摘 要
本文以合金高铬铸铁（KMTBCr8）板材（5.6mm5.6mm53mm）为试验材料，进行不同热处理后不同腐蚀介质、不同ph、不同砂浆配比、不同转速下的腐蚀磨损试验。利用光学显微镜对试样进行基体组织分析、显微组织分析。研究不同热处理工艺及不同腐蚀磨损条件对KMTBCr8腐蚀磨损性能的影响，并分析不同热处理工艺及腐蚀条件下KMTBCr8腐蚀磨损的规律[1]。
研究发现，KMTBCr8的热处理工艺对其腐蚀磨损性能有影响，铸态的KMTBCr8耐腐蚀磨损性能最好；相同回火温度下，淬火热处理温度越高，KMTBCr8耐腐蚀性越差；相同淬火温度下，KMTBCr8试样低温回火的耐腐蚀磨损性能优于三次高温回火。在其他热处理工艺及腐蚀条件都相同时，中性砂浆中KMTBCr8的表面锈蚀最严重，碱性砂浆次之，酸性砂浆中KMTBCr8的锈蚀最轻。在相同腐蚀磨损条件下，高转速比低转速的失重量要多。
关键词：合金高铬铸铁；热处理；腐蚀磨损；组织形貌
Abstract
This paper, taking high chromium cast iron alloy plate (5.6mm x 5.6mm x 53mm) as experiment material, respectively in different heat treatment, different corrosive medium, different ph, different cement mortar ratio, different speed of the corrosion wear test . Using Zeiss electron modern analysis methods, the research discusses the heat treatment process and different corrosion wear conditions affect the performance of KMTBCr8
corrosion and wear, and analyze the different heat treatment process and the abrasion performance of the corrosion conditions and corrosion KMTBCr8 relationship; For the material in the actual system theoretical foundation for the safe use. The main research contents include : matrix organization analysis, the morphology and microstructure analysis.
On the basis of the successful preparation of sample heat treatment, first
of all the groups were compared before and after heat treatment. Then to study KMTBCr8 by weight-loss method in acid and alkali neutral mortar dynamic law of corrosion wear characteristics. By comparing the samples before and after corrosion wear weight difference, analyzing corrosion wear data record, a series of XY scatterplot smooth.
The study found that KMTBCr8 heat treatment process on the corrosion and wear properties of influential, the higher the heat treatment temperature, corrosion resistance, the worse, the more serious the surface rust. In the neutral mortar KMTBCr8 surface corrosion is more serious. Under the same corrosion wear time, high speed than the weightlessness rate of those low speed.
In neutral mortar, when KMTBCr8 after heat treatment, the neutral mortar corrosion resistance than the as-cast the most neutral mortar with poor
corrosion resistance. Followed by alkaline cement mortar, the poor corrosion resistance than as-cast. Finally is acidic slurry, and its poor corrosion resistance than the as-cast least. You can see that the as-cast KMTBCr8 most resistant to corrosion.
Keywords: high chromium cast iron; Heat treatment; Corrosion and wear; The rupture
目 录
摘 要 PAGEREF _Toc21099 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2铸铁概述 1
1.2.1 铸铁及其应用 1
1.2.2 铸铁的金相组织和力学性能的特点 4
1.3金属的腐蚀磨损 3
1.3.1 金属的腐蚀磨损概述 4
1.3.2 腐蚀磨损的试验方法 4
1.4 铸铁的热处理 5
1.4.1 铸铁热处理概述 5
1.4.2 消除内应力处理 6
1.4.3 石墨化退火 6
1.4.4 正火 6
1.4.5 淬火 6
1.5本课题的研究目的和主要研究内容 7
1.5.1本课题的研究目的及意义 7
1.5.2本课题的主要研究内容 7
第2章 试验材料及具体试验方法 9
2.1 KMTBCr8的成分 9
2.2 热处理实验 9
2.2.1 热处理试样的制备 9
2.2.2 热处理工艺 9
2.3 金相观察 12
2.3.1 金相试样的制备 12
2.3.2 观察及照相 12
2.4 硬度的测定 12
2.5腐蚀磨损试验 13
2.5.1腐蚀磨损试样的制备 13
2.5.2腐蚀磨损试验 13
第3章 组织与硬度分析 14
3.1 金相组织分析 14
3.1.1原始试样组织 14
3.1.2淬火+回火后组织 14
3.2 硬度值及分析 18
3.2.1 KMTBCr8不同热处理状态下的硬度值 18
3.2.2 硬度分析 19
第4章 腐蚀磨损试验结果分析 21
4.1 酸性环境对高铬铸铁腐蚀性能的影响 21
4.1.1 腐蚀磨损试验结果 22
4.1.2 宏观腐蚀形貌分析 23
4.1.3 试验结论与分析 23
4.2 碱性环境对高铬铸铁腐蚀磨损性能的影响 24
4.2.1腐蚀磨损试验结果 26
4.2.2试验结论与分析 26
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
CONTENTS
TOC \o "1-3" \h \u Abstrace(Chinese) I
Abstract(English) II
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Introduction 1
1.2 Summary of cast iron 1
1.2.1 Cast iron and its application 1
1.2.2 The characteristics of the microstructure and mechanical properties of cast iron 2
1.3 Metal corrosion and wear 3
1.3.1 The corrosion of the metal wear overview 4
1.3.2 Corrosion wear test method 4
1.4 Heat treatment of cast iron 5
1.4.1 Summary of cast iron heat treatment 5
1.4.2 Eliminate internal stress 6
1.4.3 The graphitization annealing 6
1.4.4 Normalization 6
1.4.5 Quenching 6
1.5 The research purpose of this subject and the main research content 7
1.5.1 This topic research purpose and meaning 7
1.5.2 The main research content of this project 7
Chapter 2 The test materials and the concrete testing methods 9
2.1 The composition of KMTBCr8 9
2.2 Heat treatment experiment 9
2.2.1 The preparation of sample heat treatment 9
2.2.2 Heat treatment process 9
2.3 Metallographic observation 12
2.3.1 Preparation of metallographic sample 12
2.3.2 Observation and photography 12
2.4 Determination of hardness 12
2.5 Corrosion wear test 13
2.5.1 Corrosion wear test specimen preparation 13
2.5.2 Corrosion wear test 13
Chapter 3 Analysis metallographic and hardness 14
3.1 Analysis metallographic 14
3.1.1 The original sample organization 14
3.1.2 After quenching and tempering 14
3.2 Hardness and analysis hardness 18
3.2.1 KMTBCr8 hardness value under different heat treatment states 18
3.2.2 Analysis hardness 19
Chapter 4 Corrosion wear test results analysis 21
4.1 Acidic environment impact on the corrosion performance of high chromium cast iron 21
4.1.1 Corrosion wear test results 23
4.1.2 Macroscopic corrosion morphology analysis 23
4.1.3 Test results and analysis 23
4.2 Alkaline environment effect on the properties of high chromium cast iron corrosion and wear 24
4.2.1 Corrosion wear test results 26
4.2.2 Test results and analysis 30
Conclusion 34
Acknowledgement 35
References 36
第1章 绪论
1.1 引言
高铬铸铁在现代社会的应用很广，它有高的硬度和耐磨性，但是所有的金属材料都面对腐蚀和磨损两大难题，高铬铸铁也不例外。所以对高铬铸铁进行腐蚀磨损研究有很重要的意义，本文通过研究高铬铸铁KMTBCr8不同热处理之后的耐腐蚀磨损性能来摸索最佳的热处理工艺及腐蚀磨损条件。
1.2 铸铁概述
铸铁应用很广，铸造合金的总产量75%以上是铸铁。
铸造生铁是铸铁的主要原料，铸铁的成分范围为：2.4%~4.0%C，0.6%~3.0%Si，0.2%~1.2%Mn，0.1%~1.2%P，0.08%~0.15%S。同时也可以加入其他合金元素，来获得具有各种性能的合金铸铁[2]。
1.2.1 铸铁及其应用
铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁，分类依据是碳在铸铁中的存在形态不同。灰口铸铁又可以分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁，其分类依据是铸铁中石墨的形态不同。以下是各种铸铁的简单介绍。
白口铸铁
白口铸铁的简介见表1-1。
表1-1白口铸铁简介
普通白口铸铁化学成分2.8%~3.6%C,0.5%~1.3%Si，0.4%~0.9%Mn
它在白口铸铁中被认为是第一代组织形态
金相组织为珠光体+莱氏体，碳绝大部分以碳化物的形式存在于铸铁中，除少量溶于铁素体，断口呈银白色特点
硬，脆，不易加工。可以加入铬、钼、等元素提高其韧性及耐磨性。应用
农具，球磨机的衬板和球磨，抛丸机的叶片以及磨煤机的磨损件、轧辊和矿车车轮等（2）麻口铸铁。
麻口铸铁具有白口和灰口的混合组织，断口呈灰、白交错。其金相组织为珠光体+铁素体+石墨+渗碳体。这种铸铁性能不好，几乎不用。
（3）灰铸铁
灰铸铁的简介如表1-2所示：
表1-2灰铸铁简介
一般灰铸铁的化学成分2.8%~3.6%C，1.2%~3.0%Si，0.4%~1.2% Mn，P含量≤0.3%，S含量≤0.15%
组织形貌碳主要以石墨的形式存在，石墨呈片状形式存在于基体组织中，金相组织为珠光体+片状石墨，断口呈暗灰色。特点灰铸铁是应用最广泛的铸造材料应用大量的应用于各种机械零件
（4）可锻铸铁
可锻铸铁其实是不可锻的，因其具有较高的塑性和韧性才称为可锻铸铁。可锻铸铁的简介如表1-3所示：
表1-3可锻铸铁简介
一般可锻铸铁的化学成分2.2%~2.8%C，0.7%~1.4% Si，0.5%~0.7% Mn，P含量≤0.3%，S含量≤0.15%。组织形态金相组织为珠光体+铁素体+絮状石墨，断口中心呈暗灰色，表层呈灰白色。特点珠光体可锻铸铁的强度高，韧性好，耐磨性好，铁素体可锻铸铁具有较高的强度和韧性，生产过程铸成全白口铸件+石墨化退火处理。应用汽车拖拉机的后桥外壳、转向机构、曲轴、凸轮轴、连杆及齿轮等（5）蠕墨铸铁 经蠕化处理和孕育处理再浇注，简介如表1-4所示：
表1-4蠕墨铸铁简介
一般蠕墨铸铁的化学成分3.4%~3.8%C，2.4%~2.8%Si，0.5%~0.8% Mn，P含量≤0.08%，S含量≤0.06%。组织形貌碳主要以石墨的形态存在于铸铁中，断口呈银白色特点强度高，致密性好，耐急冷急热性能好应用可用来代替孕育铸铁件、发动机汽缸盖、排气管、钢锭模等零件。（6）球墨铸铁
铁液在浇注之前，经球化处理和孕育处理，球墨铸铁简介如表1-5所示： 表1-5球墨铸铁简介
一般球墨铸铁的化学成分3.4%~4.0%C，2.4%~2.8%Si，0.2%~0.8% Mn，P含量≤0.06%，S含量≤0.06%。组织形貌碳主要以球状石墨的形态存在，断口呈银白色。特点基体强度的利用率高，抗拉强度高，甚至高于钢。应用柴油机、连杆、农机、农具等零件。1.2.2 铸铁的金相组织和力学性能的特点
