耐磨铸铁和钢

Fe-C相图要点简析
碳含量对铁碳合金的组织和性能的影响
铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体和渗碳体 两相组成。
渗碳体Байду номын сангаас强化相，随含碳量的增加，渗碳体的 越多，合金的强度越高，但塑性和韧性显著下 降。
抗磨合金铸铁
根据铸铁中高碳相（石墨相）的存在形态，抗 磨铸铁分为白口铸铁和球墨铸铁。
铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨 化。石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可 从渗碳体分解来获得。
球磨机的磨球、磨煤机和立式磨机的磨辊、磨 盘以及破碎机的小锤头等部件。
破碎机
马氏体球墨铸铁
成分：C（3.4-3.9）、Si（2.2-2.5)、Mn （0.8-1.2）
组织：马氏体+球状石墨+残余奥氏体 淬火处理+低温回火获得高硬度的马氏体基体
的球磨铸铁。 常用于冲击磨料磨损工况，物美价廉，比如水
40Cr、5CrMnMo、CrWMn
合金钢的编号
碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明 钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字 表明，平均质量分数小于1.5%时，不标出， 平均质量分数为1.5%-2.49%标2， 2.5%~3.49%标3，以此类推。
专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。 25CrMO（低合金钢）、ZG35Cr4WMoV（中
韧性高并有适当的硬度(HRC40~50)适用 于要求韧性高，耐磨性较低的工件。
0.4~0.6%C 淬火后获得混合型马氏体组织，适
用于要求较高耐磨和足够韧性的工件。
0.6~0.9%C 淬火后显微组织以片状孪晶马氏体
为主，硬度高(HRC60)，脆性大，适用 于要求较耐磨高、韧性较低的工件。
合金元素的影响
泥球磨机衬板。
贝氏体球墨铸铁
成分：C（3.4-3.9）、Si（2.5-3.5)、Mn （2.0-3.5）
Mn的作用在于推迟奥氏体向珠光体的转变， 抑制珠光体的形成，从而为得到更多的贝氏体 创造了条件。
Si对锰碳化物的形成有较好的抑制作用。B对 获得贝氏体是有益的。
淬火+回火
贝氏体球磨铸铁性能及应用
镍硬铸铁
镍硬铸铁是含镍、铬的白口铸铁，含铬含量分 为2%、9%两类。
铬：促进形成（Fe，Cr）C的化合物，提高碳 化物硬度；镍：主要溶入金属基体中，能有效 提高淬透性，促使形成马氏体获贝氏体基体。
镍硬铸铁抗磨性及应用
镍铬铸铁可用于许多磨损工况，比普通白口铸 铁优越，可与其它白口铸铁、合金钢竞争。当 代替钢时，必须保证在使用条件下不破裂。
优点：硬度高、抗腐蚀磨损；缺点：韧性、抗 冲击疲劳差
应用工况：磨煤机的墨辊、磨环；杂质泵叶轮； 输送管道；轧辊等
低铬铸铁
为了提高铸铁的抗磨性，防止在铸铁中出现石 墨组织，向铸铁中添加一定数量的碳化物形成 元素铬从而形成低铬铸铁。铬含量2%~5%。
组织、结构与普通白口铸铁基本相似，仅碳化 物存在差异（Fe，Cr）3C。
高淬透性、塑性、 韧性，<1%
低合金耐磨钢
低合金耐磨钢具有良好的耐磨性和强韧综合力 学性能，成本较低。
常用合金元素：Cr、Mo、Si、Mn、Ni、RE
用于球磨机衬板、筛板、破碎用锤头、锤柄， 水轮机转轮等
合金钢的编号
首位数字为碳含量，结构钢以万分之一为单位 数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分 之一为单位的数字（一位数）；对于碳质量分 数超过1%时，不标出。
贝氏体球墨铸铁因硬度高、韧度和抗冲击疲劳 性能较好，常用于球磨机磨球、衬板。
矿山湿磨状况，其抗磨性能优于高铬合金铸铁
抗磨合金钢
抗磨合金钢是一类用于磨损工况的特殊性 能钢，其主要特征是在磨损条件下具有较高 的强度、硬度、韧性和耐磨性。
低合金钢：含量不超过5%；
中合金钢：含量5~10%；
高合金钢：含量大于10%
上节内容回顾
微动磨损定义 微动磨损的过程 微动磨损的理论： Uhlig理论 微动磨损的影响因素：材料组织、结
构；载荷；湿度；氧化
