铸造高铬钢变质处理研究吉林工业大学（１３００２５）王树奇，崔向红，王寿珍【提要】本文采用 含Ｒｅ、Ｍｇ、Ｔｅ的复合变质剂，研究变质处理对高铬钢碳化物形态的影响及元素对变质效果的 影响。试验结果表明，变质微量元素的使高铬钢铸态组织细化，出现大量离异共晶，经高温热处理 后的网状碳化物明显断网、粒化，且均匀分布。其中急冷元素Ｔｅ的作用最显著；合金元素Ｓｉ对 碳化物形态有明显影响，硅量增加，使铸态下共晶碳化物数量增多且粗大，经变质处理及热处理后 ，共晶碳化物沿晶界断续分布，一般控制在０．８％以内。关键词高铬钢，复合变质剂，研究铸造 高铬钢适合于耐磨耐蚀工况条件下使用，但由于铸态下共晶碳化物呈网状分布脆性很大，大大限制 了其应用范围。可见，碳化物形态的改善是提高铸造铸造高铬钢性能的关键。有关采用变质处理方 法改善碳化物形态的研究，国内外学者曾试用Ｍｇ使白口铁碳化物团球化，结果铸态无效，热处理 后导致灰口的球墨铸铁，但发现１％Ｐ可使碳化团球化，但是对性能不利。日本在高铬白口铸铁中 加入０．２～０．８％Ｂ、０．７～１．５％Ｓｉ得到碳化物基本呈颗粒状分布，其ａｋ达１．２ ～１．６ｋｇｍ／ｃｍ２。８０年代以来，山东工业大学、沈阳铸造研究所、北京科技大学等单位 开始研究白口铸铁的变质处理及碳化物的形态改善。但国内对含碳量较低的高铬钢中碳化物形态的 改善研究甚少。本文采用变质处理，结合热处理大大改善了１．２％Ｃ高铬钢中碳化物形态，为提 高铸造高铬钢的强韧性提供了一种简单、易行的方法。试验方法１．熔炼及热处理用铬铁、生铁、 废钢作为原料，在５Ｋｇ中频感应电炉中采用不氧化法炼钢工艺熔炼试样，插铝脱氧后进行包内变 质处理，出炉在普通砂型中浇注。然后度样进行１１３０Ｃ，３ｈ保温炉冷或空冷处理，最后进行 显微组织观察。试样的化学成分为：Ｃｒｌｌ．８％；Ｃ１．２％；Ｓｉ０．８～１。２％；Ｓ、 Ｐ≤０．０２５％。２．变质剂的选择稀土元素和镁是强烈表面活性元素，在碳化物及金属基体中 固溶量很小，故过多Ｒｅ、Ｍｇ加入使组织中夹杂增多，导致韧性下降。Ｒｅ和Ｍｇ总加入量控制 在０．０５％，采用１＃稀土硅铁合金（含２５％Ｒｅ、４５％Ｓｉ）、４＃稀土镁硅铁合金（Ｒ ｅ１８８％、Ｍｇ８％、Ｓｉ４０％），粒度为１．５～２ｍｍ。碲是强急冷元素，既使微量也会 对铸件产生很大影响，虽然增加急冷效果，但加入量过多将会大大降低铸件韧性，加入量应控制在 ０．００２～０．００４％。试验结果与分析图１、２、３分别为０．８％Ｓｉ试样变质与未变质 铸态和热处理后的显微组织。由图可知，经变质后铸态组织明显细化，并出现离异共晶，经热处理 后网状碳化物明显断网，甚至粒化（见图２）；加急冷元素Ｔｅ后晶粒更加细化，离异共晶数量增 加，碳化物粒化效果更加理想，且均匀分布（见图３）。其中加热保温后的冷却方式对碳化物的形 态没有明显影响，只是炉冷使碳化物略为粗化，而未变质试样铸态组织为粗大的共生共晶和马氏体 ，经相同的热处理后碳化物形态未发生显著变化，依然呈网状份布（见图１）。ａ铸态ｂ热处理图 １未变质高铬钢显微组织（０．８Ｓｉ）×４００ａ铸态６热处理图２Ｒｅ、Ｍｇ变质高铬钢显微 组织（０．８Ｓｉ）×４００Ｒｅ、Ｍｇ熔点低，原子半径大，是表面活性元素和强烈成分过冷元 素，在凝固过程中通过溶质再分配而富集在初生奥氏体枝晶细化，大量致密的初生奥氏体枝晶为离 异晶形成提供了有利的凝固环境。此外，Ｒｅ、Ｍｇ在生长的共晶碳化物上活化吸附使共晶过冷度 加大和共晶凝固范围增大，也促进了离异共晶的形成。Ｔｅ为强过冷元素，熔点低，原子半径大， 熔于钢水后增大液相线斜率ｍ，减小偏析系数Ｋ，显著降低液相线温度，加大凝过冷度。由铸造凝 固原理可知，高铬钢在成分上易形成离异共晶，且随着过冷度增大，共生共晶向离异共晶转变。因 此，急冷元素Ｔｅ的加入，进一步细化晶粒，增加了离异共晶的数量。ａ铸态６热处理图３Ｒｅ、 Ｍｇ、Ｔｅ变质高铬钢显微组织（０．８Ｓｉ）×４００ａ铸态６热处理图４Ｒｅ、Ｍｇ、Ｔｅ变 质高铬钢显微组织（１．