从上面几种对铸铁的介绍可知，它们的金相组织是各有特点的，因而导致了力学性能上的很大差别。它们都是铸铁，但是力学性能的变化非常大，而且从灰铸铁到可锻铸铁及球墨铸铁间发生了质的改变，强度由原来的100MPa变为1200MPa，伸长率和冲击韧度由原来的几乎为零到有一定的数值，它们的化学成分是不同的：铸造时冷却速度的影响；炉前处理方法的差异；热处理制度的区别等。
从以上对铸铁金相组织特点的分析，可以看出：
（1）铸铁中的碳有石墨和渗碳体两种形式存在，这还需要认真研读铁碳双重相图；
（2）铸铁的金属基体都是由铁素体、珠光体、铁素体加珠光体组成的，但由于铸铁中石墨形态、多少（大小）、分布不同，所以在铸铁的强度比钢低得多，尤其是灰铸铁时，铸铁的强度变化范围又可以很大。因此在研究铸铁时，应该对铸铁中石墨的形态和石墨组织的形成规律以及各项工艺因素对形成石墨的影响等给以充分的注意。
1.3 金属的腐蚀磨损
1.3.1 金属的腐蚀磨损概述
腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象称为腐蚀磨损。我国腐蚀磨损的定义是腐蚀介质中出现的材料冲蚀。根据磨损过程中磨粒与接触工件表面的数目,磨粒磨损有二体和三体之分。当磨粒仅与一个工件表面接触,同时造成工件表面磨损和磨粒自身磨损破碎,称为二体磨粒磨损。三体磨粒磨损是指磨粒同时与两个被磨表面接触并使两表面磨损,磨粒自身也发生磨损[3]。
2.2.1冲蚀磨损定义及分类
冲蚀磨损是指单相或多相流体以一定的速度和角度流经材料表面,对表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损还可定义为固体表面和流体多组元之间相互机械作用或者受液体或固体粒子冲击的机械作用所造成的材料损耗过程。冲蚀磨损作为现代工业生产中常见的磨损形式之一,是机器设备、零部件损坏报废的重要原因。根据颗粒及携带介质的不同,冲蚀磨损可分为:气固冲蚀磨损、泥装冲蚀磨损、液滴冲蚀和空泡腐蚀等。根据流动介质和第二相的不同组合,冲蚀磨损分为以下四种类型。
表1-6冲蚀磨损分类实例
冲蚀类别携带介质第二相冲蚀磨损实例气固冲蚀
气体
固体粒子锅炉管道、抛丸机叶片、喷砂机喷嘴液滴冲蚀液滴蒸汽透平机叶片、水轮机叶片泥浆冲蚀
液体固体粒子水轮机叶片、泥浆泵、煤浆泵叶轮等过流部件空泡腐蚀气泡水轮机叶片、高压阀门密封面、泵过流部件2.2.1腐蚀磨损机理
腐蚀磨损是指摩擦副表面在相对滑动过程中,表面材料与周围介质发生化学或电化学反应从而被腐蚀,并伴随机械作用而引起的材料流失现象。按腐蚀机理可以分为两类:
(1)化学腐蚀磨损
材料与周围非电 解 质 之间 发 生 的 单 纯 化 学 作用 而 引 起 的腐 蚀 损 伤 称为 化 学 腐 蚀。其反 应 实 质 为 周 围 非 电 解 质 中 的 氧 化 剂 与 材 料 表 面 金 属 原 子 发生 反 应 , 氧 化 还 原 的 产物 即 腐 蚀 产物 覆 盖 在 材 料 表 面 , 当 覆 盖 在 材 料表 面 的 腐蚀 产 物较 致 密 时 ,会 减 缓 进 一步 的 腐 蚀 ,化学腐蚀反应过程中不伴随电流产生[4]。腐蚀磨损中常见的氧化磨损,就是化学腐蚀与机械作用同 时存在 ,其实质是材料表面与周围气 体介质间发生化学反应,生成单分子层的氧化膜,膜的厚度逐渐增加,增加的速度随时间 以指数规律减小,当形成的氧化膜被磨掉以后,很快形成新的氧化膜,可见氧化磨损是由氧 化和机械磨损两个作用相继进行的过程[5]。
(2)电化学腐蚀磨损
由于腐蚀电池的作用,金属和电解质接触时产生的金属腐蚀现象称为电化学腐蚀。 其特点在于: 电化学腐蚀可分为两个过程,为阳极(发生氧化反应)过程和 阴极(发生还原反应)过程,这两个过程是相对独立并同时进行的;其特征为受到腐蚀的区域是金属表面的阳极,腐蚀产物常常出现于阳极与阴极之间, 并且不能覆盖被蚀区域 , 难以形成致密的
保护膜,对金属起不到保护作用[6]。电化学腐蚀过程中有电流产生,这是其与化学腐蚀的显著区别。
按腐蚀形态分类可以分为三种[7] (1)全面腐蚀或均匀腐蚀;(2)局部腐蚀包括电偶腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、剥蚀、丝状腐蚀、选择性腐蚀;(3)应力作用下的腐蚀,包括磨损腐蚀、应力腐蚀断裂(SCC)、腐蚀疲劳、氢脆和氢致开裂、空泡腐蚀、微振腐蚀。
在腐蚀磨损体系中,按照材料的腐蚀产物被机械或腐蚀去除的特点又可以 将腐蚀磨损分为两种: 一种为金属材料在腐蚀介质作用下,腐蚀产物均匀附着 在金属表面,形成保护膜,阻碍腐蚀的进一步进行,但是由于磨料磨损作用,腐 蚀膜层被局部去除,膜层下新鲜金属表面又受到腐蚀作用重新形成新的腐蚀 产物,随即被磨料或硬质点的机械作用局部去除,如此反复进行,腐蚀速度比 腐蚀膜的覆盖速度快得多,因此腐蚀严重,此磨损称为均匀腐蚀条件下腐蚀磨 损[8]。第二种,在多相材料中,由于不同相的电极电位不同,较易形成腐蚀微 电池,产生相间腐蚀;尤其是含有碳化物的金属材料,由于碳化物与基体之间 存在较大的电位差,相间腐蚀严重,极大的削弱碳化物与基体之间的结合力, 同时磨料或硬质点对金属表面的磨损作用使得碳化物很容易折断或从基体剥 落,这称为相界面腐蚀模型[9]。
高铬铸铁的基体组织
材料所具有何种力学性能很大程度上取决于高铬铸铁基体组织的类型，也会随着组织类型的改变而变化，铸态的高铬铸铁基体组织主要是奥氏体的转变产物，经高温淬火+回火得到的基体组织只要是回火马氏体和残余奥氏体，此时马氏体的存在材料的硬度值较高，并且拥有较好的耐磨性。另外以奥氏体为主的基体组织，硬度值不是很高，但是其韧性较好，因此基体组织的类型很大程度上决定了材料的磨损行为的类型。高铬铸铁中添加的 C、Cr、Ni、Mo、Si等元素，在凝固过程中大部分都是进入奥氏体中，达到共晶转变温度点时，一部分的合金元素从奥氏体中析出，进入共晶碳化物。还有一部分继续存在于奥氏体组织中，增加奥氏体的稳定性，为形成铸态奥氏体基体组织提供了良好的准备条件。如果铬含量较大，铬碳比也到一定程度时，凝固冷却就能够获得以奥氏体为主的铸态奥氏体基体。此时以奥氏体为主的高铬铸铁虽然硬度值不高，但是拥有着较强的冲击韧性。 将高铬铸铁加热到一定温度保温一段时间，使得材料中的各种合金元素与碳化物固溶于奥氏体中，使得奥氏体稳定性减弱，然后经过淬火处理奥氏体会大量转变成为马氏体，得到以马氏体为主的高铬铸铁基体具有很高的硬度和优良的耐磨性和强韧性，是非常好的耐磨材料。究竟选择什么样类型的组织作为抗磨材料的基体组织，才能够更好的发挥其良好的抗磨性能，很多研究者对其观点都不一样，选择马氏体为主的硬相基体组织，具有良好和硬度，选择奥氏体为主的软相基体组织，具有良好的韧性，但是耐磨性能是跟硬度和韧性都有关联的，所以在业生产与应用中，应根据材料所处不同磨损条件选择合适的热处理工艺，得到拥有合适力学性能的金属材料基体组织，以达到耐磨目的[10]。
1.4 铸铁的热处理
1.4.1 铸铁热处理概述
1.4 高铬铸铁概况
高铬铸铁的定义就是含铬量在 12%~28%之间的普通白口铸铁，其铸态组织
主要是由(Cr,Fe)7C3型碳化物和奥氏体或其转变产物所组成。由于Cr的存在，能够进入碳化物形成特殊的具有优异性能的碳化物，与普通铸铁相比较，高铬铸铁具有更高的硬度和耐磨性，更好的淬透性和淬硬性，以及抗高温氧化和抗热疲劳剥落能力。正因为其具有的如此优异的力学性能，是一种广泛应用在矿山、工厂、电力、建筑等工业部门的耐磨材料。但缺点是，由于铸态的马氏体组织以及存在高硬度的 M7C3型碳化物使得高铬铸铁硬度很高，但是高铬铸铁的脆性大，塑性比较差，在强冲击应力时材料容易发生破损和断裂，因此为了能够很好解决高铬铸铁韧性差，减少使用过程的断裂的问题，国内外研究者从事了一系列的研究[11]。
1.4.1 高铬铸铁中的合金元素
碳是高铬铸铁中非常主要的元素，含碳量越高，碳化物越多，硬度值跟耐磨性能越好，但是过高的含碳量会使铸铁的冲击韧性降低。碳在高铬铸铁中主要以碳化物的形式存在，初析碳化物和共晶碳化物的形貌有着很大的差异，有的是连续的网状，也有孤立的块状和点状，但是都有着很强的硬度和耐磨性，存在形式要和 Cr 有着一定量的配合，合适的 Cr/C 比，能够得到性能非常优异的高铬铸铁材料[12]。铬跟碳一样，是高铬铸铁中最基本的另外一种合金元素，Cr 的存在形式主要是跟 C 能够形成特殊的碳化物，碳化物的形态有很多种，其性能也会随之变化。当高铬铸铁中铬含量大于 12%时，碳化物的形态从(Fe,Cr)3C 转变成(Fe,Cr)7C3，硬度也会增加很多，并且
(Fe,Cr)7C3型碳化物大多数都是呈连续的网状分布在基体上，因此它对基体的割裂作用很小，能够很好的镶嵌在基体之中，从而增强了高铬铸铁的强韧性以及耐磨性。铬含量对高铬铸铁凝固时候的共晶温度也会产生影响，铬含量增加也会提高铸铁的共晶温度，从而细化共晶碳化物，性能会进一步提高。实际生产应用中，由于 Cr 和 C 相互依存的存在形式，所以要严格合理的搭配两者的比例含量，以得到具有高强度、高硬度、良好韧性以及耐磨性的能
够应用于不同工况的高铬铸铁耐磨材料，但是对于高铬铸铁淬透性方面，铬并不能起到十分重要的作用，因此一般生产高铬铸铁时要加入其它一些有用的合金元素
[13]。
硅元素对高铬铸铁凝固时发生的共晶转变有着重大的影响，随着硅含量的增加会使得 Fe-C 相图中共晶点左移，碳化物相区变大，从而使奥氏体中的碳含量降低，析出的共晶碳化物含量增加。再者，硅能缩小共晶反应温度的范围，从而使固液两相共存区变小，使得共晶碳化物细小，弥散分布与奥氏体组织中，同时还可以使得奥氏体枝晶细化，硅溶于奥氏体会对奥氏体组织产生固溶强化的作用，增强奥氏体的稳定性。不同的实验研究都表明：相同元素添加量，相同热处理工艺下，不同冷却速率过程中，
适当增加硅含量，能提高材料的宏观硬度。 钼在高铬铸铁中存在方式有很多种，其中之一是钼元素能够取代 Cr 进入碳化物中，拥有这种碳化物形式的高铬铸铁，其耐磨性能以及强韧性都会得到一定程度的增强。再者钼元素以置换铬原子的方式固溶于奥氏体及其转变产物之中，推迟奥氏体的珠光体转变，使高铬铸铁的凝固组织获得更多的残留奥氏体，增强了奥氏体的稳定性，使得高铬铸铁的连续冷却转变曲线右移，亚临界热处理过程中有明显的二次硬化现象，从而有效的提高了基体材料的淬透性。由于 Mo 是强碳化物形成元素，与碳原子结合形成钼碳化合物，因此阻碍了碳原子在凝固冷却时，碳从奥氏体向液相扩散，使奥氏体中的碳含量变高，导致奥氏体的 Ms 点降低，CCT 曲线右移，使得铸态组织获得更多的残留奥氏体。使材料的韧性得以增强。 镍元素不溶于碳化物，而是全部溶于基体组织，能够扩大奥氏体相区，是稳定奥氏体的主要合金元素。因此在高铬铸铁中，随着镍含量的提高，Ms 点降低，CCT 曲线右移，是一种奥氏体强稳定型的合金元素。镍的添加含量对高铬铸铁的影响非常大，当含镍量约为 1%左右，能够很好的提高高铬铸铁的耐磨性，低于此值时，镍的提高淬透性作用能力不够，而高于此值时，残余奥氏体的含量会随之增多，导致材料硬度值下降。镍还可以与其他合金元素搭配使用，同样能够达到预期的目的[14]。 锰并不是跟其它合金元素一样能够直接影响高铬铸铁中的碳化物形态和数量，但是锰元素是强奥氏体形成元素，能够迅速溶于材料的基体，提高高铬铸铁的淬透性，同时少量的锰固溶在碳化物中，可以适当地提高其硬度。锰含量较高时，锰元素能够很好地稳定奥氏体，扩大奥氏体形成区域，从而导致组织中残余奥氏体量增加，马氏体量相对减少，因此使得淬火后材料的硬度降低。然而过量的 Mn溶于碳化物中使碳化物变得更脆，基体组织硬度也不够，在强冲击载荷在很容易产生裂纹，以至于在磨损过程中，容易磨损破裂甚至折断，所以锰在高铬铸铁的使用最好控制在 1.0%以下[15]。钒可以稳定高铬铸铁中的碳化物，能够促进碳化物形成和析出。钒和碳能够形成各种类型的碳化物，形成初析碳化物能够增强材料的硬度与耐磨，从奥氏体热处理可以改变铸铁的组织，并改善其性能。除可锻铸铁石墨化退火外，其余热处理不改变石墨的数量、形态、尺寸。所以，只能改变其基体来改善铸铁的性能，且应该选择石墨对性能影响不大的铸铁，才可以有较明显的效果。中析出的细小弥散分布的二次碳化物之后，使得奥氏体碳和合金元素含量降低，扩大马氏体体存在区域，促进奥氏体转变为马氏体。钛的金属性很强并且不稳定，很容易与 C 等非金属元素结合，高温下形成的 TiC 不仅可以阻碍碳化物从奥氏体中的析出，导致奥氏体中碳元素增多，TiC进入奥氏体之后，在奥氏体形成过程中变成晶核，抑制奥氏体晶枝生长。随着含钛量的增加，冲击韧性是随之增加，但是铸铁的硬度值却是先增加后减小的[16]。
铸铁热处理一般有以下三种类型：
去应力退火；
消除白口退火；
改善力学性能。
1.4.2 消除内应力处理
所有铸件中都存在内应力，内应力可能导致铸件变形或开裂，要求尺寸稳定的铸件需要消除残余内应力。
消除内应力可以采用自然时效处理、消除内应力退火或振动时效处理。自然时效处理是把铸件放置于露天，历经寒暑，使铸件内应力缓慢消除。消除铸铁件内应力退火规范是：铸件缓慢加热到弹塑性转变温度以上，保温一定时间后缓冷。振动时效是将振动块固定于铸件，调整振动源使激振块产生于铸件固有频率相同的振动频率，从而产生共振。铸件金属晶格不断吸收振动能量，并通过矫正晶格畸变等方式使铸件内应力释放出来。
1.4.3石墨化退火
主要目的是消除组织中的渗碳体和一部分晶间碳化物，降低铸件硬度，便于机械加工；消除脆性，提高铸件使用的安全性。铸件首先加热到900~950℃奥氏体化温度，保温后缓慢冷却。为了最终获得铁素体基体，铸铁件需要在稍低于Ac1温度保温，使共析渗碳体分解，这一过程即低温石墨退火。
1.4.4 正火
铸铁件在奥氏体化温度保温后在空气中冷却，使铸态奥氏体成分均匀化，共晶渗碳体分解，减少先共析渗碳体析出量，增加珠光体量并使之细化。单纯为了使基体珠光体化，正火温度应选910~930℃。如果同时要消除渗碳体，则加热温度需提高到960~980℃。为了防止空冷时二次渗碳体呈网状析出，高温保温后炉冷至稍高于上临街温度，在此温度下再保温0.5h后出炉空冷。
1.4.5淬火
铸铁件淬火要在高温下快速冷却，产生的热应力在石墨片体尖端有集中效应，容易使铸件开裂。另外，在淬火温度下，渗碳体分解和石墨溶入都会使奥氏体含碳量增加。因此，铸铁基体组织的硬化相当于高碳钢淬火，生成高碳马氏体并有较多的残留奥氏体。淬火后铸件硬度与奥氏体碳含量有关，过高或过低都会使淬火硬度偏低。 铸铁中的石墨使材料的导热性降低，淬透性下降。石墨数量越多，对导热性的影响越明显，淬透性越差。
根据以上特点，铸铁淬火时应该采用比钢淬火较为缓和的冷却速率，避免发生过高的热应力和相变应力。为了弥补淬透性不足所造成的困难，需要淬火硬化的铸铁件都应含有一些能够提高材料淬透性的元素，并且适当降低其碳当量。灰铸铁淬火加热温度选在共析转变上临界温度以上25℃~40℃，使奥氏体获得合适的碳含量并消除大部分可能存在的铁素体。一般灰铸铁淬火温度可选860~880℃，硬度最高可达HRC60~62。合金铸铁件淬火时应考虑合金元素对共析转变临界点的影响。
淬火后应及时回火，对于耐磨性和硬度要求高的铸铁件，可在200~250℃回火，强韧性要求较高的灰铸铁或球墨铸铁件可采用中高温回火。为避免回火脆性，中温回火温度应选择350~450℃，来获得奥氏体基体+回火屈氏体，硬度为HRC42~46。高
温回火温度应选550~600℃，回火后得到回火索氏体基体，硬度范围为HB215~330。
1.5本课题的研究目的和主要研究内容
1.5.1 本课题的研究目的及意义
通过实验深入了解KMTBCr8经过不同热处理及腐蚀条件之后的微观组织形态，并研究各种组织在不同条件下的的腐蚀磨损性能及磨损机理，从而摸索出热处理工艺与腐蚀条件的合理配合，提高其腐蚀磨损性能，充分发挥材料的潜能。
1.6.2 本课题的主要内容
对KMTBCr8原材料进行线切割，得到所需尺寸试样；
确定KMTBCr8的不同热处理工艺，并进行热处理；
对不同热处理工艺下的KMTBCr8进行金相观察并分析；