Fe-C相图
Fe-C相图要点简析
碳在铸铁-钢种四种形态 铁素体 奥氏体 渗碳体 游离的石墨 三个转变反应 1495℃—奥氏体 1148℃—奥氏体和渗碳体的混合物，莱氏体 727℃—铁素体和渗碳体的混合物，珠光体
溶于固溶体和合金
渗碳体(Fe,Mn)3C， Mn
提高淬透性，<2%
只溶于固溶体，
Si
使F强化，提高钢 的回火能力
脱氧、去硫、净化
钢液、细化晶粒、 稀土
改善钢的质量
合金元素 的影响
溶于固溶体，形成
Cr
碳化物提高淬透性， 增加回火脆性，
<2%
强烈提高淬透性
过高使脆性增大， B
可获B组织
只溶于固溶体，提
Ni
缺点：在摩擦磨损过程中，石墨有削弱基体的 作用，石墨强度低、韧性极低，相当于基体内 的裂纹或空洞，减小了基体的有效截面，并引 起应力集中，导致抗拉强度降低。
设计原则：合理的利用石墨提高耐磨性
组织对铸铁耐磨性的影响
黏着磨损、磨粒磨损定律：材料硬度越高、耐 磨性越好。
疲劳磨损：断裂韧性高，耐磨性越好
按组织结构分为珠光体、马氏体、铁素 体、奥氏体和莱氏体钢。
按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能 钢（我国常用的分类方法）
耐磨合金钢
含碳量
金相 组织
影响钢耐 磨性因素
合金 元素
碳化物
含碳量的影响
对于碳钢来说，适当的增加含碳量，可以提高耐磨性。
低碳钢 中碳钢 高碳钢
0.2~0.3%C 淬火后获得低碳板条马氏体组织，
铸铁的抗磨性能，不仅取决于其服役的条 件，如摩擦副材料的选择、润滑条件、介 质环境、载荷以及速度等，还与铸铁本身 的化学成分及组织结构有紧密的关系。
就铸铁的材质而言，主要影响因素是石墨、 基体组织的影响。
石墨对铸铁耐磨性的影响
优点：石墨独特的结构使其在相对滑动时，其 低能解离面会发生转动，使之基本平行于滑动 界面，能够降低摩擦磨损。（易切削加工、铸 造性好等）
合金钢）、GCr15（高合金钢）
《工程材料》，朱张校主编，清华大学出版社
中合金耐磨钢
合金元素总含量在5~10%之间为中合金钢。 耐磨中合金钢适用中小冲击、磨料磨损工况条
件下的一类材料。 组织以马氏体为主，钢的强韧性很好，屈服强
度高，硬度较高，在使用中有抗断裂、不变形、 耐磨损的特点。 在水泥厂、发电厂、矿场做球磨机衬板、破碎 机锤头、掘进机盘形滚刀刀圈。
白口铸铁不含石墨相
含石墨相的，根据石墨形态可分为：灰铸 铁（石墨呈片状）；球磨铸铁（石墨呈球 状）；蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）
白口铸铁犁铧
石墨组织显微图
灰铸铁
球墨铸铁
抗磨合金铸铁
白口铸铁根据铸铁中主要合金元素的种类与添 加量的多少，又可将其分为普通白口铸铁、镍 硬铸铁和铬系白口铸铁
球墨铸铁则指马氏体球墨铸铁、贝氏体球墨铸 铁和中锰球墨铸铁
高铬铸铁
铬含量大于12%的白口铸铁，是目前国内外最 为广泛的抗磨铸铁之一。
（Fe，Cr）3C， （Fe，Cr）7C3， （Fe，Cr） 23C6三相碳化物。
高铬铸铁的性能及应用
高铬铸铁具有较高的含铬量、良好的硬度、抗 蚀性及抗氧化性，同时具有普通白口铸铁的韧 性，因此广泛的用于各种磨料磨损场合以及各 种高温磨损和腐蚀磨损的工况。
低铬铸铁抗磨性及应用
韧性与普通白口铸铁相当，但硬度增加，抗磨 性比普通白口铸铁有较大的提高。
主要应用于球磨机磨球。
稀土元素添加可改善碳化物形态、细化晶粒、 脱氧、脱硫和净化铁液。
球磨机
中铬铸铁
中铬铸铁含铬量5~10%， 共晶碳化物为（Fe， Cr）3C， （Fe，Cr）7C3两相。
含铬量增加，硬度计抗蚀性增加，可用于中等 冲击载荷的磨料磨损和冲蚀磨损的工况。
高合金耐磨钢
合金元素总含量大于10%为高合金钢。 韧性高、完全性好，且在冲击磨损过程中材料
表面会产生加工硬化现象，具有较好的抗磨性。 主要用于磨料磨损、高速摩擦磨损、腐蚀磨损、
高温磨损等工况。
组织选择：铁素体<奥氏体<珠光体<莱氏体> 渗碳体
普通白口铸铁
普通白口铸铁组织、结构特点 高碳低硅 含碳量增加提高硬度，同时脆性增加，并容易出现 石墨相。 硅含量增加，降低共晶含碳量，促进石墨相生成。 促进石墨化元素（C、Si、Al、Ni），阻碍石墨化的 元素（Cr、W、Mo、V、Mn）
耐磨应用： 硬度较高、脆性大，但因价格低廉、生成简便，目 前应用在农业机械