金属型铸造磨球不同保温温度组织分析

程巨强

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、冶金设备等耐磨、耐热及耐腐蚀的配件中。高铬铸铁抗磨材料的成分设计中，随着铬含量的提高，当铬含量大于12%或Cr/C＞4时会出现 (Cr,Fe)7C3M7C3型碳化物[1-3]，由于M7C3型碳化物具有高的硬度（1300~1800HV），铸铁组织中随M7C3碳化物比例的增加，铸铁的耐磨性增加。由于高铬铸铁组织中的M7C3型碳化物的硬度比M3C型碳化物的硬度高，再加之合金元素含量较高，提高了铸铁的淬透性，在实际生产中高铬铸铁铸态或经过正火低温回火处理可以获得较高的硬度和耐磨性。高铬铸铁铸态组织除了M7C3碳化物外，其基体组织主要有奥氏体及其奥氏体的转变产物，如马氏体、珠光体、贝氏体等[4，5]，组织的获得主要跟高铬铸铁的化学成分及冷却速度有关。屈氏体组织是一种细珠光体组织，屈氏体高铬铸铁耐磨材料具有良好的耐磨性，在铸态或热处理状态可获得屈氏体基体组织，广泛应用于叶片、磨球等方面[6-8]。本文研究了KmTBCr12高铬铸铁金属型铸造磨球铸态和不同温度处理磨球的组织，为KmTBCr12在磨球方面的组织分析奠定基础。

1 试验材料和方法

试验材料为KmTBCr12铸铁，化学成分为：C3.2%、Si1.2%、Mn1.0%、Cr12.5%、V0.005%。磨球的直径为ø120mm，炉料采用废钢、生铁、回炉料和中间合金；采用0.5t中频感应电炉冶炼，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，用铝终脱氧，采用炉前加入法，出炉温度为1480℃，浇注温度1400℃，浇注金属型磨球，磨球脱模后为了减小金属型铸造的应力和促使奥氏体的分解，分别进行了空冷、350℃、450℃、500℃、600℃等温处理,等温处理保温时间为4小时。金相检验试样取自于直径为120mm的高铬铸铁磨球，线切割加工成金相试样，用Neophot-30型光学显微镜（OM）和Amaray-1000B型扫描电子显微镜观察金相组织。组织观察的腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。

2 不同状态的组织分析

图1 金属型铸造空冷铸态组织

图1 是金属型铸造空冷磨球实体取样的金相组织。可以看出，金相组织为典型的亚共晶高铬白口铸铁的组织，由枝晶状的初生奥氏体的转变组织和碳化物以及少量的奥氏体组成，共晶组织呈菊花状，组织中初生奥氏体的转变产物为黑色区域，白色为碳化物及少量残余奥氏体。由于金属型冷却速度较快，金相显微镜下黑色奥氏体基体和共晶组织的形貌显示不清楚，在扫描电子显微镜下观察到奥氏体的转变产物的微观形貌为细片状，应为屈氏体组织，共晶组织为菊花状或条状分布在奥氏体转变产物之间。金属型铸造形成屈氏体组织是因为试验材料其Cr/C=3.91，研究表明[7]，对于金属型铸造，当Cr/C≤4时无论金属型铸造和砂型铸造空冷都可以获得屈氏体组织。碳化物在金相显微镜下观察为团聚状的形貌，扫描金相观察碳化物形状有条状和菊花状，条状碳化物分布在屈氏体组织的晶界（图1b），晶界形成的条状的碳化物其实是离异共晶组织，为凝固结晶时液相发生共晶转变形成碳化物和奥氏体，共晶反应形成的奥氏体会集聚在初生奥氏体上，便会在奥氏体晶界只留下条状的碳化物。菊花状的共晶组织其纵截面为集束状，由奥氏体和碳化物形成，共晶组织的横截面为菊花状形态，花芯由块状碳化物组成，高倍下观察块状碳化物为多边形，有些碳化物中心还有呈黑色的小孔或奥氏体的转变产物，这种碳化物为M7C3型碳化物[2]。高铬铸铁中M7C3型碳化物硬度最高，铸铁组织中含有这样的碳化物铸铁具有良好的抗磨性能。由于铸铁合金化较高，会增加残余奥氏体稳定性，金属型快冷后会残留一些奥氏体组织，奥氏体转变产物之间或之上的白色角状组织应为残余奥氏体组织。