4. 对不同热处理工艺下的KMTBCr8进行硬度分析；
5. 对不同热处理工艺下的KMTBCr8进行不同腐蚀磨损条件下的腐蚀磨损试验，并测得试验前后KMTBCr8的重量并计算失重率；
6. 整理试验数据，分析KMTBCr8的失重率与热处理及腐蚀磨损条件的关系。
第2章 试验材料及具体试验方法
2.1 KMTBCr8铸铁的成分
KMTBCr8是一种合金高铬铸铁，其主要成分有：碳、硅、锰、铬、钼、镍、铜、硫、磷等，还有少量其他元素。此牌号的各元素化学成分见表2-1。
表2-1 KMTBCr8的化学成分（%）
CSiMnPSCrMoNiCu2.1-3.21.5-2.22.0≤0.10≤0.067.0-11.01.51.01.22.2 热处理实验
2.2.1 热处理试样的制备
实验所用KMTBCr8材料是根据表2-1的成分浇铸的合金高铬铸铁。
将铸造后的KMTBCr8利用MH-7720型电火花线切割机切割成
5.6mm5.6mm53mm试样若干。
2.2.2 淬火工艺
KMTBCr8的组织是莱氏体，所以冲击韧性和塑性极差。可见，如果选择合适的热处理工艺，就能获得一系列不同组织和性能的铁碳合金材料。
（1）淬火温度的确定
灰铸铁淬火加热温度选在共析转变上临界温度以上25℃~40℃，使奥氏体获得合适的碳含量并消除大部分可能存在的铁素体。一般灰铸铁淬火温度可选860~880℃，硬度最高可达HRC60~62。合金铸铁件淬火时应考虑合金元素对共析转变临界点的影响，KMTBCr8是高合金铸铁，淬火温度应更高一些，范围在900℃~1050℃之间。本试验选择3个淬火温度，分别为900℃,980℃和1050℃。
（2）淬火保温时间的确定
保温时间一般由试验确定，但也有个经验公式：
τ=αKD （2-1）
τ——保温时间（min）
α——加热系数（min/mm）
K——装炉修正系数
D——工件的有效厚度（mm）
加热系数表示工件单位有效厚度所需的加热时间，铸铁若在800~1050℃的箱式炉中加热，可取=1~1.5；若在盐浴炉中加热，要取=0.3~0.5。装炉修正系数K根据装炉量的多少确定，装炉量大时，K值取得较大，一般由经验确定[17]。
工件有效厚度的计算原则是：薄板工件的厚度即为其有效厚度；长的圆棒料直径为其有效厚度；正方体工件的边长为其有效厚度；长方体工件的高和宽小者为其有效厚度；带锥度的圆柱体工件的有效厚度是距小端2L/3（L为工件的长度）处的直径；带有通孔的工件，其壁厚为有效厚度。一般情况下，碳钢可以按工件有效厚度
25mm/h来计算，合金钢及铸铁可以按工件的有效厚度20mm/h来计算保温时间。 根据以上资料，确定淬火保温时间为30min。
（3）淬火介质的确定
KMTBCr8本身含有大量合金元素，故其淬透性很高，虽然油淬可增加奥氏体的稳定性[18]，但是因为工件小而薄，所以可直接水淬。
（4）回火温度的确定
KMTBCr8采用低温回火时，在180~250℃范围内，选取200℃。采用高温回火时，可选取560℃三次高温回火。
（5）回火保温时间的确定
根据《热处理手册》查得，低温回火保温时间大约为1~1.5h，取保温时间1h，高温回火每次保温时间2h。
综上所述，制定出以下5种热处理工艺如表2-2所示
表2-2 KMTBCr8热处理工艺
试验组数淬火温度/℃淬火保温时间/h淬火冷却方式回火温度/℃回火次数回火保温时间/h回火冷却方式19000.5空冷20011空冷29000.5水冷20011空冷39800.5水冷20011空冷410500.5水冷20011空冷510500.5水冷56032空冷
2.3 金相观察
2.3.1 金相试样的制备
金相试样截取的原则：选择有代表性的金相试样是金相研究的第一步，不重视取样的重要性常常会影响试验结果的成败。金相试样的制备方法包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序[19]。选取经过热处理后的四组试样每组取一个及一个原试样进行金相制备，试样规则不需要镶嵌，可以直接用手来磨制。
具体磨制过程为：依次用800、1000、1200的耐水砂纸对试样进行磨制，每次换另一个粒度号的砂纸时将试样转90度，使得相邻两次磨痕垂直；然后依次用1、2、3、4、5、6号金相砂纸进行磨制，用金相砂纸磨制时必须朝一个方向磨制，相邻两号砂纸的磨痕也要保持垂直，直到磨制面光亮且无明显的划痕时可用抛光机进行抛光。抛光时选取Cr2O3为抛光剂，抛至去除细磨时留下来的细微磨痕并获得光亮如镜的磨制面。用清水冲洗一下，然后用无水酒精清洗表面，再浸蚀；浸蚀采用的腐蚀剂为4%的硝酸酒精溶液，浸蚀完毕后立即用清水冲冼，然后用无水酒精冲冼，最后用吹风机吹干后，试样即可置于金相显微镜上进行观察。
2.3.2 观察及照相
（1）观察
用XJP-3A型金相显微镜分别观察所制备的六组金相试样，如果可以看到清晰的组织，就可以拍摄热不同处理后的金相试样的组织形貌照片，比较并分析各种热处理状态下的组织变化。
（2）金相摄影
照相的目的是将所观察到的金相组织的影象保存下来，方便后续试验的分析。
2.4 硬度的测定
利用HR-150洛氏硬度计分别测定热处理后7组试样的硬度，采用洛氏硬度计的C标尺，每个试样测试五组，并进行记录，最后取平均值；这样可以减小偶然误差，避免系统误差。
测试时将试样平稳地放置在刚性支承物上，并使压头轴线与试样表面垂直。避免试样产生位移。使压头与试样表面接触，在无冲击和振动的情况下施加试验力，初试验力保持不应超过3秒。将测在不小于1s且不大于8s的时间内，从初试验力增加到总试验力，并保持4s2s，然后卸除主试验力，保持初试验力，经过短暂稳定后，进行读数。为了读数准确，在试验过程中，硬度计应避免受到任何冲击和震动。在多处取值时，两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的 4倍，但不得小于2mm。任一压
痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍， 但不得小于1mm。
2.5 腐蚀磨损试验
2.5.1 腐蚀磨损试样的制备
将热处理后的试样及原始试样表面进行除油、除锈、打磨光洁，并用无水乙醇清洗，然后吹干。
2.5.2 腐蚀磨损试验
将之前处理好的试样分别编号并做好标记。采用失重法对KMTBCr8进行腐蚀磨损试验，利用FC204型电子天平对试样进行称重并记录，然后进行腐蚀磨损试验。
（1）无腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回四组试样进行试验，腐蚀磨损条件为低转速、砂水比例1:1、ph为7、腐蚀磨损时间为6h。
(2)中性腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回四组试样进行试验，腐蚀磨损条件为含有Nacl 3.5%、低转速、砂水比例1:1、ph为7、腐蚀磨损时间为12h。
（3）酸性腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回、1050℃水淬200℃低回、1050℃水淬560℃三次高温回火五组试样进行试验，腐蚀磨损条件为低转速、砂水比例1:1、ph为6、腐蚀磨损时间为6h；另外有一组900℃空冷200℃低回的试样在低转速、砂水比例2:1、ph为6、腐蚀磨损时间为6h的条件下进行腐蚀。
（4）碱性腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回、1050℃水淬200℃低回、1050℃水淬560℃三次高回五组试样进行试验，腐蚀磨损条件为低转速、砂水比例1:1、ph为
8、腐蚀磨损时间为6h；另外有一组900℃空冷200℃低回的试样在高转速、砂水比例1:1、ph为8、腐蚀磨损时间为6h的条件下进行腐蚀。
试验后将试样用超声波清洗仪清洗30min，用吹风机吹干试样，并利用FC204型电子天平对试样再次进行称重，并记录。
第3章 组织与硬度分析
3.1 金相组织分析
3.1.1原始试样组织
图3-1中a.为试样KMTBCr8的铸态显微组织。从图中可以看到, KMTBCr8的铸态显微组织由珠光体和渗碳体构成，其为共晶转变的产物，得到的平衡组织为树枝状珠光体分布在共晶渗碳体的基体上，即莱氏体，莱氏体在刚形成时由细小的奥氏体与渗碳体两相混合物组成，继续冷却时，奥氏体将不断析出二次渗碳体，即先共析渗碳体，这部分渗碳体与原莱氏体中的渗碳体连在一起，无法分辨。冷到727℃时，奥氏体的含碳量改变到0.77%，通过共析转变而形成珠光体。因此室温下看到的莱氏体组
织是由珠光体和渗碳体组成的。图中黑色网状组织为渗碳体，黑色的细小颗粒或条状组织为珠光体，白亮的基体仍为渗碳体。从图中可以看出KMTBCr8的显微组织仍具有典型的共晶体特征。
KMTBCr8的重要组织特点是具有M7C3型铬碳化合物。由于碳化物硬度高、非连续性分布使基体金属被切割程度低，因此，KMTBCr8具有很好的耐磨性。
3.1.2淬火+回火后组织
淬火是将KMTBCr8重新加热到奥氏体化温度并保温，这时奥氏体中过饱和的碳、铬就以二次碳化物形式弥散析出，奥氏体的稳定性下降，随着温度下降，就可以转变成马氏体。淬火后的组织为马氏体+渗碳体+残余奥氏体，且随着淬火温度升高，马氏体的量逐渐增加，残余奥氏体的量逐渐减少。
当Fe-C合金从奥氏体化温度急速冷却下来，由于淬火温度和冷却速度不同，因此会得到不同的基体组织。在含有过饱和碳的面心立方晶格的奥氏体到体心立方晶格的铁素体的共析转变过程中，碳在铁素体中的溶解度急剧降低到0.02%以下，如果相变速度缓慢，奥氏体则以共析渗碳体的形态析出碳，奥氏体排出了碳转变成铁素体。 淬火时冷却速度很快，没有充分的时间允许奥氏体中的碳扩散到析出渗碳体内。奥氏体转变而成的固溶了大量碳的面心立方晶格（或体心正方晶格）组织即为马氏体。形成马氏体的转变为无扩散相转变，能够获得高强度高硬度组织。在发生马氏体转变时，马氏体的硬度并非总是升高的。在Cu合金、Ti合金以及陶瓷中也存在马氏体转变。Fe-C合金中奥氏体碳含量少时，马氏体转变后也比较软，强度也比较低。碳含量增多则硬度和强度增大。即固溶碳使马氏体的键加强。这种晶体结构在这种状态下形成最稳定的结合键[12]。Fe和C反应时Fe-C键被强化是由于Fe原子未填满的d轨道被C原子外层电子所填满，形成具有强共价键特性的结合键。这样从奥氏体化温度区快速冷却形成马氏体，比缓慢冷却转变成珠光体或铁素体释放的能量少。少释放的能量作为内部能以残留应力或者Fe和C原子的结合能的形式被储存起来[13]。 在奥氏体化温度范围内，碳在奥氏体中的溶解度随温度升高而增大。淬火温度较低时，如900℃时，碳在奥氏体中的溶解度较低，保温到平衡状态时，二次碳化物析出很多，所以奥氏体中铬与碳的含量比较低，待冷却至室温，部分可以转变成马氏体，所以试样硬度会稍有提高。当淬火温度达到1050℃时，奥氏体中可以析出的二次碳化物量很多，待温度冷至室温时，奥氏体几乎全转变成马氏体，残留下来的奥氏体非常少，且马氏体中含碳量高，因此KMTBCr81050℃淬火后的硬度很高。比较图3-1中b、c、d、e、f，图b.为900℃空冷，200℃低回的试样组织；图c.为900℃水淬，200℃低回的试样组织；图d.为980℃水淬，200℃低回的试样组织；图e.为1050℃水淬，200℃低回的试样组织；图f.为1050℃水淬，560℃三次回火的试样组织。从图中可以看出，淬火后所得到的组织均为马氏体+残余奥氏体+渗碳体。且组织分为3层，第一层为网状渗碳体，第二层为黑色针状马氏体，第三层为亮白色为渗碳体基体+残余奥氏体+少量马氏体。随淬火温度升高，残余奥氏体+碳化物明显减少，马氏体量
明显增多，同时，共晶碳化物也呈细小变化的趋势。
KMTBCr8试样淬火后应立即进行回火处理，回火处理采用低温和高温两种方式。低温回火的主要作用是消除应力，稳定组织，降低残余奥氏体含量。马氏体是由残余奥氏体转变而来的。经过回火处理,试样组织中增加了碳化物的含量 ,奥氏体在试样组织的含量却是一直降低的。这是由于在回火处理KMTBCr8过程中,面心立方晶格的r-Fe中的过饱和C原子会扩散出来,且碳原子会结合原来固溶在奥氏体中的合金元素如Cr、Mn等元素原子形成金属化合物。奥氏体中析出了金属化合物之后,奥氏体中合金元素的含量就会降低,奥氏体的稳定性也会降低,增加了过冷奥氏体的转变速度,使
KMTBCr8的临界冷却速度下降,马氏体转变开始线Ms升高。这样,马氏体就由奥氏体转变而成。因此,残余奥氏体的含量将减少,而马氏体的含量将增多。
a.铸态KMTBCr8组织 500 b.900℃空冷，200℃低回 500
c.900℃水淬，200℃低回 500 d.980℃水淬，200℃低回 500
e.1050℃水淬，200℃低回 500 f.1050℃水淬，560℃三次回火500
图3-1 KMTBCr8不同热处理状态下的金相组织
3.2 硬度值及分析
3.2.1 KMTBCr8不同热处理后的硬度值
KMTBCr8经过不同的热处理后，利用型号为HR-150的洛氏硬度计测得的不 同热处理状态下及原始试样的硬度值如表3-1所示。
表3-1 KMTBCr8钢在不同热处理状态下的硬度值（HRC）
试样类别
硬度值(HRC)900℃空冷200℃低回900℃水淬200℃低回980℃水淬200℃低回1050℃水淬200℃低回1050℃水淬560℃三次高回原始铸件
测试值145.649．453.056.050.539.0测试值246.148.952.557.251.835.4测试值346.350.551.856.051.236.6测试值446.049.652.456.451.137.0测试值
546.850.352.756.251.538.2平均值46.1649.7452.4856.3551.2237.24
由上表可以看出，原始件KMTBCr8的试样硬度值较低,经过淬火处理之后的试样硬度均有所升高，且回火温度相同时，随着淬火温度的升高，KMTBCr8的硬度也逐渐增高，1050℃水淬200℃低回状态下的试样的硬度值较高，而且要高于1050℃水淬560℃三次高温回火的硬度。
3.2.2 硬度分析
原始铸件KMTBCr8的组织为莱氏体，即在高温时由奥氏体和渗碳体构成；在低温
时(727℃以下)，由珠光体和渗碳体构成，故铸态试样的硬度较低，还不到HRC 40。900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回、1050℃水淬200℃低回以及1050℃水淬560℃三次高温回火得到的试样组织均以马氏体为主，还有渗碳体和残余奥氏体组成，且随着淬火温度的升高，组织中的马氏体含量逐渐增加，残余奥氏体含量逐渐减少。而马氏体的硬度要远远高于残余奥氏体，所以随着淬火温度的升高，试样的硬度也是不断增高的。1050℃水淬560℃三次高温回火得到的组织中，由于回火温度高于低温回火，回火时间高于低温回火，回火次数也高于低温回火，所以高温回火马氏体中碳的扩散程度更大，析出的二次碳化物更多，马氏体中剩余的碳化物含量更低，故高温回火得到马氏体的过饱和程度低；而1050℃水淬200℃低回试样的回火温度低回火时间短，回火次数少，所以低温回火马氏体中碳的扩散程度低，析出的二次碳化物相对较少，马氏体中剩余的碳化物含量高，故低温回火得到马氏体的过饱和程度高。所以在相同的淬火温度1050℃下，560℃三次高温回火的硬度明显低于200℃低温回火的硬度。并有研究表明：铸铁的硬度随残留奥氏体含量的减少而增加,当残留奥氏体含量为10%左右时,硬度达到最大,继续降低残留奥氏体含量,铸铁硬度下降[20]。故1050℃水淬200℃低回试样的硬度值最高，1050℃水淬560℃三次高温回火试样的硬度反倒有所降低。
第4章 腐蚀磨损试验结果分析
4.1腐蚀试验结果
运用失重法来比较KMTBCr8腐蚀磨损前后重量的变化以分析试样的耐腐蚀磨损性与PH值、腐蚀磨损条件的关系。腐蚀磨损试验结果如表4-1和表4-2所示： 表4-1 KMTBCr8在3.5%Nacl条件下腐蚀磨损12h
