高铬白口铸铁中碳当量对抗磨性能的影响

图１系Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图（部分）。图中Ｅ、Ｃ、Ｆ三点的含 Ｃ 量分别为２．１１％，４．３％和６．６９％。根据杠杆定律，得 知共晶组织中（莱氏体）Ｆｅ３Ｃ占４８％，接近一半，所以莱 氏体中脆性相呈连续相，在莱氏体白口铁中，可以把 组织看作为渗碳体基体或海绵状渗碳体里面镶嵌奥氏 体的转变产物，因此改变韧性取决于脆性的碳化物相， 而共晶奥氏体呈孤立的杆状。普通白口铸铁如果选择 共晶，金属显微组织将全是莱氏体，十分脆。
磨损率／ !／Ｊ （ｍｍ·３ ｍ－１）
参考 文献
１
３．１ ２４．５ ０．２９ ０．５ １．０ ０．０ ０．１
－
Ａ
铸态 ２９．３
７１．７
６００ ２２８ ０．１４９
Ｔ
５８!（ ２ｈ） ２４．１
７５．９
６００ ２３４ ０．１９９
Ｄ
１０００"（ ４ｈ） ６６．５
３３．５
３２
７８０ １６０ ０．１０３
３
ＤＴ
１０００#（ ４ｈ） ＋４８２$（ ８ｈ） ９５．２
关键词：高铬白口铸铁；碳当量；抗磨性能 中图分类号：ＴＧ １４３．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－４９７７（ ２００５） ０８!０７４１!０４
ＺＩ Ｓ ｈｕ （Ｃｏｌｌｅ ｇｅ ｏｆ Ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌｓ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ａ ｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ， Ｂｅ ｉｊｉｎｇ Ｐ ｏｌｙｔｅ ｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ， Ｂｅ ｉｊｉｎｇ １０００２２， Ｃｈｉｎａ ）
Ａ
铸态
６４
３６
Ｂ
１０００5（ ４ｈ） ８４
１６
Ｃ
１０００6（ ４ｈ） ＋５５０7（ １２ｈ） ９２
８
６４０
３５
７６０
６２０
注：表中!是试样冲击断裂功，试样尺寸５ｃｍ!５ｃｍ!２０ｃｍ，有缺口； ｎ．ａ表示未测定。
０．２７１ ０．１３７ ０．６１４
铸造
子 澍：高铬白口铸铁中碳当量对抗磨性能的影响
· ７４３·
４．８
７１０ １５２ ０．１９３
ＤＣＴ １０００%（ ４ｈ） ＋液Ｎ２＋４８２&（ ８ｈ）
９９
１
６７０ １０１ ０．２２６
ＤＴＣ １０００’（ ４ｈ） ＋４８２(（ ８ｈ） ＋液Ｎ２
１００
０
６００ １４０ ０．４８１
２
２．７６ ２６．２ ０．３８ ０．４２ ０．９３ ０．３８ ０．０
铸态
３
３．０７ ２６．２ ０．２８ ０．４３ １．０２ ０．４５ ０．０
Ａ
铸态
４２
５８
Ｂ
液Ｎ２＋２５０0（ ４ｈ）
ｎ．ａ
Ｃ
１０００1（ ４ｈ） ＋液Ｎ２＋２５０2（ ４ｈ）
ｎ．ａ
Ｄ
１０００3（ ４ｈ） ＋５５０4（ ４ｈ）
ｎ．ａ
４１０
１４
７４０
６６０
Βιβλιοθήκη Baidu
４８０
５７０ ２８
７７０
７００
０．２６６ ０．３ ０．４７４
５
０．１２２ ０．１６８ ０．１５５ ０．１７２
８
３．２ ２８．８ ０．３ ０．２ ０．５ ０．５ ０．１
