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高铬铸铁的亚临界热处理的显微组织变化
A.E. Karantzalis, A. Lekatou, A. Kapoglou, H. Mavros, and V. Dracopoulos
（2010.6.9 出版，2011.4.16修正）
摘要：在这项研究中，我们对铬含量18.23%的高铬白口铸铁进行了一系列的亚临界热处理：在350°C和450°C这两个温度下，没有观察到析出的二次碳化物，并且整体的微观结构类似于铸态。在550°C时，与铸态值相比，硬度值略有增加，同样没有观察到二次碳化物的形成。在650℃和750℃，珠光体铁素体结构大部分已经发生转变。延长热处理阶段二次碳化物析出的一些证据表明，由于珠光碳素体的支配作用，这些不足以组织硬度的下降。在850°C，二次碳化沉析物和马氏体结构导致高硬度值。
关键词：铸铁、高铬、二次碳化物、亚临界热处理
1.导入
如今，因为其特殊的耐磨和耐腐蚀性，较高高的振动吸收能力，和良好的重负荷转移的能力能满足绝大多数的要求，所以在各方面应用之中，高铬白口铸铁都是良好的材料选择。这些特点主要与它的微观结构中各种相有关。 Tabrett 和 Sare[1]，在其广泛的调研中，指出解决所有问题的关键，就是可以控制和修改这些高铬铸铁的微观结构。特别就微观结构与耐磨性的关系而言，读者应参考Tabrett 和 Sare和 Dogan 与其 合作者的[2][3][4]的研究。
这些合金的典型铸态显微组织由初生奥氏体枝晶和奥氏体/M7C3（通常称共晶）的共晶混合物组成。Maratray和Poulalion也对高铬白口铸铁微观结构进行了详细描述[5]。
高铬白口铸铁可以进行两种主要类型的热处理：一、不稳定（或临界）热处理（以800-1100摄氏度的高温加热 1-6小时[6]），旨在不稳定的高合金奥氏体基体在冷却过程中转换为马氏体，并有二次碳化物的析出。二、亚临界热处理（以200-600摄氏度加热2-6小时）[7]，通常在不稳定处理后进行，的目的是进一步析出的二次碳化物和消除残余奥氏体相。
尽管已经进行了大量的实验工作，以阐明在不稳定的亚临界热处理过程中的微观结构变化所涉及的机制，但对于在高铬铸铁的热处理的直接应用的研究很有限。据报道[8]，在这样的热处理中，高合金亚稳奥氏体矩阵可以分解为铁素体和二次碳化物相，而主要的M7C3相几乎不受影响。
王[9]研究了16Cr-1Mo-1Cu白口铸铁在亚临界处理853 K（580℃）温度下，不同的时间下铸铁的各部分的状态。他观察到在2和10小时之间有一个急剧的硬度增加，随后的6小时中硬度平稳下降，而16小时之后时有硬度轻微的增加。这些硬度波动与不同的微观结构特征有关联。王等人[10]研究了二次碳化物的沉淀在亚临界处理15Cr-1Mo-1.5V高铬白口铸铁硬度的影响。在833 K（560℃）热处理下会导致两个硬度峰值，分别是10 h和14 h后。第一个峰值是由于马氏体相变和M23C6沉淀。第二峰与MoC，（Cr，V）2C，和M23C6碳化物有关系。
这项研究是对高铬白口铸铁的热处理广泛调查的一部分[11]，旨在阐明其对微观结构的影响，从而对这些材料性能的影响。最终目的是开发一个健全的数据库，其中包括所有可能的热处理方法，充分和准确地表达其特征，从而对于具体实践选择最佳的（微观结构，性能、成本）热处理方法。
以往的研究[12]研究的是在一个白色的铸铁的显微组织中不稳定亚临界热处理的顺序逆转（D-S和S-D）的影响。D-S的变化相对于S-D的变化硬度值较低，因为珠光体二次碳化物比热处理后马氏体二次碳化物硬度值较高。这项研究补充了合金（钼，铬，硅，和碳）添加后的热处理后的铸铁组织[13]。单一的不稳定热处理[14]决定了硬度最高所需最佳的温度值（800-1100℃之间），同时也与与二次碳化物的化学计量和形态形成有关。
karantzalis等人[15]在他们早期亚临界热处理（600℃和13小时）调研期间，观察到了强度和韧性的有意思的结合。因此，本研究的领域是进一步研究亚临界处理对微观结构的影响，以及选用高铬铸铁以降低亚临界处理与失稳处理结合的成本。
2.实验程序
这项研究选用的高铬铸铁中包含重2.35%的碳，18.23%的铬，0.46%的钼，0.61%的硅，0.62%的锰，0.0028%的磷和铁。材料是在感应炉中由熔化的原料制备的。然后在1440—1460 ℃温度条件下，用膨润土砂模具进行铸造。标本被切好后并进行亚临界热处理，以350℃，450℃，550℃，650℃，750℃，和850℃的温度各加热60分钟，120分钟，180分钟，240分钟，360分钟，480分钟，600分钟，720分钟，840分钟，960分钟，1200分钟，1080分钟，1800分钟，1920分钟，和2040分钟，然后空气中冷却。虽然温度850℃被认为是不稳定的温度，但它是被用来对比较亚临界热处理效果。