无热处理失重率/(‰)900℃空冷200℃低回失重率/(‰)900℃水淬200℃低回失重率/(‰)980℃水淬200℃低回失重率/(‰)2h差值0.0017 g0.1450-0.0109 g-0.98510.0012 g0.1088-0.0141 g-1.20104h差值0.0015 g0.12800.0073
g0.65970.0004 g0.3626-0.0041 g-0.34926h差值0.0016 g0.13650.0016
g0.14460.0022 g0.1994-0.0004 g-0.03418h差值0.0187 g1.59540.0251
g2.26840.0300 g2.71950.0102 g0.868810h差值0.0014 g0.11940.0063
g0.56940.0029 g0.2629-0.0011 g-0.093712h差值0.0007 g0.05970.0035 g0.31630.0068 g0.61640.0006 g0.0512
表4-2 KMTBCr8在不同条件下的腐蚀磨损6h
热处理工艺ph磨损条件差值/(g)失重率/(‰)无热处理7砂：水=1:1低速0.02331.9828900℃空冷200℃低回7砂：水=1:1低速0.04033.5832900℃水淬200℃低回7砂：水=1:1低速0.02482.2209980℃水淬200℃低回7砂：水=1:1低速0.02872.4723无热处理6砂：水=1:1低速0.00110.0936900℃空冷200℃低回6砂：水=1:1低速0.01661.4576900℃水淬200℃低回6砂：水=1:1低速
0.01671.5765980℃水淬200℃低回6砂：水=1:1低速-0.0036-0.32231050℃水淬200℃低回6砂：水=1:1低速0.01120.97611050℃水淬560℃三次高回6砂：水=1:1低速0.01191.0461900℃空冷200℃低回6砂：水=2:1低速0.05454.8117无热处理8砂：水=1:1低速0.00750.6558900℃空冷200℃低回8砂：水=1:1低速0.02121.8232900℃水淬200℃低回8砂：水=1:1低速0.02121.8621980℃水淬200℃低回8砂：水=1:1低速0.00880.76941050℃水淬200℃低回8砂：水=1:1低速0.00090.07811050℃水淬560℃三次高回8砂：水=1:1低速0.01461.2638900℃空冷200℃低回8砂：水=1:1高速0.579954.38994.2试验数据处理分析
根据全部实验数据,作出XY坐标系的折线散点图和柱状图,以及腐蚀磨损后的金相组织和宏观形貌，以探索其腐蚀磨损规律。
4.2.1 试样在不同ph中的腐蚀磨损
图4-1不同热处理工艺试样的失重率随ph的变化曲线
图4-1为不同热处理工艺的KMTBCr8试样失重率随ph的变化曲线图，从图中可以看出，900℃空冷200℃低回与900℃水淬200℃低回的试样失重率在三种ph下的变化趋势相同，均为先减小，后增加；铸态KMTBCr8试样与980℃水淬200℃低回试样的失重率随ph的变化都呈增加趋势，但铸态KMTBCr8试样的失重率一直为正值，而980℃水淬200℃低回试样的失重率先为负值，后逐渐增加为正值，且失重率增加速度大于铸态KMTBCr8试样。所以在此种腐蚀磨损条件下，铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最佳，其次是980℃水淬200℃低回的KMTBCr8试样，900℃空冷200℃低回与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。
4.2.2试样在3.5%Nacl介质中腐蚀磨损
图4-2不同热处理工艺的试样在3.5%Nacl介质中12h失重率随时间的变化曲线 图4-2为不同热处理工艺的KMTBCr8试样在3.5%Nacl介质中12h失重率随时间的变化曲线图，从图中可以看出，所有试样都是在腐蚀磨损8h时失重率最大，铸态KMTBCr8试样的失重率在腐蚀磨损6h内都是基本不变而且较低的，在腐蚀磨损8h后其失重率又呈降低趋势，说明铸态试样在此种条件下的耐腐蚀磨损性能很好。900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与980℃水淬200℃低回在腐蚀磨损2h时的失重率均为负值，前者在4h时失重率变为正值，后者依旧为负值，在腐蚀磨损10h后，前者失重率呈下降趋势，后者呈上升趋势。900℃水淬200℃低回试样的失重率开始先基本保持不变，在8h达到最大值，10h后又有上升趋势。所有试样在腐蚀磨损6h时的失重率最接近，但综合失重率与失重率的变化趋势可以看出，在此种腐蚀磨损条件下，铸态试样的耐腐蚀磨损性能最佳；900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样最差。
为了980℃水淬200℃低回的试样失重率为何会出现负值，对腐蚀磨损后的试样进行磨制金相，再抛光，然后放到显微镜下观察，得到如图所示的金相图片。
图4-3.980℃水淬,200℃低回，中性介质500 图4-4 h.980℃水淬,200℃低回，中性介质50
图4-3和图4-4分别为980℃水淬200℃低回的试样在3.5%的Nacl中腐蚀磨损后显微镜下500倍和50倍金像图片。从图中可以看出，该试样在此种腐蚀磨损条件下截面周围腐蚀严重，其腐蚀机理为沿晶界腐蚀并伴有点腐蚀。当腐蚀磨损过程中生成腐蚀产物的量小于磨损量时，试样的失重率即为正值；当腐蚀磨损过程中生成腐蚀产物的量大于磨损量时，就会出现失重率为负值的情况。此种情况下的试样虽然失重率为负，但是试样腐蚀非常严重，该试样在此种条件下，耐腐蚀磨损性能很差。
4.2.3试样在酸性腐蚀介质中腐蚀磨损
图4-5不同热处理试样在ph为6时的失重率
图4-5为不同热处理工艺的试样在其余腐蚀磨损条件均相同，ph为6时的腐蚀磨损失重率。从图中可以看出，试样在ph为6的条件下腐蚀磨损时，980℃水淬200℃低回试样的失重率为负值；除此之外，铸态KMTBCr8试样的失重率最低，几乎为0；900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样的失重率相近，后者略高一点；1050℃水淬200℃低回的试样与1050℃水淬560℃三次高回试样的失重率相近，后者略高一点。由上文可知980℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能很差，故在ph为6时，铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最佳，其次是1050℃水淬200℃低回的试样与1050℃水淬560℃三次高回试样，900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样耐腐蚀磨损性能最差。
研究表明:在酸性介质中,奥氏体钝化能力比马氏体强,钝化膜稳定,奥氏体耐蚀性优于马氏体[21]。KMTBCr8试样经过热处理之后，奥氏体的含量减少,马氏体的含量增加。所以铸态的KMTBCr8试样耐腐蚀磨损性能要优于热处理之后的。图4-5中曲线图明显证明了这个结论。
同时对于高铬铸铁KMTBCr8而言,根据高岩,王焕庭,王富岗的研究,加入Cr元素可以产生如下的影响：加入的Cr元素更多的在基体中固溶,基体的电极电位被提高,从而高铬铸铁中基体与共晶碳化物的电极电位差值得以降低,加入的过多Cr元素在基体的表面可以覆盖了一层较好的钝化膜,基体对碳化物有效的起到了支撑保护作用[22]。经过热处理后，奥氏体中Cr元素析出，故其耐腐蚀性也就随之降低。酸中H离子的浓度多,会与铸铁中所含有的金属元素铁、铬等合金元素发生置换反应,，金属元素被置换出来，所以高铬铸铁被腐蚀。在腐蚀砂浆中进行高速腐蚀磨损试验，由于砂浆中石英砂的比例较高，会因砂浆的机械作用会破坏奥氏体生成的钝化膜，相界的腐蚀加剧，同时也加速了磨损的过程。
4.2.4试样在碱性腐蚀介质中腐蚀磨损
图4-6不同热处理试样在ph为8时的失重率
图4-6为不同热处理工艺的试样在其余腐蚀磨损条件均相同，ph为8时的腐蚀磨损失重率。从图中可以看出，试样在ph为8的条件下腐蚀磨损时，1050℃水淬200℃低回的试样失重率最低；其次是铸态KMTBCr8试样；接着是980℃水淬200℃低回的试样；然后是1050℃水淬560℃三次高回试样；900℃空冷200℃低回的
KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样的失重率都很高且相近，但后者的失重率更高。
根据华南理工大学刘钧泉等的研究，高铬铸铁在碱性溶液中的腐蚀可以分为三个过程，首先是溶解奥氏体钝化膜，钝化膜的抗腐蚀作用有限，因此很短时间就会腐蚀掉钝化膜，接着是腐蚀基体金属，这属于原电池腐烛，基体组织为阳极被腐蚀，阴极为碳化物,这个阶段腐蚀速度最快而且均匀，腐蚀的形式有相界腐蚀和腐蚀开裂;最后在腐蚀产物作用下继续腐蚀，这个阶段腐蚀速率低于第二个阶段,但猜测腐蚀形式与第二个阶段相同,即相界腐蚀和腐蚀开裂[23]。
4.2.5试样在中性腐蚀介质中的腐蚀磨损
图4-7不同热处理试样在ph为7时的失重率
图4-7为不同热处理工艺的试样在其余腐蚀磨损条件均相同，ph为7时的腐蚀磨损失重率。从图中可以看出，在ph为7的条件下腐蚀磨损时，铸态KMTBCr8试样的失重率最低；其次是900℃水淬200℃低回试样，然后是980℃水淬200℃低回的试样，900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样失重率最高。在此种条件下，铸态试样的耐腐蚀磨损性能最佳，900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最差。
结合以上分析表明：对于KMTBCr8试样在此种腐蚀磨损条件下的耐腐蚀磨损性而言，铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性最强；900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。因为与铸态试样相比，其组织中的奥氏体含量是一直降低的。因为KMTBCr8试样在淬火加热过程中,面心立方晶格的r-Fe中的过饱和C原子会扩散出来,且碳原子会结合原来固溶在奥氏体中的合金元素，如Cr、Mn等元素，形成金属化合物，从奥氏体中析出了金属化合物，奥氏体中合金元素的含量就会降低。于是残余奥氏体的含量减少，马氏体的含量增多。而奥氏体的钝化能力优于马氏体,所以材料耐腐蚀磨损性能将减弱[24]。
4.2.6砂浆比例与转速对腐蚀磨损的影响
图4-8砂浆比例及转速对试样失重率的影响
图4-8为900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样在除砂浆比例不同，其余腐蚀磨损条件均相同的条件下的失重率；以及在除转速外其余腐蚀磨损条件均相同的条件下的失重率。从图中可以看出，在其余腐蚀磨损条件均相同的条件下，砂浆中砂水比例大的失重率更大；转速高的失重率更大，且转速对腐蚀磨损的失重率影响巨大。 因为在相同条件下，砂水比例越大，则单位时间单位面积内与试样接触摩擦的砂粒越多，对试样的腐蚀磨损作用更明显；转速越高，则在单位时间内，单位面积试样与砂粒接触摩擦的次数越多，所以同样的腐蚀磨损时间下，高转速对试样的腐蚀磨损作用更明显。
结 论
本文研究了热处理工艺和腐蚀磨损条件对KMTBCr8的腐蚀磨损性能的影响，并得出以下结论：
1. 在ph为8的条件下腐蚀磨损时，1050℃水淬200℃低回的试样耐腐蚀磨损性能最佳；其次是铸态KMTBCr8试样； 900℃空冷200℃低回的试样与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。
2.除上述之外的所有腐蚀磨损条件下都是铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最佳；900℃空冷200℃低回与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。
3.砂浆中砂粒比例越大，腐蚀磨损越严重。
4.转速越高，腐蚀磨损越严重。
致 谢
在这篇论文完成之际，我要衷心感谢我的导师王淑花老师。
在我大学四年里, 老师不仅在平时授课时认真负责，给我答疑，还占用个人时间帮我解答疑问。在论文的写作过程中，从论文的选题、提纲拟订、实验过程到修改定稿，王老师都给予我悉心的指导，提出了许多宝贵的意见，使我受益匪浅。王老师严谨的治学态度、丰富的专业知识、敏锐的洞察力和综合分析能力，给我留下了深刻的印象，使我深受启发，为我今后的学习和工作打下了良好的基础，也让我充实地度过了大学生活。在此，我向王淑花老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。
其次感谢大学期间给我授课的所有老师，他们的精心教导使我终生受益。感谢身边的同学在这期间给我的帮助。
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摘 要
本文以合金高铬铸铁（KMTBCr8）板材（5.6mm5.6mm53mm）为试验材料，进行不同热处理后不同腐蚀介质、不同ph、不同砂浆配比、不同转速下的腐蚀磨损试验。利用光学显微镜对试样进行基体组织分析、显微组织分析。研究不同热处理工艺及不同腐蚀磨损条件对KMTBCr8腐蚀磨损性能的影响，并分析不同热处理工艺及腐蚀条件下KMTBCr8腐蚀磨损的规律[1]。
研究发现，KMTBCr8的热处理工艺对其腐蚀磨损性能有影响，铸态的KMTBCr8耐腐蚀磨损性能最好；相同回火温度下，淬火热处理温度越高，KMTBCr8耐腐蚀性越差；相同淬火温度下，KMTBCr8试样低温回火的耐腐蚀磨损性能优于三次高温回火。在其他热处理工艺及腐蚀条件都相同时，中性砂浆中KMTBCr8的表面锈蚀最严重，碱性砂浆次之，酸性砂浆中KMTBCr8的锈蚀最轻。在相同腐蚀磨损条件下，高转速比低转速的失重量要多。
关键词：合金高铬铸铁；热处理；腐蚀磨损；组织形貌
Abstract
This paper, taking high chromium cast iron alloy plate (5.6mm x 5.6mm x 53mm) as experiment material, respectively in different heat treatment, different corrosive medium, different ph, different cement mortar ratio, different speed of the corrosion wear test . Using Zeiss electron modern analysis methods, the research discusses the heat treatment process and different corrosion wear conditions affect the performance of KMTBCr8
corrosion and wear, and analyze the different heat treatment process and the abrasion performance of the corrosion conditions and corrosion KMTBCr8 relationship; For the material in the actual system theoretical foundation for the safe use. The main research contents include : matrix organization analysis, the morphology and microstructure analysis.
