高铬铸铁滚齿板的组织与耐磨性的研究
2022-06-09
1.引言
在新型热力发电厂的除渣系统中，碎渣机是非常重要的设备之一，而滚齿板作为其最易损零件，其维修更换给实际机组的运行带来了严重的隐患。由于碎渣机滚齿板的使用环境及特殊要求，需要提出一种耐热抗氧化，具有优良抗磨性能的材料。
高铬铸铁具有很高的硬度和优异的耐磨性，是一种很好的耐磨材料。高铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁，已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料[1]。在铁基合金（钢）中，Cr具有很好的提高耐热抗氧化和抗磨性的作用，Cr与钢中碳结合成类网络的碳化物，使合金获得耐热性能和抗磨性能；固溶于铁基体中Cr在高温时生成致密的Cr2O3氧化膜，使合金获得良好的抗氧化性能[2]。
硬度和韧性是高铬铸铁的主要力学性能指标，如何同时提高硬度和韧性，并达到最佳匹配是提高其性能的关键。提高高铬铸铁的综合性能，除了合理选择化学成分外，热处理也有非常重要的作用[3]。
本文提出了一种多元合金化的高铬铸铁材料，研究其热处理工艺及优化，以求找到最佳热处理工艺；对其硬度和冲击韧性做测试分析，并进行材料的耐磨性分析。
2.实验方法
实验材料为自制一种多元合金化的高铬铸铁，其化学成分如表1所示。
对高铬铸铁分别进行1010℃、1040℃、1070℃和1100℃的固溶处理，保温时间为40分钟，冷却方式为吹风空冷。将经过1070℃固溶处理后的高铬铸铁进行470℃、500℃、530℃和560℃的回火处理，保温时间为40分钟，冷却方式为自然空冷。测试试样经过不同温度处理后的冲击韧度和洛氏硬度，并在光学显微镜下对试样组织进行观察。对经过固溶处理和回火处理后的试样进行摩擦磨损实验，测试摩擦系数，实验采用环块式MMS-2A型微机控制摩擦磨损实验机，室温、载荷为100N、转速为60r/min、对磨时间为90min。在扫描电镜下观察试样磨损表面的形貌。
3.实验结果与分析
3.1固溶温度对材料性能的影响
（1）冲击韧性
经过不同温度的固溶处理后，材料冲击韧性如表2所示。实验结果表明，经过1070℃固溶处理后，材料冲击韧性最高，其值为7.1J·cm-2。
（2）洛氏硬度
表3为经过1010～1100温度范围固溶处理后，材料的洛氏硬度，如表所示，随着固溶温度升高，材料洛氏硬度略有降低。
3.2回火温度对材料性能的影响
（1）冲击韧性
回火温度对高铬铸铁冲击韧性影响较大，回火温度为470℃时，冲击韧性为3.8J·cm-2，温度为500℃时冲击韧性最低为3.0J·cm-2，随温度进一步升高，冲击韧性呈增大，当回火温度为560℃时，冲击韧性达到5.5J·cm-2。
（2）洛氏硬度
表5为回火温度对高铬铸铁洛氏硬度的影响情况，分析结果表明，经过不同温度的回火处理后，材料洛氏硬度60HRC左右，说明此范围的回火温度对材料的洛氏硬度影响不大。
（3）显微组织特点
图1为1070℃固溶处理+560℃回火处理后的显微组织图。由图可见，处理后的试样为典型的高铬铸铁金相组织，由马氏体基体上大量的Cr7C3化合物，M7C3型铬碳化合物具有很高的硬度，一般可达1200～1800HV，这种高硬度碳化物呈菊花状分布使得铸铁具备高硬度、高抗磨性和较好的红硬性。
3.3摩擦磨损实验结果
表6、表7分别为固溶和回火温度后材料的摩擦系数，分析结果表明，不同温度的固溶处理和回火处理后，材料摩擦系数分别在0.30和0.29上下浮动，说明固溶温度和回火温度对材料的摩擦系数影响不大。
图2为固溶处理后高铬铸铁磨损表面形貌。通过对比摩擦磨损实验前后材料的显微形貌，可以看出，高铬铸铁中的碳化物出现了严重的碎裂或者完全脱离，且摩擦磨损的表面有大块斑驳撕裂、疲劳剥落的痕迹。不同温度回火后高铬铸铁磨损形貌与固溶处理后磨损形貌相似。
碳化物的量及硬度对材料的耐磨性影响很大。高铬铸铁的磨损过程中，基体组织硬度相对较低，优先产生质量损失，进而将硬度高的碳化物暴露出来。碳化物在冲击力的作用下发生破碎，脱离基体，在磨损条件不变的情况下循环整个过程，完成材料的磨损。