收稿日期：２００５－０５－２３。 作者简介：子澍（ １９３７－），男，辽宁海城人，教授，主要从事促进铸造合金强韧化的材料设计和工艺方法的研究。
·７４２· Ａ ｕｇ．２００５
ＦＯ Ｕ Ｎ Ｄ Ｒ Ｙ
Ｖ ｏｌ．５４ Ｎ ｏ．８
高铬白口铸铁广泛用来制造发电厂磨煤用磨中的 辊套、磨盘、磨环与磨球，干磨水泥熟料球磨机中的 磨球与衬板等。在碾碎、磨碎磨料的过程中，铸件承 受着很高的应力。在这种工况条件下应如何来选择化 学 成 分 和 显 微 组 织 ， 美 国 冶 金 学 家Ｏ．Ｎ．Ｄｏｇａｎ 和 Ｇ． Ｌａｉｒｄ分别利用如图２所示的销－桶磨损试验装置进行了
这方面的研究［２］。圆桶直径 ０．５１ｍ，长０．６１ｍ，上覆以 石榴石砂布（ＨＶ＝１ ３６０），石榴石粒度为１５０目（１５０!ｍ）。 当低速旋转时，使表面砂布产生２．７ｍ／ｍｉｎ的速度。试 验用圆销直径为０．６３５ ｃｍ，长２．５ ｃｍ。圆销试样固定在 卡盘上，卡盘上施加６６．７ Ｎ的砝码，产生压强为１３４ Ｎ／ｃｍ２。圆销每分钟旋转１７转，并能沿圆桶长度方向移 动，磨损率按圆销在石榴石砂布上摩擦行程１ｍ造成的 磨损体积（ｍｍ３／ｍ）计。该研究成果汇总于表１。
文献［６］给出了用湿式橡胶轮磨损试验装置进行试验 研究的结果。表３是试验用高铬白口铁的化学成分及碳 化物体积百分数。图３是磨损试验结果汇总，试样体积 损失以橡胶轮旋转５０００转造成试样的体积损失（ ｍｍ３） 计。
图 ３ 中 磨 损 体 积 损 失 最 小 的 是 炉 次 为 ６３、 １９Ａ 与 １９Ｂ，三者的碳当量分别为４．０６％、４．０３％和４．０６％，属 于接近共晶点（ ４．３％） 的亚共晶铸铁。而２０Ａ的碳当 量为４．８７％，属过共晶，且偏离共晶点含Ｃ量稍远，按 前面干式橡胶轮磨损试验的结果（ Ｄｏｇａｎ冶金师等人作 出的），体积损失曲线的最低点应在共晶点处，即比 ６３、１９Ａ、１９Ｂ还要低一点，但也不会低得太多。
!"
!!!!!"
Ｖ ｏｌ．５４ Ｎ ｏ．８ Ａ ｕｇ． ２００５
铸造
ＦＯ Ｕ Ｎ Ｄ Ｒ Ｙ
· ７４１·
!"
!!!!!" 专题综述
高铬白口铸铁中碳当量对抗磨性能的影响
子澍
（北京工业大学材料科学与工程学院，北京 １０００２２）
摘要：高铬白口铸铁的共晶显微组织与普通白口铸铁的共晶组织不同，其中不连续的条块状共晶铁、铬碳化物 Ｍ７Ｃ３ 占
胶轮磨损试验属于低应力磨料磨损试验。 表２是美国治金师Ｄｏｇａｎ等人用干式橡胶轮磨损装
置进行试验的结果。试验磨损量以橡胶轮转２０００转、 试样的体积损失计算（ ｍｍ３）。从表２可看出，２号合 金，共晶型的Ｃｒ２６合金（ 碳当量为４．５％） 最抗磨，体 积损失为１０．１ ｍｍ３。由于共晶合金，共晶奥氏体与共 晶Ｍ７Ｃ３型碳化物均匀分布，碳化物间自由程短，对基 体起到了很好的保护作用，所以最为抗磨。
Ｔｈｅ ｅ ｕｔｅ ｃｔｉｃ ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－Ｃｒ ｗｈｉｔｅ ｃａ ｓ ｔ ｉｒｏｎ ｄｉｆｆｅ ｒｓ ｆｒｏｍ ｏｒｄｉｎａ ｒｙ ｗｈｉｔｅ ｃａ ｓ ｔ ｉｒｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ａ ｌｌｏｙｓ ， ｔｈｅ ｆｏｒｍｅ ｒ ｃｏｎｔａ ｉｎｓ ２５％ Ｍ７Ｃ３ ｃａ ｒｂｉｄｅ ｓ ， ｔｈｅ ｌａ ｔｅ ｒ ｈａ ｓ ４８％ Ｍ３Ｃ ｃａ ｒｂｉｄｅ ｓ ． Ｓ ｏ ｔｈｅ ｅ ｕｔｅ ｃｔｉｃ ｈｉｇｈ－Ｃｒ ｗｈｉｔｅ ｃａ ｓ ｔ ｉｒｏｎ ｉｓ ｔｏｕｇｈｅ ｒ ｔｈａ ｎ ｔｈｅ ｏｒｄｉｎａ ｒｙ ｅ ｕｔｅ ｃｔｉｃ ｗｈｉｔｅ ｃａ ｓ ｔ ｉｒｏｎ ｂｅ ｃａ ｕｓ ｅ ｏｆ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅ ｒ－ｃａ ｒｂｉｄｅ ｓ ｐａ ｃｉｎｇ ｔｏ ｐｒｏｔｅ ｃｔ ａ ｕｓ ｔｅ ｎｉｔｉｃ ｍａ ｔｒｉｘ ｗｅ ｌｌ． Ｉｎ ａ ｈｉｇｈ－ｓ ｔｒｅ ｓ ｓ ａ ｂｒａ ｓ ｉｏｎ ｅ ｎｖｉｒｏｎｍｅ ｎｔ， ｔｈｅ ｌａ ｒｇｅ ｐｒｏ－ｅ ｕｔｅ ｃｔｉｃ ｃａ ｒｂｉｄｅ ｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｙｐｅ ｒｅ ｕｔｅ ｃｔｉｃ ｈｉｇｈ－Ｃｒ ｗｈｉｔｅ ｃａ ｓ ｔ ｉｒｏｎ ａ ｒｅ ｍｏｒｅ ｒｅ ｓ ｉｓ ｔａ ｎｔ ｔｏ ｆｒａ ｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅ ｒ ｔｈｅ ｔａ ｎｇｅ ｎｔｉａ ｌ ａ ｎｄ ｔｅ ｎｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｅ ｘｅ ｒｔｅ ｄ ｂｙ ｔｈｅ ａ ｂｒａ ｓ ｉｖｅ ｐａ ｒｔｉｃｌｅ ．
图２ 销－桶磨损试验装置［２］ Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｅｓｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｗｉｔｈ ｐｉｎ ａｎｄ ｔｕｂｅ
从表１中可以看到最抗磨的是４号合金。过共晶的 Ｃｒ２６（碳当量为５．１９７％），磨损率为０．０８４ ｍｍ３／ｍ，３号合 金，共晶的Ｃｒ２６（碳当量为４．５％）磨损率为０．０９１ ｍｍ３／ｍ， 而亚共晶成分的５号、６号合金，由于碳化物体积百分 数太低（ 分别为２０％和１４％） 故十分不抗磨。
ｈｉｇｈ－Ｃｒ ｗｈｉｔｅ ｃａ ｓ ｔ ｉｒｏｎ ； ｃａ ｒｂｏｎ ｅ ｑｕｉｖａ ｌｅ ｎｔ ； ａ ｂｒａ ｓ ｉｏｎ ｒｅ ｓ ｉｓ ｔａ ｎｃｅ
长期应用普通白口铸铁，人们会得到经验，即白 口铸铁属脆性材料；为安全起见，选择含碳量都使白 口铸铁成为亚共晶成分，以期降低它的脆性。当应用 高铬白口铸铁时，也是多选用亚共晶铸铁成分，以期 安全。然而事实表明，这样会大大降低材料的抗磨性 能。关于高铬白口铸铁应该如何恰当地选择化学成分， 作者拟围绕该问题进行分析和讨论。
在高应力磨料磨损工况下，过共晶高铬铸铁件中 出现初晶碳化物，颗粒较大，它能抵御法向压力和切 向剪切力，不仅不易破碎而且不易折断，故最抗磨。 亚共晶铸铁，会出现初生奥氏体，硬度低，易被磨料 犁出长而深的沟，故不抗磨。
硅砂与矿石的混合与传输设备，制砖模等制砖设 备，输送泥砂的泥浆泵以及杂质泵、矿浆泵等的过流 部件，输送焦炭、矿石等的流槽等处的抗磨件，皆属 于低应力磨料磨损范畴，磨料在传输过程中，其尺寸 基本上未发生变化，抗磨件表面仅发生刮伤和犁削， 高应力磨损时的凿削磨损这里不产生，干式与湿式橡
对比图３ａ与图３ｂ，可以看出，在低应力磨料磨损 条件下，同样是共晶型高铬白口铸铁，马氏体基体要 比奥氏体更抗磨。
