CN112126844B - 一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。其技术方案是：所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为2.5～3.0％，Cr为18～22％，Si为0.5～0.9％，Mn为2.0～2.5％，Cu为0.7～1.2％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中6.5≤Cr/C≤7.3，余量为Fe；按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后淬入水中至室温，再于60～90℃条件下人工时效2～4小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁。高铬马氏体铸铁硬度为65.2～67.2HRC，V型缺口冲击功为2.1～5J，基体组织为马氏体。本发明具有生产成本低、工艺简单、热处理温度低和热处理时间短的特点，所制备的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。

Description

一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法

技术领域

本发明属于高铬铸铁技术领域。尤其涉及一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。

背景技术

高铬铸铁是指合金中碳主要以碳化物形式存在，具有高硬度、高耐磨性能的铸铁。随着科技和社会的发展，为进一步提高高铬铸铁的硬度、耐磨性以及韧性，以适应工业技术的发展，本领域技术人员进行了大量的研究和技术开发。高铬铸铁铸态组织由奥氏体+共晶碳化物M₇C₃组成，在淬火过程中，会发生奥氏体向马氏体的转变，并伴有二次碳化物的析出，一般情况下基体组织为马氏体+残余奥氏体。

提高耐磨铸铁硬度的主要方法是提高基体的硬度，减少残留奥氏体、铁素体和贝氏体的数量。提高基体硬度的主要方法有增加C含量，进而增加马氏体的含量，增加合金碳化物的数量与硬度。减少残留奥氏体主要是提高马氏体转变量，亦即要将马氏体转变点M_s控制在室温以上。

经过淬火后获得的马氏体中的碳由于过饱和，在室温条件下，将会重新分布，进一步析出碳化物，而此过程主要发生在未经回火的马氏体中，因此经过回火的高铬铸铁不会产生时效硬化现象。现有技术都是采用淬火+回火处理的热处理工艺，回火后的高铬铸铁不再发生自然时效。

“一种高铬铸铁研磨体”(CN109930057A)专利技术，该技术按质量百分含量的化学成分是：C为2.5～2.8％、Si≤0.5％、Mn为0.15～0.25％、Mo为0～2.5％、Cr为15～20％、Al为0.01～0.8％、Ni为0.05～0.10％、Re为0.1～0.2％、P≤0.05％、S≤0.05％，余量为Fe；该技术采用淬火+回火工艺，虽获得硬度HRC≥65的耐磨铸铁，但工艺复杂、热处理成本高。

“高铬合金耐磨铸铁”(CN103849807A)专利技术，所述高铬合金耐磨铸铁主要成分为Cr，还包括如下重量百分比的组份是，C为2.6％～3.1％；Mo为1.7％～2.1％；Cu为0.7％～1.2％；Mn为0.5％～0.7％；Si为0.4％～0.9％。该技术不仅使用贵重合金元素如Mo和Cu，合金成本高，工艺复杂，淬火后硬度为60～67HRC。

“一种高铬铸铁及其生产工艺”(CN107400822A)专利技术，所述高铬铸铁各组分的质量含量是：C为1.2～3.2％，Cr为22～26％，Si为0.5～1.5％，Cu为0.5％，Mn为0.6～1.2％，Ni为0.5％，Mo为0.5％，S为0.02％，P为0.02％，YAG：Ce荧光粉0.05％，余量为Fe。该技术使用贵重合金元素如Ni、Mo和Cu，铸件在1080℃保温4～5h后，放入常温冷水中急冷并保温2～3h，并不断加入冷水循环；然后放入10％的水玻璃水溶液中于60～80℃下浸渍10～15min，浸渍过程中施加微波。该技术生产成本高，工艺复杂，铸铁硬度为65HRC、冲击韧性为1.2J/cm²。

“高铬铸铁的热处理工艺”(CN106755789A)专利技术，该技术通过随炉加热至400℃保温1-2小时，随后加热至600℃保温1～2小时，继续加热至950℃保温2～3小时，淬火处理，缓慢降温至600℃后，又继续升至950℃-980℃保温2～4小时，最后空冷至室温后进行回火处理，工艺复杂，加热时间长。

“一种高铬铸铁磨球及其热处理方法”(CN107034347A)专利技术，所述高铬铸铁磨球中铬Cr含量为11.4～27.52％，碳C含量为2.25～2.65％。该技术在600～890℃保温2～10h，加热至880～1100℃保温3～6h；冷却至150～350℃，空冷至室温进行回火处理，存在保温时间长、工艺复杂的缺点。

“一种高铬耐磨白口铸铁热处理工艺”(CN105356114A)专利技术，在1100℃进行保温，保温温度过高；“一种高铬铸铁热处理工艺”(CN107641692A)和“一种提高成品高铬铸铁硬度的热处理工艺”(CN108866295A)专利技术，同样存在热处理温度过高和保温时间过长的缺点。