在新型热力发电厂的除渣系统中，碎渣机是非常重要的设备之一，而滚齿板作为其最易损零件，其维修更换给实际机组的运行带来了严重的隐患。由于碎渣机滚齿板的使用环境及特殊要求，需要提出一种耐热抗氧化，具有优良抗磨性能的材料。
高铬铸铁具有很高的硬度和优异的耐磨性，是一种很好的耐磨材料。高铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁，已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料[1]。在铁基合金（钢）中，Cr具有很好的提高耐热抗氧化和抗磨性的作用，Cr与钢中碳结合成类网络的碳化物，使合金获得耐热性能和抗磨性能；固溶于铁基体中Cr在高温时生成致密的Cr2O3氧化膜，使合金获得良好的抗氧化性能[2]。
硬度和韧性是高铬铸铁的主要力学性能指标，如何同时提高硬度和韧性，并达到最佳匹配是提高其性能的关键。提高高铬铸铁的综合性能，除了合理选择化学成分外，热处理也有非常重要的作用[3]。
本文提出了一种多元合金化的高铬铸铁材料，研究其热处理工艺及优化，以求找到最佳热处理工艺；对其硬度和冲击韧性做测试分析，并进行材料的耐磨性分析。
2.实验方法
实验材料为自制一种多元合金化的高铬铸铁，其化学成分如表1所示。
对高铬铸铁分别进行1010℃、1040℃、1070℃和1100℃的固溶处理，保温时间为40分钟，冷却方式为吹风空冷。将经过1070℃固溶处理后的高铬铸铁进行470℃、500℃、530℃和560℃的回火处理，保温时间为40分钟，冷却方式为自然空冷。测试试样经过不同温度处理后的冲击韧度和洛氏硬度，并在光学显微镜下对试样组织进行观察。对经过固溶处理和回火处理后的试样进行摩擦磨损实验，测试摩擦系数，实验采用环块式MMS-2A型微机控制摩擦磨损实验机，室温、载荷为100N、转速为60r/min、对磨时间为90min。在扫描电镜下观察试样磨损表面的形貌。
3.实验结果与分析
3.1固溶温度对材料性能的影响
（1）冲击韧性
经过不同温度的固溶处理后，材料冲击韧性如表2所示。实验结果表明，经过1070℃固溶处理后，材料冲击韧性最高，其值为7.1J·cm-2。
（2）洛氏硬度
表3为经过1010～1100温度范围固溶处理后，材料的洛氏硬度，如表所示，随着固溶温度升高，材料洛氏硬度略有降低。
3.2回火温度对材料性能的影响
（1）冲击韧性
回火温度对高铬铸铁冲击韧性影响较大，回火温度为470℃时，冲击韧性为3.8J·cm-2，温度为500℃时冲击韧性最低为3.0J·cm-2，随温度进一步升高，冲击韧性呈增大，当回火温度为560℃时，冲击韧性达到5.5J·cm-2。
（2）洛氏硬度
表5为回火温度对高铬铸铁洛氏硬度的影响情况，分析结果表明，经过不同温度的回火处理后，材料洛氏硬度60HRC左右，说明此范围的回火温度对材料的洛氏硬度影响不大。
（3）显微组织特点
图1为1070℃固溶处理+560℃回火处理后的显微组织图。由图可见，处理后的试样为典型的高铬铸铁金相组织，由马氏体基体上大量的Cr7C3化合物，M7C3型铬碳化合物具有很高的硬度，一般可达1200～1800HV，这种高硬度碳化物呈菊花状分布使得铸铁具备高硬度、高抗磨性和较好的红硬性。
3.3摩擦磨损实验结果
表6、表7分别为固溶和回火温度后材料的摩擦系数，分析结果表明，不同温度的固溶处理和回火处理后，材料摩擦系数分别在0.30和0.29上下浮动，说明固溶温度和回火温度对材料的摩擦系数影响不大。
图2为固溶处理后高铬铸铁磨损表面形貌。通过对比摩擦磨损实验前后材料的显微形貌，可以看出，高铬铸铁中的碳化物出现了严重的碎裂或者完全脱离，且摩擦磨损的表面有大块斑驳撕裂、疲劳剥落的痕迹。不同温度回火后高铬铸铁磨损形貌与固溶处理后磨损形貌相似。
碳化物的量及硬度对材料的耐磨性影响很大。高铬铸铁的磨损过程中，基体组织硬度相对较低，优先产生质量损失，进而将硬度高的碳化物暴露出来。碳化物在冲击力的作用下发生破碎，脱离基体，在磨损条件不变的情况下循环整个过程，完成材料的磨损。