On the basis of the successful preparation of sample heat treatment, first
of all the groups were compared before and after heat treatment. Then to study KMTBCr8 by weight-loss method in acid and alkali neutral mortar dynamic law of corrosion wear characteristics. By comparing the samples before and after corrosion wear weight difference, analyzing corrosion wear data record, a series of XY scatterplot smooth.
The study found that KMTBCr8 heat treatment process on the corrosion and wear properties of influential, the higher the heat treatment temperature, corrosion resistance, the worse, the more serious the surface rust. In the neutral mortar KMTBCr8 surface corrosion is more serious. Under the same corrosion wear time, high speed than the weightlessness rate of those low speed.
In neutral mortar, when KMTBCr8 after heat treatment, the neutral mortar corrosion resistance than the as-cast the most neutral mortar with poor
corrosion resistance. Followed by alkaline cement mortar, the poor corrosion resistance than as-cast. Finally is acidic slurry, and its poor corrosion resistance than the as-cast least. You can see that the as-cast KMTBCr8 most resistant to corrosion.
Keywords: high chromium cast iron; Heat treatment; Corrosion and wear; The rupture
目 录
摘 要 PAGEREF _Toc21099 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2铸铁概述 1
1.2.1 铸铁及其应用 1
1.2.2 铸铁的金相组织和力学性能的特点 4
1.3金属的腐蚀磨损 3
1.3.1 金属的腐蚀磨损概述 4
1.3.2 腐蚀磨损的试验方法 4
1.4 铸铁的热处理 5
1.4.1 铸铁热处理概述 5
1.4.2 消除内应力处理 6
1.4.3 石墨化退火 6
1.4.4 正火 6
1.4.5 淬火 6
1.5本课题的研究目的和主要研究内容 7
1.5.1本课题的研究目的及意义 7
1.5.2本课题的主要研究内容 7
第2章 试验材料及具体试验方法 9
2.1 KMTBCr8的成分 9
2.2 热处理实验 9
2.2.1 热处理试样的制备 9
2.2.2 热处理工艺 9
2.3 金相观察 12
2.3.1 金相试样的制备 12
2.3.2 观察及照相 12
2.4 硬度的测定 12
2.5腐蚀磨损试验 13
2.5.1腐蚀磨损试样的制备 13
2.5.2腐蚀磨损试验 13
第3章 组织与硬度分析 14
3.1 金相组织分析 14
3.1.1原始试样组织 14
3.1.2淬火+回火后组织 14
3.2 硬度值及分析 18
3.2.1 KMTBCr8不同热处理状态下的硬度值 18
3.2.2 硬度分析 19
第4章 腐蚀磨损试验结果分析 21
4.1 酸性环境对高铬铸铁腐蚀性能的影响 21
4.1.1 腐蚀磨损试验结果 22
4.1.2 宏观腐蚀形貌分析 23
4.1.3 试验结论与分析 23
4.2 碱性环境对高铬铸铁腐蚀磨损性能的影响 24
4.2.1腐蚀磨损试验结果 26
4.2.2试验结论与分析 26
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
CONTENTS
TOC \o "1-3" \h \u Abstrace(Chinese) I
Abstract(English) II
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Introduction 1
1.2 Summary of cast iron 1
1.2.1 Cast iron and its application 1
1.2.2 The characteristics of the microstructure and mechanical properties of cast iron 2
1.3 Metal corrosion and wear 3
1.3.1 The corrosion of the metal wear overview 4
1.3.2 Corrosion wear test method 4
1.4 Heat treatment of cast iron 5
1.4.1 Summary of cast iron heat treatment 5
1.4.2 Eliminate internal stress 6
1.4.3 The graphitization annealing 6
1.4.4 Normalization 6
1.4.5 Quenching 6
1.5 The research purpose of this subject and the main research content 7
1.5.1 This topic research purpose and meaning 7
1.5.2 The main research content of this project 7
Chapter 2 The test materials and the concrete testing methods 9
2.1 The composition of KMTBCr8 9
2.2 Heat treatment experiment 9
2.2.1 The preparation of sample heat treatment 9
2.2.2 Heat treatment process 9
2.3 Metallographic observation 12
2.3.1 Preparation of metallographic sample 12
2.3.2 Observation and photography 12
2.4 Determination of hardness 12
2.5 Corrosion wear test 13
2.5.1 Corrosion wear test specimen preparation 13
2.5.2 Corrosion wear test 13
Chapter 3 Analysis metallographic and hardness 14
3.1 Analysis metallographic 14
3.1.1 The original sample organization 14
3.1.2 After quenching and tempering 14
3.2 Hardness and analysis hardness 18
3.2.1 KMTBCr8 hardness value under different heat treatment states 18
3.2.2 Analysis hardness 19
Chapter 4 Corrosion wear test results analysis 21
4.1 Acidic environment impact on the corrosion performance of high chromium cast iron 21
4.1.1 Corrosion wear test results 23
4.1.2 Macroscopic corrosion morphology analysis 23
4.1.3 Test results and analysis 23
4.2 Alkaline environment effect on the properties of high chromium cast iron corrosion and wear 24
4.2.1 Corrosion wear test results 26
4.2.2 Test results and analysis 30
Conclusion 34
Acknowledgement 35
References 36
第1章 绪论
1.1 引言
高铬铸铁在现代社会的应用很广，它有高的硬度和耐磨性，但是所有的金属材料都面对腐蚀和磨损两大难题，高铬铸铁也不例外。所以对高铬铸铁进行腐蚀磨损研究有很重要的意义，本文通过研究高铬铸铁KMTBCr8不同热处理之后的耐腐蚀磨损性能来摸索最佳的热处理工艺及腐蚀磨损条件。
1.2 铸铁概述
铸铁应用很广，铸造合金的总产量75%以上是铸铁。
铸造生铁是铸铁的主要原料，铸铁的成分范围为：2.4%~4.0%C，0.6%~3.0%Si，0.2%~1.2%Mn，0.1%~1.2%P，0.08%~0.15%S。同时也可以加入其他合金元素，来获得具有各种性能的合金铸铁[2]。
1.2.1 铸铁及其应用
铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁，分类依据是碳在铸铁中的存在形态不同。灰口铸铁又可以分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁，其分类依据是铸铁中石墨的形态不同。以下是各种铸铁的简单介绍。
白口铸铁
白口铸铁的简介见表1-1。
表1-1白口铸铁简介
普通白口铸铁化学成分2.8%~3.6%C,0.5%~1.3%Si，0.4%~0.9%Mn
它在白口铸铁中被认为是第一代组织形态
金相组织为珠光体+莱氏体，碳绝大部分以碳化物的形式存在于铸铁中，除少量溶于铁素体，断口呈银白色特点
硬，脆，不易加工。可以加入铬、钼、等元素提高其韧性及耐磨性。应用
农具，球磨机的衬板和球磨，抛丸机的叶片以及磨煤机的磨损件、轧辊和矿车车轮等（2）麻口铸铁。
麻口铸铁具有白口和灰口的混合组织，断口呈灰、白交错。其金相组织为珠光体+铁素体+石墨+渗碳体。这种铸铁性能不好，几乎不用。
（3）灰铸铁
灰铸铁的简介如表1-2所示：
表1-2灰铸铁简介
一般灰铸铁的化学成分2.8%~3.6%C，1.2%~3.0%Si，0.4%~1.2% Mn，P含量≤0.3%，S含量≤0.15%
组织形貌碳主要以石墨的形式存在，石墨呈片状形式存在于基体组织中，金相组织为珠光体+片状石墨，断口呈暗灰色。特点灰铸铁是应用最广泛的铸造材料应用大量的应用于各种机械零件
（4）可锻铸铁
可锻铸铁其实是不可锻的，因其具有较高的塑性和韧性才称为可锻铸铁。可锻铸铁的简介如表1-3所示：
表1-3可锻铸铁简介
一般可锻铸铁的化学成分2.2%~2.8%C，0.7%~1.4% Si，0.5%~0.7% Mn，P含量≤0.3%，S含量≤0.15%。组织形态金相组织为珠光体+铁素体+絮状石墨，断口中心呈暗灰色，表层呈灰白色。特点珠光体可锻铸铁的强度高，韧性好，耐磨性好，铁素体可锻铸铁具有较高的强度和韧性，生产过程铸成全白口铸件+石墨化退火处理。应用汽车拖拉机的后桥外壳、转向机构、曲轴、凸轮轴、连杆及齿轮等（5）蠕墨铸铁 经蠕化处理和孕育处理再浇注，简介如表1-4所示：
表1-4蠕墨铸铁简介
一般蠕墨铸铁的化学成分3.4%~3.8%C，2.4%~2.8%Si，0.5%~0.8% Mn，P含量≤0.08%，S含量≤0.06%。组织形貌碳主要以石墨的形态存在于铸铁中，断口呈银白色特点强度高，致密性好，耐急冷急热性能好应用可用来代替孕育铸铁件、发动机汽缸盖、排气管、钢锭模等零件。（6）球墨铸铁
铁液在浇注之前，经球化处理和孕育处理，球墨铸铁简介如表1-5所示： 表1-5球墨铸铁简介
一般球墨铸铁的化学成分3.4%~4.0%C，2.4%~2.8%Si，0.2%~0.8% Mn，P含量≤0.06%，S含量≤0.06%。组织形貌碳主要以球状石墨的形态存在，断口呈银白色。特点基体强度的利用率高，抗拉强度高，甚至高于钢。应用柴油机、连杆、农机、农具等零件。1.2.2 铸铁的金相组织和力学性能的特点
从上面几种对铸铁的介绍可知，它们的金相组织是各有特点的，因而导致了力学性能上的很大差别。它们都是铸铁，但是力学性能的变化非常大，而且从灰铸铁到可锻铸铁及球墨铸铁间发生了质的改变，强度由原来的100MPa变为1200MPa，伸长率和冲击韧度由原来的几乎为零到有一定的数值，它们的化学成分是不同的：铸造时冷却速度的影响；炉前处理方法的差异；热处理制度的区别等。
从以上对铸铁金相组织特点的分析，可以看出：
（1）铸铁中的碳有石墨和渗碳体两种形式存在，这还需要认真研读铁碳双重相图；
（2）铸铁的金属基体都是由铁素体、珠光体、铁素体加珠光体组成的，但由于铸铁中石墨形态、多少（大小）、分布不同，所以在铸铁的强度比钢低得多，尤其是灰铸铁时，铸铁的强度变化范围又可以很大。因此在研究铸铁时，应该对铸铁中石墨的形态和石墨组织的形成规律以及各项工艺因素对形成石墨的影响等给以充分的注意。
1.3 金属的腐蚀磨损
1.3.1 金属的腐蚀磨损概述
腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象称为腐蚀磨损。我国腐蚀磨损的定义是腐蚀介质中出现的材料冲蚀。根据磨损过程中磨粒与接触工件表面的数目,磨粒磨损有二体和三体之分。当磨粒仅与一个工件表面接触,同时造成工件表面磨损和磨粒自身磨损破碎,称为二体磨粒磨损。三体磨粒磨损是指磨粒同时与两个被磨表面接触并使两表面磨损,磨粒自身也发生磨损[3]。
