-14.520.005-0.005-0.000.570-1.280-1.850表3 HC-Wi的化學(xué)成分材料CMnSiCrPSMoNiAlFeHC-Wi-1HC-Wi-2HC-Wi-3HC-Wi-4高錳鋼1.552.222.733.261.300.630.630.590.5614.520.630.620.600.600.6124.8724.6024.2023.601.850.030.030.030.030.030.

8、030.030.030.030.000.020.010.010.01-0.010.010.0150.01-0.010.010.020.020.15相當(dāng) 用希爾格直接光發(fā)射Polyvac光譜儀E980C分析校準(zhǔn)有20種渠道可分析HC-Wi與高錳鋼的化學(xué)成分組成。高錳鋼由于加工硬化難以進(jìn)行。因此，一個(gè)樣本取自哈德菲爾德鋼熔池并倒入（10.20×10.2×200）毫米預(yù)熱中碳鋼模具，以便得到所需的（10×10×50）毫米棒的進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。這種技術(shù)的目的是避免需要機(jī)器的樣品。為了研究高錳鋼熱處理對(duì)HC-Wi的性能的影響，所有的大?。?0×10×

9、;50）毫米的試樣一半固溶退火在1050進(jìn)行30分鐘的固溶退火，然后用水冷。 2.1微觀結(jié)構(gòu) 對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的研究，所有的鑄態(tài)和熱處理后的樣品從底端切割用tehrapol-31研磨。然后先用0.04微米二氧化硅的膠體懸浮液拋光，再用用Allegrol與金剛石懸浮液在金相實(shí)驗(yàn)室拋光，最后用然后在100毫升乙醇中浸洗和3ml硝酸處理。加拿大渥太華大學(xué)機(jī)械工程系用一種冶金光學(xué)顯微鏡來(lái)研究微觀結(jié)構(gòu)。 2.2力學(xué)性能 維氏顯微硬度測(cè)試樣品用的Duramin-1司特爾顯微硬度計(jì)測(cè)量。所得到的硬度值分別為5次測(cè)量的平均值。在室溫下，標(biāo)準(zhǔn)哈德菲爾德鋼和HC-Wi的試樣（10×10×50）毫米進(jìn)

10、行了簡(jiǎn)支梁缺口沖擊試驗(yàn)。為了比較HC-Wi合金和高錳鋼的耐磨性，所有樣品投在鑄態(tài)和熱處理?xiàng)l件下使用滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)的磨損機(jī)按照ASTM G99-95標(biāo)準(zhǔn)磨料磨損試驗(yàn)。所使用的圓盤是en-32鋼淬硬度62 HRC，200 mm直徑12毫米厚度具有20微米鐳表面粗糙度。用來(lái)自于斷裂沖擊試驗(yàn)橫截面10毫米×10毫米試樣，進(jìn)行磨損試驗(yàn)。對(duì)所有的樣品在法向上施加10N的力并在一張120號(hào)砂紙上磨，滑行距離超過(guò)70.8米。之前和之后的每個(gè)試驗(yàn)，將試樣小心地用丙酮清洗并使用具有0.001 g的精度的分析天平稱重。相對(duì)耐磨性是由HC-Wi合金的減少的重量與熱處理后的高錳鋼少的重量相關(guān)。 3.結(jié)果和討論

11、3.1.顯微組織分析 圖片1（a）-（d）表明了碳含量對(duì)鑄態(tài)下HC-Wi中鉻的碳化物形態(tài)與分布的影響。當(dāng)高鉻合金熔液開始凝固；鉻的碳化物在溶液中形核和生長(zhǎng)，在結(jié)晶的固態(tài) （a） （b） （c） （d）圖1 HC-Wi在鑄態(tài)條件下的光學(xué)顯微照(a)HC-Wi-1,(b)HC-Wi-2,(c)HC-Wi-3,（d）HC-Wi-4與液態(tài)溫度之間形成初級(jí)鉻的碳化物?？蓮谋?和等式1中看到。%Carbide=12.33（%C）+0.55（%Cr）-15.2=+- (1) 8 隨著在HC-Wi中碳含量的增加，鉻的碳化物的增加量與初始碳化物的改變量相當(dāng)（表4）。當(dāng)碳含量高達(dá)2.73%時(shí)鉻的碳化物有條狀變?yōu)榍?/p>

12、狀，分布也更加的均勻，再增加碳含量時(shí)，降低了碳化鉻分布的奧氏體基體中的均勻性（圖1（b）和圖1（c）。表4鑄態(tài)高鉻鑄鐵中的Cr7C3 (%)樣品HC-Wi-1HC-Wi-2HC-Wi-3HC-Wi-4體積Cr7C317.5925.7031.7737.98 (a) (b) (c) (d)圖2 熱處理后的HC-Wi組織(a)HC-Wi-1,(b)HC-Wi-2,(c)HC-Wi-3,（d）HC-Wi-4 在HC-Wi合金中由于大于20%的鉻是最一種很強(qiáng)的碳化物形成元素超過(guò)在鑄鐵與錳鋼的親和力（非常高鉻的親和力來(lái)吸收碳），鉻與鋼液的溶解碳反應(yīng)，得到的是鉻的碳化物而不是錳鐵的碳化物。 在鑄態(tài)高錳鋼中，