综上所述，现有的高铬铸铁存在生产成本高、工艺复杂、热处理温度高和热处理时间长的技术缺陷，硬度和韧性有待提高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种生产成本低、工艺简单、热处理温度低和热处理时间短的基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法，用该方法制备的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为2.5～3.0％，Cr为18～22％，Si为0.5～0.9％，Mn为2.0～2.5％，Cu为0.7～1.2％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中6.5≤Cr/C≤7.3，余量为Fe。

按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后淬入水中至室温，再于60～90℃条件下人工时效2～4小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁。

所述高铬马氏体铸铁的硬度为65.2～67.2HRC，V型缺口冲击功为2.1～5J。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明制备过程是在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后淬入水中至室温，取出后于60～90℃条件下人工时效2～4小时，空冷至室温，不仅热处理温度低和热处理时间短，且工艺简单；另加之本发明的化学组分中未有贵重合金元素如Ni、Mo，生产成本显著降低。

本发明制备的高铬马氏体铸铁中的共晶碳化物为M₇C₃碳化物，共晶碳化物M₇C₃呈块状、断裂网状不连续的分布在基体上，对基体的割裂作用较小，能够很好的镶嵌在基体之中。因此在冲击过程中，块状、断裂网状M₇C₃碳化物可以缓解应力集中，使高铬铸铁具有高韧性。本发明的化学成分中碳和铬含量较高，将高铬马氏体铸铁的化学组分中的Cr/C限定为6.5到7.3，奥氏体区体积含量小，因而高铬铸铁经过淬火处理后基体为过饱和马氏体，制备的高铬马氏体铸铁硬度高。

本发明采用人工时效的热处理方法，能使过饱和马氏体中的碳重新分布，并进一步析出细小的二次碳化物，而其他组织不发生变化，过饱和马氏体基体中含有大量弥散分布的二次碳化物，所制备的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。

本发明将铸态高铬铸铁在900～1000℃条件下保温，然后淬入水中至室温，取出经检测：硬度为60～62.5HRC，V型缺口冲击功为1.5～2.0J；本发明将水淬后的高铬马氏体铸铁在低温条件下进行人工时效热处理，空冷后得到的高铬马氏体铸铁经检测：硬度为65.2～67.2HRC，V型缺口冲击功为2.1～5.0J。采用人工时效的热处理方法，使产品硬度HRC提高了7.5％以上，V型缺口冲击功提高了40％以上。

因此，本发明具有生产成本低、工艺简单、热处理温度低和热处理时间短的特点，所制备的高铬马氏体铸铁硬度高和韧性好。

附图说明

图1为本发明未经人工时效直接得到的一种高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图2为图1所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；

图3为图1所示高铬马氏体铸铁经人工时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图4为图3所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图；

图5为本发明未经人工时效直接得到的另一种高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图6为图5所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；

图7为图5所示高铬马氏体铸铁经人工时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；

图8为图7所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：

一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为2.5～3.0％，Cr为18～22％，Si为0.5～0.9％，Mn为2.0～2.5％，Cu为0.7～1.2％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中6.5≤Cr/C≤7.3，余量为Fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨；打磨后在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后淬入水中至室温，再于60～90℃条件下人工时效2～4小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁。

所述高铬马氏体铸铁的硬度为65.2～67.2HRC，V型缺口冲击功为2.1～5J，基体组织为马氏体。

实施例1

一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为2.8％，Cr为18.5％，Si为0.6％，Mn为2.0％，Cu为0.7％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中，Cr/C＝6.61，余量为Fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨；打磨后在900℃条件下保温2小时，然后淬入水中至室温，再于60℃条件下人工时效3小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：人工时效前的高铬马氏体铸铁硬度为61.0HRC，V型缺口冲击功为2.0J；人工时效后的高铬马氏体铸铁硬度为66.8HRC，V型缺口冲击功为4.7J，基体组织为马氏体。

实施例2

一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为2.55％，Cr为18％，Si为0.5％，Mn为2.2％，Cu为0.8％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中Cr/C＝18/2.55＝7.06，余量为Fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨；打磨后在950℃条件下保温1小时，然后淬入水中至室温，再于75℃条件下人工时效4小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：人工时效前的高铬马氏体铸铁硬度为62.5HRC，V型缺口冲击功为1.8J；人工时效后的高铬马氏体铸铁硬度为67.2HRC，V型缺口冲击功为3.5J，基体组织为马氏体。

实施例3

一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为2.89％，Cr为19％，Si为0.8％，Mn为2.3％，Cu为1.0％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中Cr/C＝19/2.89＝6.57，余量为Fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨；打磨后在1000℃条件下保温2小时，然后淬入水中至室温，再于75℃条件下人工时效2小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁，基体组织为马氏体。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：人工时效前的高铬马氏体铸铁硬度为60.0HRC，V型缺口冲击功为1.5J；人工时效后的高铬马氏体铸铁硬度为65.2HRC，V型缺口冲击功为2.1J。