2.2.1冲蚀磨损定义及分类
冲蚀磨损是指单相或多相流体以一定的速度和角度流经材料表面,对表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损还可定义为固体表面和流体多组元之间相互机械作用或者受液体或固体粒子冲击的机械作用所造成的材料损耗过程。冲蚀磨损作为现代工业生产中常见的磨损形式之一,是机器设备、零部件损坏报废的重要原因。根据颗粒及携带介质的不同,冲蚀磨损可分为:气固冲蚀磨损、泥装冲蚀磨损、液滴冲蚀和空泡腐蚀等。根据流动介质和第二相的不同组合,冲蚀磨损分为以下四种类型。
表1-6冲蚀磨损分类实例
冲蚀类别携带介质第二相冲蚀磨损实例气固冲蚀
气体
固体粒子锅炉管道、抛丸机叶片、喷砂机喷嘴液滴冲蚀液滴蒸汽透平机叶片、水轮机叶片泥浆冲蚀
液体固体粒子水轮机叶片、泥浆泵、煤浆泵叶轮等过流部件空泡腐蚀气泡水轮机叶片、高压阀门密封面、泵过流部件2.2.1腐蚀磨损机理
腐蚀磨损是指摩擦副表面在相对滑动过程中,表面材料与周围介质发生化学或电化学反应从而被腐蚀,并伴随机械作用而引起的材料流失现象。按腐蚀机理可以分为两类:
(1)化学腐蚀磨损
材料与周围非电 解 质 之间 发 生 的 单 纯 化 学 作用 而 引 起 的腐 蚀 损 伤 称为 化 学 腐 蚀。其反 应 实 质 为 周 围 非 电 解 质 中 的 氧 化 剂 与 材 料 表 面 金 属 原 子 发生 反 应 , 氧 化 还 原 的 产物 即 腐 蚀 产物 覆 盖 在 材 料 表 面 , 当 覆 盖 在 材 料表 面 的 腐蚀 产 物较 致 密 时 ,会 减 缓 进 一步 的 腐 蚀 ,化学腐蚀反应过程中不伴随电流产生[4]。腐蚀磨损中常见的氧化磨损,就是化学腐蚀与机械作用同 时存在 ,其实质是材料表面与周围气 体介质间发生化学反应,生成单分子层的氧化膜,膜的厚度逐渐增加,增加的速度随时间 以指数规律减小,当形成的氧化膜被磨掉以后,很快形成新的氧化膜,可见氧化磨损是由氧 化和机械磨损两个作用相继进行的过程[5]。
(2)电化学腐蚀磨损
由于腐蚀电池的作用,金属和电解质接触时产生的金属腐蚀现象称为电化学腐蚀。 其特点在于: 电化学腐蚀可分为两个过程,为阳极(发生氧化反应)过程和 阴极(发生还原反应)过程,这两个过程是相对独立并同时进行的;其特征为受到腐蚀的区域是金属表面的阳极,腐蚀产物常常出现于阳极与阴极之间, 并且不能覆盖被蚀区域 , 难以形成致密的
保护膜,对金属起不到保护作用[6]。电化学腐蚀过程中有电流产生,这是其与化学腐蚀的显著区别。
按腐蚀形态分类可以分为三种[7] (1)全面腐蚀或均匀腐蚀;(2)局部腐蚀包括电偶腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、剥蚀、丝状腐蚀、选择性腐蚀;(3)应力作用下的腐蚀,包括磨损腐蚀、应力腐蚀断裂(SCC)、腐蚀疲劳、氢脆和氢致开裂、空泡腐蚀、微振腐蚀。
在腐蚀磨损体系中,按照材料的腐蚀产物被机械或腐蚀去除的特点又可以 将腐蚀磨损分为两种: 一种为金属材料在腐蚀介质作用下,腐蚀产物均匀附着 在金属表面,形成保护膜,阻碍腐蚀的进一步进行,但是由于磨料磨损作用,腐 蚀膜层被局部去除,膜层下新鲜金属表面又受到腐蚀作用重新形成新的腐蚀 产物,随即被磨料或硬质点的机械作用局部去除,如此反复进行,腐蚀速度比 腐蚀膜的覆盖速度快得多,因此腐蚀严重,此磨损称为均匀腐蚀条件下腐蚀磨 损[8]。第二种,在多相材料中,由于不同相的电极电位不同,较易形成腐蚀微 电池,产生相间腐蚀;尤其是含有碳化物的金属材料,由于碳化物与基体之间 存在较大的电位差,相间腐蚀严重,极大的削弱碳化物与基体之间的结合力, 同时磨料或硬质点对金属表面的磨损作用使得碳化物很容易折断或从基体剥 落,这称为相界面腐蚀模型[9]。
高铬铸铁的基体组织
材料所具有何种力学性能很大程度上取决于高铬铸铁基体组织的类型，也会随着组织类型的改变而变化，铸态的高铬铸铁基体组织主要是奥氏体的转变产物，经高温淬火+回火得到的基体组织只要是回火马氏体和残余奥氏体，此时马氏体的存在材料的硬度值较高，并且拥有较好的耐磨性。另外以奥氏体为主的基体组织，硬度值不是很高，但是其韧性较好，因此基体组织的类型很大程度上决定了材料的磨损行为的类型。高铬铸铁中添加的 C、Cr、Ni、Mo、Si等元素，在凝固过程中大部分都是进入奥氏体中，达到共晶转变温度点时，一部分的合金元素从奥氏体中析出，进入共晶碳化物。还有一部分继续存在于奥氏体组织中，增加奥氏体的稳定性，为形成铸态奥氏体基体组织提供了良好的准备条件。如果铬含量较大，铬碳比也到一定程度时，凝固冷却就能够获得以奥氏体为主的铸态奥氏体基体。此时以奥氏体为主的高铬铸铁虽然硬度值不高，但是拥有着较强的冲击韧性。 将高铬铸铁加热到一定温度保温一段时间，使得材料中的各种合金元素与碳化物固溶于奥氏体中，使得奥氏体稳定性减弱，然后经过淬火处理奥氏体会大量转变成为马氏体，得到以马氏体为主的高铬铸铁基体具有很高的硬度和优良的耐磨性和强韧性，是非常好的耐磨材料。究竟选择什么样类型的组织作为抗磨材料的基体组织，才能够更好的发挥其良好的抗磨性能，很多研究者对其观点都不一样，选择马氏体为主的硬相基体组织，具有良好和硬度，选择奥氏体为主的软相基体组织，具有良好的韧性，但是耐磨性能是跟硬度和韧性都有关联的，所以在业生产与应用中，应根据材料所处不同磨损条件选择合适的热处理工艺，得到拥有合适力学性能的金属材料基体组织，以达到耐磨目的[10]。
1.4 铸铁的热处理
1.4.1 铸铁热处理概述
1.4 高铬铸铁概况
高铬铸铁的定义就是含铬量在 12%~28%之间的普通白口铸铁，其铸态组织
主要是由(Cr,Fe)7C3型碳化物和奥氏体或其转变产物所组成。由于Cr的存在，能够进入碳化物形成特殊的具有优异性能的碳化物，与普通铸铁相比较，高铬铸铁具有更高的硬度和耐磨性，更好的淬透性和淬硬性，以及抗高温氧化和抗热疲劳剥落能力。正因为其具有的如此优异的力学性能，是一种广泛应用在矿山、工厂、电力、建筑等工业部门的耐磨材料。但缺点是，由于铸态的马氏体组织以及存在高硬度的 M7C3型碳化物使得高铬铸铁硬度很高，但是高铬铸铁的脆性大，塑性比较差，在强冲击应力时材料容易发生破损和断裂，因此为了能够很好解决高铬铸铁韧性差，减少使用过程的断裂的问题，国内外研究者从事了一系列的研究[11]。
1.4.1 高铬铸铁中的合金元素
碳是高铬铸铁中非常主要的元素，含碳量越高，碳化物越多，硬度值跟耐磨性能越好，但是过高的含碳量会使铸铁的冲击韧性降低。碳在高铬铸铁中主要以碳化物的形式存在，初析碳化物和共晶碳化物的形貌有着很大的差异，有的是连续的网状，也有孤立的块状和点状，但是都有着很强的硬度和耐磨性，存在形式要和 Cr 有着一定量的配合，合适的 Cr/C 比，能够得到性能非常优异的高铬铸铁材料[12]。铬跟碳一样，是高铬铸铁中最基本的另外一种合金元素，Cr 的存在形式主要是跟 C 能够形成特殊的碳化物，碳化物的形态有很多种，其性能也会随之变化。当高铬铸铁中铬含量大于 12%时，碳化物的形态从(Fe,Cr)3C 转变成(Fe,Cr)7C3，硬度也会增加很多，并且
(Fe,Cr)7C3型碳化物大多数都是呈连续的网状分布在基体上，因此它对基体的割裂作用很小，能够很好的镶嵌在基体之中，从而增强了高铬铸铁的强韧性以及耐磨性。铬含量对高铬铸铁凝固时候的共晶温度也会产生影响，铬含量增加也会提高铸铁的共晶温度，从而细化共晶碳化物，性能会进一步提高。实际生产应用中，由于 Cr 和 C 相互依存的存在形式，所以要严格合理的搭配两者的比例含量，以得到具有高强度、高硬度、良好韧性以及耐磨性的能
够应用于不同工况的高铬铸铁耐磨材料，但是对于高铬铸铁淬透性方面，铬并不能起到十分重要的作用，因此一般生产高铬铸铁时要加入其它一些有用的合金元素
[13]。
硅元素对高铬铸铁凝固时发生的共晶转变有着重大的影响，随着硅含量的增加会使得 Fe-C 相图中共晶点左移，碳化物相区变大，从而使奥氏体中的碳含量降低，析出的共晶碳化物含量增加。再者，硅能缩小共晶反应温度的范围，从而使固液两相共存区变小，使得共晶碳化物细小，弥散分布与奥氏体组织中，同时还可以使得奥氏体枝晶细化，硅溶于奥氏体会对奥氏体组织产生固溶强化的作用，增强奥氏体的稳定性。不同的实验研究都表明：相同元素添加量，相同热处理工艺下，不同冷却速率过程中，
适当增加硅含量，能提高材料的宏观硬度。 钼在高铬铸铁中存在方式有很多种，其中之一是钼元素能够取代 Cr 进入碳化物中，拥有这种碳化物形式的高铬铸铁，其耐磨性能以及强韧性都会得到一定程度的增强。再者钼元素以置换铬原子的方式固溶于奥氏体及其转变产物之中，推迟奥氏体的珠光体转变，使高铬铸铁的凝固组织获得更多的残留奥氏体，增强了奥氏体的稳定性，使得高铬铸铁的连续冷却转变曲线右移，亚临界热处理过程中有明显的二次硬化现象，从而有效的提高了基体材料的淬透性。由于 Mo 是强碳化物形成元素，与碳原子结合形成钼碳化合物，因此阻碍了碳原子在凝固冷却时，碳从奥氏体向液相扩散，使奥氏体中的碳含量变高，导致奥氏体的 Ms 点降低，CCT 曲线右移，使得铸态组织获得更多的残留奥氏体。使材料的韧性得以增强。 镍元素不溶于碳化物，而是全部溶于基体组织，能够扩大奥氏体相区，是稳定奥氏体的主要合金元素。因此在高铬铸铁中，随着镍含量的提高，Ms 点降低，CCT 曲线右移，是一种奥氏体强稳定型的合金元素。镍的添加含量对高铬铸铁的影响非常大，当含镍量约为 1%左右，能够很好的提高高铬铸铁的耐磨性，低于此值时，镍的提高淬透性作用能力不够，而高于此值时，残余奥氏体的含量会随之增多，导致材料硬度值下降。镍还可以与其他合金元素搭配使用，同样能够达到预期的目的[14]。 锰并不是跟其它合金元素一样能够直接影响高铬铸铁中的碳化物形态和数量，但是锰元素是强奥氏体形成元素，能够迅速溶于材料的基体，提高高铬铸铁的淬透性，同时少量的锰固溶在碳化物中，可以适当地提高其硬度。锰含量较高时，锰元素能够很好地稳定奥氏体，扩大奥氏体形成区域，从而导致组织中残余奥氏体量增加，马氏体量相对减少，因此使得淬火后材料的硬度降低。然而过量的 Mn溶于碳化物中使碳化物变得更脆，基体组织硬度也不够，在强冲击载荷在很容易产生裂纹，以至于在磨损过程中，容易磨损破裂甚至折断，所以锰在高铬铸铁的使用最好控制在 1.0%以下[15]。钒可以稳定高铬铸铁中的碳化物，能够促进碳化物形成和析出。钒和碳能够形成各种类型的碳化物，形成初析碳化物能够增强材料的硬度与耐磨，从奥氏体热处理可以改变铸铁的组织，并改善其性能。除可锻铸铁石墨化退火外，其余热处理不改变石墨的数量、形态、尺寸。所以，只能改变其基体来改善铸铁的性能，且应该选择石墨对性能影响不大的铸铁，才可以有较明显的效果。中析出的细小弥散分布的二次碳化物之后，使得奥氏体碳和合金元素含量降低，扩大马氏体体存在区域，促进奥氏体转变为马氏体。钛的金属性很强并且不稳定，很容易与 C 等非金属元素结合，高温下形成的 TiC 不仅可以阻碍碳化物从奥氏体中的析出，导致奥氏体中碳元素增多，TiC进入奥氏体之后，在奥氏体形成过程中变成晶核，抑制奥氏体晶枝生长。随着含钛量的增加，冲击韧性是随之增加，但是铸铁的硬度值却是先增加后减小的[16]。
铸铁热处理一般有以下三种类型：
去应力退火；
消除白口退火；
改善力学性能。
1.4.2 消除内应力处理
所有铸件中都存在内应力，内应力可能导致铸件变形或开裂，要求尺寸稳定的铸件需要消除残余内应力。
消除内应力可以采用自然时效处理、消除内应力退火或振动时效处理。自然时效处理是把铸件放置于露天，历经寒暑，使铸件内应力缓慢消除。消除铸铁件内应力退火规范是：铸件缓慢加热到弹塑性转变温度以上，保温一定时间后缓冷。振动时效是将振动块固定于铸件，调整振动源使激振块产生于铸件固有频率相同的振动频率，从而产生共振。铸件金属晶格不断吸收振动能量，并通过矫正晶格畸变等方式使铸件内应力释放出来。
1.4.3石墨化退火
主要目的是消除组织中的渗碳体和一部分晶间碳化物，降低铸件硬度，便于机械加工；消除脆性，提高铸件使用的安全性。铸件首先加热到900~950℃奥氏体化温度，保温后缓慢冷却。为了最终获得铁素体基体，铸铁件需要在稍低于Ac1温度保温，使共析渗碳体分解，这一过程即低温石墨退火。
1.4.4 正火
铸铁件在奥氏体化温度保温后在空气中冷却，使铸态奥氏体成分均匀化，共晶渗碳体分解，减少先共析渗碳体析出量，增加珠光体量并使之细化。单纯为了使基体珠光体化，正火温度应选910~930℃。如果同时要消除渗碳体，则加热温度需提高到960~980℃。为了防止空冷时二次渗碳体呈网状析出，高温保温后炉冷至稍高于上临街温度，在此温度下再保温0.5h后出炉空冷。
1.4.5淬火
铸铁件淬火要在高温下快速冷却，产生的热应力在石墨片体尖端有集中效应，容易使铸件开裂。另外，在淬火温度下，渗碳体分解和石墨溶入都会使奥氏体含碳量增加。因此，铸铁基体组织的硬化相当于高碳钢淬火，生成高碳马氏体并有较多的残留奥氏体。淬火后铸件硬度与奥氏体碳含量有关，过高或过低都会使淬火硬度偏低。 铸铁中的石墨使材料的导热性降低，淬透性下降。石墨数量越多，对导热性的影响越明显，淬透性越差。
根据以上特点，铸铁淬火时应该采用比钢淬火较为缓和的冷却速率，避免发生过高的热应力和相变应力。为了弥补淬透性不足所造成的困难，需要淬火硬化的铸铁件都应含有一些能够提高材料淬透性的元素，并且适当降低其碳当量。灰铸铁淬火加热温度选在共析转变上临界温度以上25℃~40℃，使奥氏体获得合适的碳含量并消除大部分可能存在的铁素体。一般灰铸铁淬火温度可选860~880℃，硬度最高可达HRC60~62。合金铸铁件淬火时应考虑合金元素对共析转变临界点的影响。
淬火后应及时回火，对于耐磨性和硬度要求高的铸铁件，可在200~250℃回火，强韧性要求较高的灰铸铁或球墨铸铁件可采用中高温回火。为避免回火脆性，中温回火温度应选择350~450℃，来获得奥氏体基体+回火屈氏体，硬度为HRC42~46。高
温回火温度应选550~600℃，回火后得到回火索氏体基体，硬度范围为HB215~330。
1.5本课题的研究目的和主要研究内容
1.5.1 本课题的研究目的及意义
通过实验深入了解KMTBCr8经过不同热处理及腐蚀条件之后的微观组织形态，并研究各种组织在不同条件下的的腐蚀磨损性能及磨损机理，从而摸索出热处理工艺与腐蚀条件的合理配合，提高其腐蚀磨损性能，充分发挥材料的潜能。
1.6.2 本课题的主要内容
对KMTBCr8原材料进行线切割，得到所需尺寸试样；