13、奧氏體被鋼中的連續(xù)且又脆又硬的網(wǎng)狀（Fe，Mn）3C包圍，如圖3（a）所示。解決方案是在1000-1050退火，使在奧氏體中的這些碳化物溶解，并且在水中進(jìn)行淬火以防止在晶界處形成M3C，如圖3（b）所示。 在高鉻鑄鐵中，由于鉻含量超過(guò)20%，而鉻又是最強(qiáng)的碳化物形成元素，相比于在鑄鐵與錳鋼中（鉻與碳有很強(qiáng)的親和力），鉻與鋼液的溶解碳反應(yīng)，得到的是鉻的碳化物而不是錳鐵的碳化物。相比圖3，鐵錳的碳化物在HC-Wi中幾乎不存在在奧氏體晶界上形成的連續(xù)網(wǎng)狀脆硬相組織。 （a) (b) 圖3 高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織（a）、熱處理后組織（b） 3.2力學(xué)性能 在鑄態(tài)與熱處理之后磨損試驗(yàn)之前，所有樣品的維氏硬度的

14、初步測(cè)量值示于圖4。它表明，HC-Wi合金的硬度比奧氏體高錳鋼高69%左右，因?yàn)椋哂捕鹊腃r3C7的顯微組織在高鉻鑄鐵中的所占比例較高。退火對(duì)HC-Wi的硬度幾乎沒有影響，相比于奧氏體高錳鋼。哈德菲爾德鋼含有的形式Cr3C7的較軟的奧氏體基體中的一些硬隔離晶界碳化物。這顯然可以在鑄態(tài)條件下，提高整體的硬度。圖4還表明，奧氏體基體中的HC-Wi合金的硬度是高錳鋼的兩倍以上（無(wú)論鑄態(tài)與熱處理的條件下）。在奧氏體硬度這相當(dāng)大的增加是與在鑄鐵晶格再加上二次碳化鉻的圖4 維氏顯微硬度為鑄態(tài)和熱處理后的材料析出（圖1和2）在奧氏體它加強(qiáng)了軟的基體碳與鉻元素的溶液。 圖5示出了材料的簡(jiǎn)支梁缺口沖擊韌性。高

15、錳鋼在熱處理前后，在沖擊載荷下硬度的區(qū)別是由于脆性碳化物的溶解，沿著在鑄態(tài)條件下的奧氏體晶界偏析（圖3（a）。這些脆性相，沿邊界呈現(xiàn)層狀/針狀造成壓力被內(nèi)置在基質(zhì)中，從而導(dǎo)致錯(cuò)位堆積，在高錳鋼隨后低沖擊韌性的鑄態(tài)條件裂紋萌生，擴(kuò)展和裂紋增長(zhǎng)。對(duì)于HC-Wi合金中鉻的碳化物的形態(tài)及分布都會(huì)影響材料對(duì)沖擊能量的承受力。HC-Wi-1組成的鉻的碳化物均勻分布具有最高的沖擊韌性，而HC-Wi-4具有最低的沖擊韌性。隨著碳含量的增加，鉻的碳化物在基體中的形態(tài)也發(fā)生變化。鉻的碳化物的分布影響了材料的機(jī)械性能。圖5 影響HC-Wi合金和高錳鋼的韌性圖6 HC-Wi合金和高錳鋼的失重 3.3.耐磨性 HC-W

16、i合金在鑄態(tài)和熱處理?xiàng)l件的磨損量與經(jīng)熱處理的高錳鋼耐磨性的對(duì)比如圖6。在磨磨損試驗(yàn)的主要磨損機(jī)制對(duì)材料的微切削和表面硬度耐磨性決定性的作用。因此，HC-Wi合金表示具有卓越的更高的耐磨性3倍于錳鋼。因?yàn)椋鸬膴W氏體基體中彌散的硬的碳化物相的存在具有更高的表面硬度。盡HC-Wi3相比HC-Wi4的表面硬度更低，HC-Wi3的耐磨損性比HC-Wi4更優(yōu)異（圖6）。這是因?yàn)?，在HC-Wi4的碳化物分布是不均勻（圖2（d）。因此，該硬質(zhì)第二相的碳化物的分布也影響了耐磨損性。 4.結(jié)論 （1）相比哈德菲爾德高錳鋼，高鉻的白口鑄鐵合金具有優(yōu)異的耐磨損性。因?yàn)橛层t的碳化物的顯微組織的基質(zhì)內(nèi)的分布存在高鉻的

17、白口鑄鐵合金具有優(yōu)異的耐磨損性。 (2)由于哈德菲爾德高錳鋼鉻的的碳化物的存在，使其相比于HC-Wi合金的沖擊韌性更低。 （3）HC-Wi合金的機(jī)械性能會(huì)受到硬質(zhì)第二相粒子在奧氏體的分布的影響。 （4）對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，其中磨損的機(jī)械部件的更換導(dǎo)致頻繁的工廠停工以及相關(guān)維護(hù)成本高，HC-Wi合金價(jià)格昂貴，建議使用便宜的哈德菲爾德高錳鋼。參考文獻(xiàn)1 E. Bayraktar, F. A. Khalid and C. Levaillant,變形與高錳奧氏體鋼，材料加工技術(shù)雜志，斷裂特性。 147，2號(hào)，2004，pp.145-154。2 Karaman, H. Sehitoglu, A. J. Bea

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