总之，文献［６］与文献［２］、文献［４］研究结果是一致 的。在低应力磨料磨损条件下，应选取共晶或稍过共 晶成分（ 碳当量在４．３％ ! ４．５％） 高铬铸铁，这样能保 证有足够的碳化物体积百分数，又使共晶团细小，基 体会得到碳化物的良好保护，通过热处理，空气中淬 火，使金属基体以马氏体为主，提高铸铁的硬３度，保 证在低应力磨料磨损的条件下具有最高的抗磨性能。
表 ! 干式橡胶轮磨损试验时合金样试验结果 "#$%& ! ’()*+#,-. (/$$&(*01&&% 0&#( 2&+2 (&+/%2+ 34( 3&((4/+ #%%4)+ #,- 54674+82&+
２５％左右，与富铬的二次碳化物位于金属基体奥氏体或其转变产物中，而后者的 Ｍ３Ｃ 碳化物能占到 ４８％，可看作渗硫 体基体或海锦状渗碳体，里面镶嵌奥氏体转变产物，所以共晶型高铬白口铸铁的韧性比普通共晶型白口铸铁好，共晶 组织中碳化物的短小空间对共晶奥氏体基体起到良好的保护作用，在高应力磨料磨损条件下，过共晶高铬白口铸铁中 的大块状初生 Ｍ７Ｃ３ 碳化物能很好地抵抗磨粒对抗磨件施加的法向压力和切向剪切力，不易断裂，故而抗磨性能较好。
９７
３
２０ ４２０ ４９０ ７８０ ６２０
０．２６８ ０．７４７ ０．２４ ０．５６５
６
２．２ １８．４ ０．４ ０．３ ０．５ ０．０ ０．０
Ａ
铸态
Ｐ：１９
８１
Ｂ
１０００-（ ４ｈ）
９８
２
Ｂ
１０００.（ ４ｈ） ＋５００/（ １２ｈ）
９８
２
７
３． ０ ２０．２ ０．４ ０．７ ０．７ １．９ １．８
表 ! 高铬白口铸铁化学成分、组织及磨损数据一览表 "#$%& ! ’ ()*&+,%& -. )-/0-(121-34 /1)5-(25,)2,5& #3+ 6&#5 5#2& -. *17*895 6*12& )#(2 15-3
马氏 残余奥 碳化物 合金序号 Ｃ Ｃｒ Ｎｉ Ｓｉ Ｍｎ Ｍｏ Ｃｕ 体量（％ ） 氏体量（％ ） 体积（％ ） ＨＢ
根据文献［１］，含Ｃｒ１５％的高铬白口铸铁的共晶组织 中! 共晶占７４％左右，Ｍ７Ｃ３碳化物占２５％!２６％。所以， 即使选择共晶成分，其共晶碳化物仅占１／４，这时共晶 组织中奥氏体呈连续相，而Ｍ７Ｃ３呈板条状、杆状等孤 立状态，韧性较普通白口铸铁为好。下文介绍高应力 磨科磨损及低应力磨料磨损条件下，Ｃ、Ｃｒ含量变化对 其抗磨性能的影响。
铸态
４
３．６６ ２６．０ ０．２２ ０．７９ ０．９２ ０．３０ ０．０
铸态
２９ ５０９
３３ ５５６
４０ ５９２
０．１１４
０．０９１
４
０．０８４
５
３．１ １５．３ ０．４ ０．４ ０．６ ０．９ ０．８
Ａ
铸态
２２
７８
Ｂ
６５０)（ １２ｈ） Ｐ：９７
３
Ｃ
１０００*（ ４ｈ）
９４
６
Ｄ
１０００+（ ４ｈ） ＋５４０,（ １２ｈ）
铸 铁 中 含Ｃｒ 后 会 使 共 晶 点 左 移 ，其 共 晶 点 含 "
图１ Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图（部分） Ｆｉｇ．１ Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ （ｐａｒｔｓ）
量 ! 共晶可用!共晶＝４．３!０．０５（Ｃｒ％）!０．３３（Ｓｉ％）计算，其碳 当量!当量＝％Ｃ＋０．０５（Ｃｒ％）＋０．３３（Ｓｉ％），当!当量＝４．３％时， 为共晶成分。