标本装载，落地和抛光之后，根据标准的金相学程序，用含有94mL的乙醇溶液，5mL盐酸和1g三硝基苯酚来进行化学腐蚀。硬度试验是由便携式硬度测试器（Equotip牌，标本测量区每平方厘米五测点）测量。然后使用光学显微镜（莱卡4000 DM型）和扫描电子显微镜（配备伦琴量子lt;布鲁克 AXsgt;能谱仪系统的蔡司 35VP型扫描电镜，以及配备牛津仪器能谱仪系统日本电子株式会社5600扫描电镜）进行微观结构的检查。使用岛津HMV仪进行显微硬度测量。
3.结果与讨论
图1显示了不同热量的硬度值处理。接下来的文章中，笔者试图将硬度与微观结构联系起来。
图1 合金的不同热处理的硬度值与时间
3.1 铸态合金
铸态合金的显微组织图2（a）。观察到大量的亚稳态奥氏体晶体被奥氏体/M7C3所围绕。这种形态与之前的实验发现相符合[16]。在共晶混合物中，能够清楚观察到一个在奥氏体/碳化物表层包裹着共晶碳化物的黑膜。这个黑膜的存在与接近原始碳化物四周的一个马氏体薄膜的形成有关[17]。这种马氏体形成的机制有以下描述[18]：
初生碳化物相的形成，为使碳和添加物合金化，使奥氏体相的局部耗尽。这样的消耗，提高了受影响奥氏体区的Ms温度，因此，后者冷却后被转变为马氏体。正如后面要说到的，这种独特的gamma;/M7C3共晶形态可能令人混淆，极有可能错误导致相变（特别是gamma;到铁素体或珠光体）。共晶区的显微硬度测量值为565plusmn;10HV0.5，该值后面将被用于比较。
图2（b）显示显微硬度在被测（共晶）区域的特征。
图2（a）合金的铸态组织：观察奥氏体晶粒随着共晶M7C3型碳化物马氏体层
周围的共晶碳化物相变化而变化。（b）共晶混合物的典型显微硬度特征。
3.2 350和450℃热处理
图3（1）和（2）显示的微观是热处理350℃时，时间分别为120分钟和1800分钟的微观结构。在铸态条件下，显微组织有或多或少的保持不变，即：大的奥氏体枝晶被奥氏体/原始M7C3共晶。用扫描电镜的进一步检验证实了这个发现。
图3 350℃下120分钟的合金的显微组织在（1）1800分钟显微组织（2），显微组织形态特征相似，包括奥氏体晶粒，共晶碳化物，和一个薄的马氏体层。
图4的（a）和（b）为450℃热处理下分别处理120分钟和1800分钟的显微组织形态。
图4 热处理温度为450℃，在120分钟后合金的显微组织结构(a),1800分钟后合金的显微组织结构(b)，观察到微观组织结构无明显变化。
图5（a）和（b）显示的是450℃热处理下合金的显微组织，时间分别是360分钟和1080分钟。既没有观察到二次碳化物析出也没有奥氏体枝晶变体。
图5 在扫描电镜下观察了合金的微观组织结构：450℃热处理温度（a）360分钟，(b)1080分钟。没有观察到显著的证据二次碳化物形成。
就硬度而言，图1显示了一般热处理状态下，铸态没有显著差异的值。可以观察到某些程度的值的波动，尤其是对于短和中等的处理时间之中。这可能归结于各种不同的对抗现象，如：
- 内应力消除能使硬度降低，特别是在热处理的早期阶段。
- 铸造中的回火程序形成马氏体。如描述铸造合金的形态，薄薄的一层马氏体相包裹共晶碳化物区。这种马氏体实际在热处理受回火条件限制。这种回火过程可以导致各种微结构的改变，如亚稳态电子形成碳化物，渗碳体的形成，回火马氏体等等。形成过程的性质和程度是时间、温度与合成参数的作用[19]。虽然马氏体回火导致硬度下降，但在第一阶段回火时，碳化物的形成可能会增加硬度的增加。此外，残余奥氏体可以通过回火释放，并随后转变为贝氏体或马氏体（在后者冷却时）。这些变化加强了硬度。强化分级淬火时，与350℃相比，扩散率在450℃时较高。随后，贝氏体或淬火马氏体或两者都形成。因此，在450℃（大于500分钟）最终导致硬度比350℃时处理高。因此，可以假定，在时间大于500分钟时的扩散过程最有可能受残余奥氏体的释放控制而不是分级淬火。值得注意的是，铸态合金中少量马氏体可能造成细微硬度值低的差异，以及450℃合金比350℃合金的硬度稍高。
因此，确切的机制用来解释硬度波动可能是相当复杂的，为了更准确必须进行更高深度目前未采用的研究，。
3.3 550℃热处理
图6（a）和（b）分别是550℃热处理下120分钟和1800分钟的显微组织图片。加工时间短（图6a），微观结构无明显改变。后者出现奥氏体和M7C3 /奥氏体共晶混合物，然而，1800分钟热处理后（图6b），微观结构有显著改变。出现大范围的奥氏体转化为铁素体。类珠光体结构同样相当多的出现。对分别以550℃热处理360分钟和1080分钟标本进一步扫描电镜观察（图7a、b），未能发现任何微量的二次碳化物沉淀。更高倍数的观察同样如此（图7c，d）。
硬度值（图1）与经过至少为短，中，和以延长处理时间铸态相比，并没有大的变化。延长处理阶段观察到的硬度略微下降略有下降，与珠光体结构形成时伴随粗化现象有关。然而，应该注意到的是，这样的形态可能不是珠光体自身性质而是不同方向的铸造材料中残留的gamma;/M7C3共晶混合物所有的。的确，显微硬度测量显示值555plusmn;15 HV0.5，这与先前测量值565plusmn;10 HV0.5差别不大
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