图2是金属型铸造在350℃保温4h后空冷磨球的金相组织。可以看出，金相组织和铸态一样，由黑色的奥氏体转变产物和白色的碳化物及少量残余奥氏体组成，350℃保温与空冷组织相比，碳化物有集聚长大的趋势，说明350℃保温奥氏体析出碳化物。在扫描电子显微镜下观察到基体的微观形貌为细片状的组织，为细珠光体组织，即屈氏体组织。碳化物在金相显微镜下观察为片状及小块状集聚状分布，扫描金相观部分碳化物形状为集束状的片条组织，为M7C3共晶碳化物。少量的残余奥氏体呈白色分布在奥氏体基体上。

图2 350℃×4h空冷组织

图3 450℃×4h空冷组织

图4 500℃×4h空冷组织

图5 600℃×4h空冷的组织

图3 是金属型铸造450℃保温4h空冷磨球的金相组织。可以看出，光学金相组织由黑色的奥氏体转变产物和白色的M7C3碳化物及部分残余奥氏体组成，碳化物形状有菊花状和小块状分布，为共晶碳化物。奥氏体的转变组织在光学显微镜下看不清其相貌特征，在扫描电子显微镜下奥氏体的转变产物为细板条状，为屈氏体组织。金相显微镜下奥氏体组织之上的白色组织应为未发生转变的残留奥氏体组织。

图4是金属型铸造500℃保温4h空冷磨球的金相组织，500℃×4h等温处理过冷奥氏体发生转变形成屈氏体组织。从可以看出，金相组织由黑色枝晶状的奥氏体转变产物和白色的碳化物组成，金相显微镜屈氏体组织形貌看不清楚，在扫描电子显微镜可以看到屈氏体形貌，为细板条状组织。碳化物在金相显微镜下观察主要为菊花状的M7C3型共晶碳化物。

图5是金属型铸造后600℃保温4h空冷磨球的金相组织。可以看出，由黑色的奥氏体转变产物和白色的M7C3碳化物组成。在光学显微镜下白色的M7C3碳化物为集束状及菊花状分布，扫描电子显微镜下奥氏体的转变产物为粒状珠光体组织。600℃保温4h奥氏体发生分解形成粒状珠光体。

3 结论

（1）铸态KmTBCr12组织由屈氏体、不同形状的共晶碳化物组成。共晶碳化物的主要形式为M7C3型，碳化物的分布主要有板条状、小块及菊花状分布。

（2）铸造后开模冷却，350~500℃等温处理，磨球的组织均为屈氏体和碳化物组成，碳化物形貌不发生变化，600℃等温奥氏体发生分解，形成粒状珠光体和碳化物组织。

[1]胡建军，张子伦.屈氏体高铬铸铁球的生产工艺对磨球质量的影响[J].中国锰业,1999,17(4):43-45.

[2]苏应龙.高铬抗磨白口铸铁的冶金学[J].新技术新工艺,1991(5):5-7.

[3]李海鹏，梁春永，王立辉，等.铬系白口铸铁的研究进展[J].中国铸造装备与技术,2006(5):8-12.

[4]蒋亮，张云鹏，李志翔.屈氏体高铬铸铁叶片组织与性能的研究[J].热加工工艺,2008,37(7):30-32.

[6]王文才，刘根生，张泽忠，等.矿山用屈氏体高铬多元合金铸铁磨球[J].金属矿山,1994,4:43-47.

[7]乔凤岐，曹浩林，白民生.Cr13白口铸铁获得屈氏体的研究[J].内蒙古工学院学报,1989,8(1):59-68.