确定KMTBCr8的不同热处理工艺，并进行热处理；
对不同热处理工艺下的KMTBCr8进行金相观察并分析；
4. 对不同热处理工艺下的KMTBCr8进行硬度分析；
5. 对不同热处理工艺下的KMTBCr8进行不同腐蚀磨损条件下的腐蚀磨损试验，并测得试验前后KMTBCr8的重量并计算失重率；
6. 整理试验数据，分析KMTBCr8的失重率与热处理及腐蚀磨损条件的关系。
第2章 试验材料及具体试验方法
2.1 KMTBCr8铸铁的成分
KMTBCr8是一种合金高铬铸铁，其主要成分有：碳、硅、锰、铬、钼、镍、铜、硫、磷等，还有少量其他元素。此牌号的各元素化学成分见表2-1。
表2-1 KMTBCr8的化学成分（%）
CSiMnPSCrMoNiCu2.1-3.21.5-2.22.0≤0.10≤0.067.0-11.01.51.01.22.2 热处理实验
2.2.1 热处理试样的制备
实验所用KMTBCr8材料是根据表2-1的成分浇铸的合金高铬铸铁。
将铸造后的KMTBCr8利用MH-7720型电火花线切割机切割成
5.6mm5.6mm53mm试样若干。
2.2.2 淬火工艺
KMTBCr8的组织是莱氏体，所以冲击韧性和塑性极差。可见，如果选择合适的热处理工艺，就能获得一系列不同组织和性能的铁碳合金材料。
（1）淬火温度的确定
灰铸铁淬火加热温度选在共析转变上临界温度以上25℃~40℃，使奥氏体获得合适的碳含量并消除大部分可能存在的铁素体。一般灰铸铁淬火温度可选860~880℃，硬度最高可达HRC60~62。合金铸铁件淬火时应考虑合金元素对共析转变临界点的影响，KMTBCr8是高合金铸铁，淬火温度应更高一些，范围在900℃~1050℃之间。本试验选择3个淬火温度，分别为900℃,980℃和1050℃。
（2）淬火保温时间的确定
保温时间一般由试验确定，但也有个经验公式：
τ=αKD （2-1）
τ——保温时间（min）
α——加热系数（min/mm）
K——装炉修正系数
D——工件的有效厚度（mm）
加热系数表示工件单位有效厚度所需的加热时间，铸铁若在800~1050℃的箱式炉中加热，可取=1~1.5；若在盐浴炉中加热，要取=0.3~0.5。装炉修正系数K根据装炉量的多少确定，装炉量大时，K值取得较大，一般由经验确定[17]。
工件有效厚度的计算原则是：薄板工件的厚度即为其有效厚度；长的圆棒料直径为其有效厚度；正方体工件的边长为其有效厚度；长方体工件的高和宽小者为其有效厚度；带锥度的圆柱体工件的有效厚度是距小端2L/3（L为工件的长度）处的直径；带有通孔的工件，其壁厚为有效厚度。一般情况下，碳钢可以按工件有效厚度
25mm/h来计算，合金钢及铸铁可以按工件的有效厚度20mm/h来计算保温时间。 根据以上资料，确定淬火保温时间为30min。
（3）淬火介质的确定
KMTBCr8本身含有大量合金元素，故其淬透性很高，虽然油淬可增加奥氏体的稳定性[18]，但是因为工件小而薄，所以可直接水淬。
（4）回火温度的确定
KMTBCr8采用低温回火时，在180~250℃范围内，选取200℃。采用高温回火时，可选取560℃三次高温回火。
（5）回火保温时间的确定
根据《热处理手册》查得，低温回火保温时间大约为1~1.5h，取保温时间1h，高温回火每次保温时间2h。
综上所述，制定出以下5种热处理工艺如表2-2所示
表2-2 KMTBCr8热处理工艺
试验组数淬火温度/℃淬火保温时间/h淬火冷却方式回火温度/℃回火次数回火保温时间/h回火冷却方式19000.5空冷20011空冷29000.5水冷20011空冷39800.5水冷20011空冷410500.5水冷20011空冷510500.5水冷56032空冷
2.3 金相观察
2.3.1 金相试样的制备
金相试样截取的原则：选择有代表性的金相试样是金相研究的第一步，不重视取样的重要性常常会影响试验结果的成败。金相试样的制备方法包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序[19]。选取经过热处理后的四组试样每组取一个及一个原试样进行金相制备，试样规则不需要镶嵌，可以直接用手来磨制。
具体磨制过程为：依次用800、1000、1200的耐水砂纸对试样进行磨制，每次换另一个粒度号的砂纸时将试样转90度，使得相邻两次磨痕垂直；然后依次用1、2、3、4、5、6号金相砂纸进行磨制，用金相砂纸磨制时必须朝一个方向磨制，相邻两号砂纸的磨痕也要保持垂直，直到磨制面光亮且无明显的划痕时可用抛光机进行抛光。抛光时选取Cr2O3为抛光剂，抛至去除细磨时留下来的细微磨痕并获得光亮如镜的磨制面。用清水冲洗一下，然后用无水酒精清洗表面，再浸蚀；浸蚀采用的腐蚀剂为4%的硝酸酒精溶液，浸蚀完毕后立即用清水冲冼，然后用无水酒精冲冼，最后用吹风机吹干后，试样即可置于金相显微镜上进行观察。
2.3.2 观察及照相
（1）观察
用XJP-3A型金相显微镜分别观察所制备的六组金相试样，如果可以看到清晰的组织，就可以拍摄热不同处理后的金相试样的组织形貌照片，比较并分析各种热处理状态下的组织变化。
（2）金相摄影
照相的目的是将所观察到的金相组织的影象保存下来，方便后续试验的分析。
2.4 硬度的测定
利用HR-150洛氏硬度计分别测定热处理后7组试样的硬度，采用洛氏硬度计的C标尺，每个试样测试五组，并进行记录，最后取平均值；这样可以减小偶然误差，避免系统误差。
测试时将试样平稳地放置在刚性支承物上，并使压头轴线与试样表面垂直。避免试样产生位移。使压头与试样表面接触，在无冲击和振动的情况下施加试验力，初试验力保持不应超过3秒。将测在不小于1s且不大于8s的时间内，从初试验力增加到总试验力，并保持4s2s，然后卸除主试验力，保持初试验力，经过短暂稳定后，进行读数。为了读数准确，在试验过程中，硬度计应避免受到任何冲击和震动。在多处取值时，两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的 4倍，但不得小于2mm。任一压
痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍， 但不得小于1mm。
2.5 腐蚀磨损试验
2.5.1 腐蚀磨损试样的制备
将热处理后的试样及原始试样表面进行除油、除锈、打磨光洁，并用无水乙醇清洗，然后吹干。
2.5.2 腐蚀磨损试验
将之前处理好的试样分别编号并做好标记。采用失重法对KMTBCr8进行腐蚀磨损试验，利用FC204型电子天平对试样进行称重并记录，然后进行腐蚀磨损试验。
（1）无腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回四组试样进行试验，腐蚀磨损条件为低转速、砂水比例1:1、ph为7、腐蚀磨损时间为6h。
(2)中性腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回四组试样进行试验，腐蚀磨损条件为含有Nacl 3.5%、低转速、砂水比例1:1、ph为7、腐蚀磨损时间为12h。
（3）酸性腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回、1050℃水淬200℃低回、1050℃水淬560℃三次高温回火五组试样进行试验，腐蚀磨损条件为低转速、砂水比例1:1、ph为6、腐蚀磨损时间为6h；另外有一组900℃空冷200℃低回的试样在低转速、砂水比例2:1、ph为6、腐蚀磨损时间为6h的条件下进行腐蚀。
（4）碱性腐蚀介质的腐蚀磨损试验：分别选择无热处理、900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回、1050℃水淬200℃低回、1050℃水淬560℃三次高回五组试样进行试验，腐蚀磨损条件为低转速、砂水比例1:1、ph为
8、腐蚀磨损时间为6h；另外有一组900℃空冷200℃低回的试样在高转速、砂水比例1:1、ph为8、腐蚀磨损时间为6h的条件下进行腐蚀。
试验后将试样用超声波清洗仪清洗30min，用吹风机吹干试样，并利用FC204型电子天平对试样再次进行称重，并记录。
第3章 组织与硬度分析
3.1 金相组织分析
3.1.1原始试样组织
图3-1中a.为试样KMTBCr8的铸态显微组织。从图中可以看到, KMTBCr8的铸态显微组织由珠光体和渗碳体构成，其为共晶转变的产物，得到的平衡组织为树枝状珠光体分布在共晶渗碳体的基体上，即莱氏体，莱氏体在刚形成时由细小的奥氏体与渗碳体两相混合物组成，继续冷却时，奥氏体将不断析出二次渗碳体，即先共析渗碳体，这部分渗碳体与原莱氏体中的渗碳体连在一起，无法分辨。冷到727℃时，奥氏体的含碳量改变到0.77%，通过共析转变而形成珠光体。因此室温下看到的莱氏体组
织是由珠光体和渗碳体组成的。图中黑色网状组织为渗碳体，黑色的细小颗粒或条状组织为珠光体，白亮的基体仍为渗碳体。从图中可以看出KMTBCr8的显微组织仍具有典型的共晶体特征。
KMTBCr8的重要组织特点是具有M7C3型铬碳化合物。由于碳化物硬度高、非连续性分布使基体金属被切割程度低，因此，KMTBCr8具有很好的耐磨性。
3.1.2淬火+回火后组织
淬火是将KMTBCr8重新加热到奥氏体化温度并保温，这时奥氏体中过饱和的碳、铬就以二次碳化物形式弥散析出，奥氏体的稳定性下降，随着温度下降，就可以转变成马氏体。淬火后的组织为马氏体+渗碳体+残余奥氏体，且随着淬火温度升高，马氏体的量逐渐增加，残余奥氏体的量逐渐减少。
当Fe-C合金从奥氏体化温度急速冷却下来，由于淬火温度和冷却速度不同，因此会得到不同的基体组织。在含有过饱和碳的面心立方晶格的奥氏体到体心立方晶格的铁素体的共析转变过程中，碳在铁素体中的溶解度急剧降低到0.02%以下，如果相变速度缓慢，奥氏体则以共析渗碳体的形态析出碳，奥氏体排出了碳转变成铁素体。 淬火时冷却速度很快，没有充分的时间允许奥氏体中的碳扩散到析出渗碳体内。奥氏体转变而成的固溶了大量碳的面心立方晶格（或体心正方晶格）组织即为马氏体。形成马氏体的转变为无扩散相转变，能够获得高强度高硬度组织。在发生马氏体转变时，马氏体的硬度并非总是升高的。在Cu合金、Ti合金以及陶瓷中也存在马氏体转变。Fe-C合金中奥氏体碳含量少时，马氏体转变后也比较软，强度也比较低。碳含量增多则硬度和强度增大。即固溶碳使马氏体的键加强。这种晶体结构在这种状态下形成最稳定的结合键[12]。Fe和C反应时Fe-C键被强化是由于Fe原子未填满的d轨道被C原子外层电子所填满，形成具有强共价键特性的结合键。这样从奥氏体化温度区快速冷却形成马氏体，比缓慢冷却转变成珠光体或铁素体释放的能量少。少释放的能量作为内部能以残留应力或者Fe和C原子的结合能的形式被储存起来[13]。 在奥氏体化温度范围内，碳在奥氏体中的溶解度随温度升高而增大。淬火温度较低时，如900℃时，碳在奥氏体中的溶解度较低，保温到平衡状态时，二次碳化物析出很多，所以奥氏体中铬与碳的含量比较低，待冷却至室温，部分可以转变成马氏体，所以试样硬度会稍有提高。当淬火温度达到1050℃时，奥氏体中可以析出的二次碳化物量很多，待温度冷至室温时，奥氏体几乎全转变成马氏体，残留下来的奥氏体非常少，且马氏体中含碳量高，因此KMTBCr81050℃淬火后的硬度很高。比较图3-1中b、c、d、e、f，图b.为900℃空冷，200℃低回的试样组织；图c.为900℃水淬，200℃低回的试样组织；图d.为980℃水淬，200℃低回的试样组织；图e.为1050℃水淬，200℃低回的试样组织；图f.为1050℃水淬，560℃三次回火的试样组织。从图中可以看出，淬火后所得到的组织均为马氏体+残余奥氏体+渗碳体。且组织分为3层，第一层为网状渗碳体，第二层为黑色针状马氏体，第三层为亮白色为渗碳体基体+残余奥氏体+少量马氏体。随淬火温度升高，残余奥氏体+碳化物明显减少，马氏体量
明显增多，同时，共晶碳化物也呈细小变化的趋势。
KMTBCr8试样淬火后应立即进行回火处理，回火处理采用低温和高温两种方式。低温回火的主要作用是消除应力，稳定组织，降低残余奥氏体含量。马氏体是由残余奥氏体转变而来的。经过回火处理,试样组织中增加了碳化物的含量 ,奥氏体在试样组织的含量却是一直降低的。这是由于在回火处理KMTBCr8过程中,面心立方晶格的r-Fe中的过饱和C原子会扩散出来,且碳原子会结合原来固溶在奥氏体中的合金元素如Cr、Mn等元素原子形成金属化合物。奥氏体中析出了金属化合物之后,奥氏体中合金元素的含量就会降低,奥氏体的稳定性也会降低,增加了过冷奥氏体的转变速度,使
KMTBCr8的临界冷却速度下降,马氏体转变开始线Ms升高。这样,马氏体就由奥氏体转变而成。因此,残余奥氏体的含量将减少,而马氏体的含量将增多。
a.铸态KMTBCr8组织 500 b.900℃空冷，200℃低回 500
c.900℃水淬，200℃低回 500 d.980℃水淬，200℃低回 500
e.1050℃水淬，200℃低回 500 f.1050℃水淬，560℃三次回火500
图3-1 KMTBCr8不同热处理状态下的金相组织
3.2 硬度值及分析
3.2.1 KMTBCr8不同热处理后的硬度值
KMTBCr8经过不同的热处理后，利用型号为HR-150的洛氏硬度计测得的不 同热处理状态下及原始试样的硬度值如表3-1所示。
表3-1 KMTBCr8钢在不同热处理状态下的硬度值（HRC）
试样类别
硬度值(HRC)900℃空冷200℃低回900℃水淬200℃低回980℃水淬200℃低回1050℃水淬200℃低回1050℃水淬560℃三次高回原始铸件
测试值145.649．453.056.050.539.0测试值246.148.952.557.251.835.4测试值346.350.551.856.051.236.6测试值446.049.652.456.451.137.0测试值
546.850.352.756.251.538.2平均值46.1649.7452.4856.3551.2237.24
由上表可以看出，原始件KMTBCr8的试样硬度值较低,经过淬火处理之后的试样硬度均有所升高，且回火温度相同时，随着淬火温度的升高，KMTBCr8的硬度也逐渐增高，1050℃水淬200℃低回状态下的试样的硬度值较高，而且要高于1050℃水淬560℃三次高温回火的硬度。
3.2.2 硬度分析
原始铸件KMTBCr8的组织为莱氏体，即在高温时由奥氏体和渗碳体构成；在低温