实施例4

一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法。所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为3.0％，Cr为22％，Si为0.9％，Mn为2.5％，Cu为1.2％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中Cr/C＝21.9/3.0＝7.3，余量为Fe。按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨；打磨后在950℃条件下保温1小时，然后淬入水中至室温，再于90℃条件下人工时效3小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁，基体组织为马氏体。

对本实施例热处理的两个阶段得到的高铬马氏体铸铁分别进行检测：人工时效前的高铬马氏体铸铁硬度为62.0HRC，V型缺口冲击功为1.6J；人工时效后的高铬马氏体铸铁硬度为66HRC，V型缺口冲击功为5J。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式制备过程是在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后淬入水中至室温，取出后于60～90℃条件下人工时效2～4小时，空冷至室温，不仅热处理温度低和热处理时间短，且工艺简单；另加之本具体实施方式的化学组分中未有贵重合金元素如Ni、Mo，生产成本显著降低。

本具体实施方式采取先水淬再人工时效的热处理方法，先后得到的高铬马氏体铸铁如附图所示：图1为实施例1未经人工时效得到的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图2为图1所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；图3为图1所示高铬马氏体铸铁经人工时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图4为图3所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图；图5为实施例2未经人工时效得到的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图6为图5所示的高铬马氏体铸铁的扫描组织图；图7为图5所示高铬马氏体铸铁经人工时效后制得的高铬马氏体铸铁的光学组织图；图8为图7所示高铬马氏体铸铁的扫描组织图。

从图1和图5可以看出，经淬火处理后的两种高铬马氏体铸铁组织均为马氏体+M₇C₃碳化物+二次碳化物，从图2和图6可以看出两种基体组织为均马氏体，且共晶碳化物M₇C₃呈块状、断网状分布。从图3和图7可以看出，经人工时效处理后的两种高铬马氏体铸铁组织均为马氏体+M₇C₃碳化物+二次碳化物，从图4和图8可以看出基体组织均为马氏体，且共晶碳化物M₇C₃呈块状、断网状分布。对比图1与图3或对比图5与图7可以发现，经过人工时效处理后，马氏体基体中进一步析出细小的二次碳化物，而其他组织没有发生变化，人工时效后二次碳化物增多有利于提高铸铁硬度和韧性。对比图2与图4或对比图6与图8可以发现，二次碳化物弥散均匀分布在马氏体基体上，使高铬马氏体铸铁具有高硬度；块状、断裂网状M₇C₃碳化物，使高铬马氏体铸铁具有高韧性。

高铬马氏体铸铁中的共晶碳化物为M₇C₃碳化物，共晶碳化物M₇C₃呈块状、断裂网状不连续的分布在基体上，对基体的割裂作用较小，能够很好的镶嵌在基体之中。因此在冲击过程中，块状、断裂网状M₇C₃碳化物可以缓解应力集中，使高铬马氏体铸铁具有高韧性。本具体实施方式的化学成分中碳和铬含量较高，将高铬马氏体铸铁的化学组分中的Cr/C限定为6.5到7.3，奥氏体区体积含量小，因而高铬铸铁经过淬火处理后基体为过饱和马氏体，制备的高铬马氏体铸铁硬度高。

本具体实施方式采用人工时效的热处理方法，能使过饱和马氏体中的碳重新分布，并进一步析出细小的二次碳化物，而其他组织不发生变化。如图1-8所示，过饱和马氏体基体中含有大量弥散分布的二次碳化物，使制备的高铬马氏体铸铁具有高硬度和高韧性。

本具体实施方式将铸态高铬铸铁在900～1000℃条件下保温，然后淬入水中至室温，取出经检测：硬度为60～62.5HRC，V型缺口冲击功为1.5～2.0J；本具体实施方式将水淬后的高铬马氏体铸铁在低温条件下进行人工时效热处理，空冷后得到的高铬马氏体铸铁经检测：硬度为65.2～67.2HRC，V型缺口冲击功为2.1～5.0J。采用人工时效的热处理方法，使产品硬度HRC提高了7.5％以上，V型缺口冲击功提高了40％以上。

因此，本具体实施方式具有生产成本低、工艺简单、热处理温度低和热处理时间短的特点，所制备的高铬马氏体硬度高和韧性好。

Claims (1)

1.一种基于人工时效的高铬马氏体铸铁热处理方法，其特征在于：所述高铬马氏体铸铁化学成分及其质量百分含量是：C为2.5～3.0％，Cr为18～22％，Si为0.5～0.9％，Mn为2.0～2.5％，Cu为0.7～1.2％，P≤0.05％，S≤0.05％，其中6.5≤Cr/C≤7.3，余量为Fe；按照上述化学成分及其质量百分含量配料、冶炼、浇注和打磨，打磨后在900～1000℃条件下保温1～2小时，然后淬入水中至室温，再于60～90℃条件下人工时效2～4小时，空冷至室温，制得高铬马氏体铸铁；

所述高铬马氏体铸铁的基体组织为马氏体；

所述高铬马氏体铸铁的硬度为65.2～67.2HRC，V型缺口冲击功为2.1～5J。

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