２Ｓｉ）×４００未质试样粗大的网状共生共晶在高温加热过程中非常稳 定，不易发生断网或粒化。可见，变质微量元素的加入，一方面改变了凝固过程中碳化物的生长方 式，从共生共晶变为离异共晶，离异共晶的出现为热处理过程中碳化物断网或粒化提供了方便条件 。另一方面，改变了钢中元素分布、碳化物的稳定性及碳化物粒化动力学条件，使在高温保温时变 质试样易于发生碳化物的断网或粒化，Ｔｅ、Ｒｅ、Ｍｇ等微量元素的粒化微观变质机理还待进一 步深入研究。硅含量对高铬钢变质效果有很大影响，随着硅量增加，铁－碳相图中共晶点左移，奥 氏体中碳含量降低，碳化物数量增多。经变质处理后网状共晶碳化物依然很粗大，且未出现离异共 晶（见图４ａ）。经热处理，粗大共晶碳化物粒化效果很差，仅达到断网，且仍沿原晶界分布（见 图４ｂ），并未解决晶界脆性问题。因此，对高铬钢中碳化物形态改善，应限制硅含量在０．８％ 以内。碳化物作为钢中的硬脆相，其形貌大小、分布直接影响钢的整体性能，网状碳化物的粒化及 均匀分布大大减少了对基体的割裂作用，一方面使钢的强韧性有显著提高，另一方面碳化物弥散分 布平均自由程度减小，使耐磨性也有所提高，拓宽了高铬钢的应用范围。结论１．铸造高铬钢经变 质处理及随后热处理，网状共晶碳化物明显断网、粒化，且均匀分布。未变质高铬钢经同样热处理 ，但网状碳化物依然存在。２．变质微量元素的加入使铸态组织细化，改变了碳化物的生长方式， 由共生共晶向离异共晶转变，并加速了热处理过程中碳化物的粒化进程，其中在Ｒｅ、Ｍｇ基础上 加Ｔｅ效果更加显著。３．硅对高铬钢中共晶碳化物的形态有明显影响，随着Ｓｉ量增加，共晶碳 化物变得粗大，使变质处理及热处理后碳化物粒化效果变差，且仍沿晶界分布，硅量一般控制在０ ．８％以内。铸造高铬钢变质处理研究@王树奇，崔向红，王寿珍$吉林工业大学高铬钢，复合变 质剂，研究本文采用含Ｒｅ、Ｍｇ、Ｔｅ的复合变质剂，研究变质处理对高铬钢碳化物形态的影响 及元素对变质效果的影响。试验结果表明，变质微量元素的使高铬钢铸态组织细化，出现大量离异 共晶，经高温热处理后的网状碳化物明显断网、粒化，且均匀分布。其中急冷元素Ｔｅ的作用最显 著；合金元素Ｓｉ对碳化物形态有明显影响，硅量增加，使铸态下共晶碳化物数量增多且粗大，经 变质处理及热处理后，共晶碳化物沿晶界断续分布，一般控制在０．８％以内。铬钢中碳化物形态 改善，应限制硅含量在０．８％以内。碳化物作为钢中的硬脆相，其形貌大小、分布直接影响钢的 整体性能，网状碳化物的粒化及均匀分布大大减少了对基体的割裂作用，一方面使钢的强韧性有显 著提高，另一方面碳化物弥散分布平均自由程度减小，使耐磨性也有所提高，拓宽了高铬钢的应用 范围。结论１．铸造高铬钢经变质处理及随后热处理，网状共晶碳化物明显断网、粒化，且均匀分 布。未变质高铬钢经同样热处理，但网状碳化物依然存在。２．变质微量元素的加入使铸态组织细 化，改变了碳化物的生长方式，由共生共晶向离异共晶转变，并加速了热处理过程中碳化物的粒化 进程，其中在Ｒｅ、Ｍｇ基础上加Ｔｅ效果更加显著。３．硅对高铬钢中共晶碳化物的形态有明显 影响，随着Ｓｉ量增加，共晶碳化物变得粗大，使变质处理及热处理后碳化物粒化效果变差，且仍 沿晶界分布，硅量一般控制在０．８％以内。铸造高铬钢变质处理研究@王树奇，崔向红，王寿珍 $吉林工业大学高铬钢，复合变质剂，研究本文采用含Ｒｅ、Ｍｇ、Ｔｅ的复合变质剂，研究变质 处理对高铬钢碳化物形态的影响及元素对变质效果的影响。试验结果表明，变质微量元素的使高铬 钢铸态组织细化，出现大量离异共晶，经高温热处理后的网状碳化物明显断网、粒化，且均匀分布。其中急冷元素Ｔｅ的作用最显著；合金元素Ｓｉ对碳化物形态有明显影响，硅量增加，使铸态下共晶碳化物数量增多且粗大，经变质处理及热处理后，共晶碳化物沿晶界断续分布，一般控制在０．８％以内。
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