时(727℃以下)，由珠光体和渗碳体构成，故铸态试样的硬度较低，还不到HRC 40。900℃空冷200℃低回、900℃水淬200℃低回、980℃水淬200℃低回、1050℃水淬200℃低回以及1050℃水淬560℃三次高温回火得到的试样组织均以马氏体为主，还有渗碳体和残余奥氏体组成，且随着淬火温度的升高，组织中的马氏体含量逐渐增加，残余奥氏体含量逐渐减少。而马氏体的硬度要远远高于残余奥氏体，所以随着淬火温度的升高，试样的硬度也是不断增高的。1050℃水淬560℃三次高温回火得到的组织中，由于回火温度高于低温回火，回火时间高于低温回火，回火次数也高于低温回火，所以高温回火马氏体中碳的扩散程度更大，析出的二次碳化物更多，马氏体中剩余的碳化物含量更低，故高温回火得到马氏体的过饱和程度低；而1050℃水淬200℃低回试样的回火温度低回火时间短，回火次数少，所以低温回火马氏体中碳的扩散程度低，析出的二次碳化物相对较少，马氏体中剩余的碳化物含量高，故低温回火得到马氏体的过饱和程度高。所以在相同的淬火温度1050℃下，560℃三次高温回火的硬度明显低于200℃低温回火的硬度。并有研究表明：铸铁的硬度随残留奥氏体含量的减少而增加,当残留奥氏体含量为10%左右时,硬度达到最大,继续降低残留奥氏体含量,铸铁硬度下降[20]。故1050℃水淬200℃低回试样的硬度值最高，1050℃水淬560℃三次高温回火试样的硬度反倒有所降低。
第4章 腐蚀磨损试验结果分析
4.1腐蚀试验结果
运用失重法来比较KMTBCr8腐蚀磨损前后重量的变化以分析试样的耐腐蚀磨损性与PH值、腐蚀磨损条件的关系。腐蚀磨损试验结果如表4-1和表4-2所示： 表4-1 KMTBCr8在3.5%Nacl条件下腐蚀磨损12h
无热处理失重率/(‰)900℃空冷200℃低回失重率/(‰)900℃水淬200℃低回失重率/(‰)980℃水淬200℃低回失重率/(‰)2h差值0.0017 g0.1450-0.0109 g-0.98510.0012 g0.1088-0.0141 g-1.20104h差值0.0015 g0.12800.0073
g0.65970.0004 g0.3626-0.0041 g-0.34926h差值0.0016 g0.13650.0016
g0.14460.0022 g0.1994-0.0004 g-0.03418h差值0.0187 g1.59540.0251
g2.26840.0300 g2.71950.0102 g0.868810h差值0.0014 g0.11940.0063
g0.56940.0029 g0.2629-0.0011 g-0.093712h差值0.0007 g0.05970.0035 g0.31630.0068 g0.61640.0006 g0.0512
表4-2 KMTBCr8在不同条件下的腐蚀磨损6h
热处理工艺ph磨损条件差值/(g)失重率/(‰)无热处理7砂：水=1:1低速0.02331.9828900℃空冷200℃低回7砂：水=1:1低速0.04033.5832900℃水淬200℃低回7砂：水=1:1低速0.02482.2209980℃水淬200℃低回7砂：水=1:1低速0.02872.4723无热处理6砂：水=1:1低速0.00110.0936900℃空冷200℃低回6砂：水=1:1低速0.01661.4576900℃水淬200℃低回6砂：水=1:1低速
0.01671.5765980℃水淬200℃低回6砂：水=1:1低速-0.0036-0.32231050℃水淬200℃低回6砂：水=1:1低速0.01120.97611050℃水淬560℃三次高回6砂：水=1:1低速0.01191.0461900℃空冷200℃低回6砂：水=2:1低速0.05454.8117无热处理8砂：水=1:1低速0.00750.6558900℃空冷200℃低回8砂：水=1:1低速0.02121.8232900℃水淬200℃低回8砂：水=1:1低速0.02121.8621980℃水淬200℃低回8砂：水=1:1低速0.00880.76941050℃水淬200℃低回8砂：水=1:1低速0.00090.07811050℃水淬560℃三次高回8砂：水=1:1低速0.01461.2638900℃空冷200℃低回8砂：水=1:1高速0.579954.38994.2试验数据处理分析
根据全部实验数据,作出XY坐标系的折线散点图和柱状图,以及腐蚀磨损后的金相组织和宏观形貌，以探索其腐蚀磨损规律。
4.2.1 试样在不同ph中的腐蚀磨损
图4-1不同热处理工艺试样的失重率随ph的变化曲线
图4-1为不同热处理工艺的KMTBCr8试样失重率随ph的变化曲线图，从图中可以看出，900℃空冷200℃低回与900℃水淬200℃低回的试样失重率在三种ph下的变化趋势相同，均为先减小，后增加；铸态KMTBCr8试样与980℃水淬200℃低回试样的失重率随ph的变化都呈增加趋势，但铸态KMTBCr8试样的失重率一直为正值，而980℃水淬200℃低回试样的失重率先为负值，后逐渐增加为正值，且失重率增加速度大于铸态KMTBCr8试样。所以在此种腐蚀磨损条件下，铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最佳，其次是980℃水淬200℃低回的KMTBCr8试样，900℃空冷200℃低回与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。
4.2.2试样在3.5%Nacl介质中腐蚀磨损
图4-2不同热处理工艺的试样在3.5%Nacl介质中12h失重率随时间的变化曲线 图4-2为不同热处理工艺的KMTBCr8试样在3.5%Nacl介质中12h失重率随时间的变化曲线图，从图中可以看出，所有试样都是在腐蚀磨损8h时失重率最大，铸态KMTBCr8试样的失重率在腐蚀磨损6h内都是基本不变而且较低的，在腐蚀磨损8h后其失重率又呈降低趋势，说明铸态试样在此种条件下的耐腐蚀磨损性能很好。900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与980℃水淬200℃低回在腐蚀磨损2h时的失重率均为负值，前者在4h时失重率变为正值，后者依旧为负值，在腐蚀磨损10h后，前者失重率呈下降趋势，后者呈上升趋势。900℃水淬200℃低回试样的失重率开始先基本保持不变，在8h达到最大值，10h后又有上升趋势。所有试样在腐蚀磨损6h时的失重率最接近，但综合失重率与失重率的变化趋势可以看出，在此种腐蚀磨损条件下，铸态试样的耐腐蚀磨损性能最佳；900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样最差。
为了980℃水淬200℃低回的试样失重率为何会出现负值，对腐蚀磨损后的试样进行磨制金相，再抛光，然后放到显微镜下观察，得到如图所示的金相图片。
图4-3.980℃水淬,200℃低回，中性介质500 图4-4 h.980℃水淬,200℃低回，中性介质50
图4-3和图4-4分别为980℃水淬200℃低回的试样在3.5%的Nacl中腐蚀磨损后显微镜下500倍和50倍金像图片。从图中可以看出，该试样在此种腐蚀磨损条件下截面周围腐蚀严重，其腐蚀机理为沿晶界腐蚀并伴有点腐蚀。当腐蚀磨损过程中生成腐蚀产物的量小于磨损量时，试样的失重率即为正值；当腐蚀磨损过程中生成腐蚀产物的量大于磨损量时，就会出现失重率为负值的情况。此种情况下的试样虽然失重率为负，但是试样腐蚀非常严重，该试样在此种条件下，耐腐蚀磨损性能很差。
4.2.3试样在酸性腐蚀介质中腐蚀磨损
图4-5不同热处理试样在ph为6时的失重率
图4-5为不同热处理工艺的试样在其余腐蚀磨损条件均相同，ph为6时的腐蚀磨损失重率。从图中可以看出，试样在ph为6的条件下腐蚀磨损时，980℃水淬200℃低回试样的失重率为负值；除此之外，铸态KMTBCr8试样的失重率最低，几乎为0；900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样的失重率相近，后者略高一点；1050℃水淬200℃低回的试样与1050℃水淬560℃三次高回试样的失重率相近，后者略高一点。由上文可知980℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能很差，故在ph为6时，铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最佳，其次是1050℃水淬200℃低回的试样与1050℃水淬560℃三次高回试样，900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样耐腐蚀磨损性能最差。
研究表明:在酸性介质中,奥氏体钝化能力比马氏体强,钝化膜稳定,奥氏体耐蚀性优于马氏体[21]。KMTBCr8试样经过热处理之后，奥氏体的含量减少,马氏体的含量增加。所以铸态的KMTBCr8试样耐腐蚀磨损性能要优于热处理之后的。图4-5中曲线图明显证明了这个结论。
同时对于高铬铸铁KMTBCr8而言,根据高岩,王焕庭,王富岗的研究,加入Cr元素可以产生如下的影响：加入的Cr元素更多的在基体中固溶,基体的电极电位被提高,从而高铬铸铁中基体与共晶碳化物的电极电位差值得以降低,加入的过多Cr元素在基体的表面可以覆盖了一层较好的钝化膜,基体对碳化物有效的起到了支撑保护作用[22]。经过热处理后，奥氏体中Cr元素析出，故其耐腐蚀性也就随之降低。酸中H离子的浓度多,会与铸铁中所含有的金属元素铁、铬等合金元素发生置换反应,，金属元素被置换出来，所以高铬铸铁被腐蚀。在腐蚀砂浆中进行高速腐蚀磨损试验，由于砂浆中石英砂的比例较高，会因砂浆的机械作用会破坏奥氏体生成的钝化膜，相界的腐蚀加剧，同时也加速了磨损的过程。
4.2.4试样在碱性腐蚀介质中腐蚀磨损
图4-6不同热处理试样在ph为8时的失重率
图4-6为不同热处理工艺的试样在其余腐蚀磨损条件均相同，ph为8时的腐蚀磨损失重率。从图中可以看出，试样在ph为8的条件下腐蚀磨损时，1050℃水淬200℃低回的试样失重率最低；其次是铸态KMTBCr8试样；接着是980℃水淬200℃低回的试样；然后是1050℃水淬560℃三次高回试样；900℃空冷200℃低回的
KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样的失重率都很高且相近，但后者的失重率更高。
根据华南理工大学刘钧泉等的研究，高铬铸铁在碱性溶液中的腐蚀可以分为三个过程，首先是溶解奥氏体钝化膜，钝化膜的抗腐蚀作用有限，因此很短时间就会腐蚀掉钝化膜，接着是腐蚀基体金属，这属于原电池腐烛，基体组织为阳极被腐蚀，阴极为碳化物,这个阶段腐蚀速度最快而且均匀，腐蚀的形式有相界腐蚀和腐蚀开裂;最后在腐蚀产物作用下继续腐蚀，这个阶段腐蚀速率低于第二个阶段,但猜测腐蚀形式与第二个阶段相同,即相界腐蚀和腐蚀开裂[23]。
4.2.5试样在中性腐蚀介质中的腐蚀磨损
图4-7不同热处理试样在ph为7时的失重率
图4-7为不同热处理工艺的试样在其余腐蚀磨损条件均相同，ph为7时的腐蚀磨损失重率。从图中可以看出，在ph为7的条件下腐蚀磨损时，铸态KMTBCr8试样的失重率最低；其次是900℃水淬200℃低回试样，然后是980℃水淬200℃低回的试样，900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样失重率最高。在此种条件下，铸态试样的耐腐蚀磨损性能最佳，900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最差。
结合以上分析表明：对于KMTBCr8试样在此种腐蚀磨损条件下的耐腐蚀磨损性而言，铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性最强；900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。因为与铸态试样相比，其组织中的奥氏体含量是一直降低的。因为KMTBCr8试样在淬火加热过程中,面心立方晶格的r-Fe中的过饱和C原子会扩散出来,且碳原子会结合原来固溶在奥氏体中的合金元素，如Cr、Mn等元素，形成金属化合物，从奥氏体中析出了金属化合物，奥氏体中合金元素的含量就会降低。于是残余奥氏体的含量减少，马氏体的含量增多。而奥氏体的钝化能力优于马氏体,所以材料耐腐蚀磨损性能将减弱[24]。
4.2.6砂浆比例与转速对腐蚀磨损的影响
图4-8砂浆比例及转速对试样失重率的影响
图4-8为900℃空冷200℃低回的KMTBCr8试样在除砂浆比例不同，其余腐蚀磨损条件均相同的条件下的失重率；以及在除转速外其余腐蚀磨损条件均相同的条件下的失重率。从图中可以看出，在其余腐蚀磨损条件均相同的条件下，砂浆中砂水比例大的失重率更大；转速高的失重率更大，且转速对腐蚀磨损的失重率影响巨大。 因为在相同条件下，砂水比例越大，则单位时间单位面积内与试样接触摩擦的砂粒越多，对试样的腐蚀磨损作用更明显；转速越高，则在单位时间内，单位面积试样与砂粒接触摩擦的次数越多，所以同样的腐蚀磨损时间下，高转速对试样的腐蚀磨损作用更明显。
结 论
本文研究了热处理工艺和腐蚀磨损条件对KMTBCr8的腐蚀磨损性能的影响，并得出以下结论：
1. 在ph为8的条件下腐蚀磨损时，1050℃水淬200℃低回的试样耐腐蚀磨损性能最佳；其次是铸态KMTBCr8试样； 900℃空冷200℃低回的试样与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。
2.除上述之外的所有腐蚀磨损条件下都是铸态KMTBCr8试样的耐腐蚀磨损性能最佳；900℃空冷200℃低回与900℃水淬200℃低回试样的耐腐蚀磨损性能最差。
3.砂浆中砂粒比例越大，腐蚀磨损越严重。
4.转速越高，腐蚀磨损越严重。
致 谢
在这篇论文完成之际，我要衷心感谢我的导师王淑花老师。
在我大学四年里, 老师不仅在平时授课时认真负责，给我答疑，还占用个人时间帮我解答疑问。在论文的写作过程中，从论文的选题、提纲拟订、实验过程到修改定稿，王老师都给予我悉心的指导，提出了许多宝贵的意见，使我受益匪浅。王老师严谨的治学态度、丰富的专业知识、敏锐的洞察力和综合分析能力，给我留下了深刻的印象，使我深受启发，为我今后的学习和工作打下了良好的基础，也让我充实地度过了大学生活。在此，我向王淑花老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。
其次感谢大学期间给我授课的所有老师，他们的精心教导使我终生受益。感谢身边的同学在这期间给我的帮助。
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