铬系耐磨铸铁的研究与展望_刘国宇

第25卷第1期水利电力机械

Vol.25 No.1 2003年2月WATE R C ONSERVANCY &E LEC TRIC POWER MAC HI NERY Feb.2003

材料工程

铬系耐磨铸铁的研究与展望

Study and prospect for the future of the wear resisting cast iron of the chromium system

刘国宇1,邢建东2,高义民2

LIU Guo -yu 1,XING Jian -dong 2,GAO Y-i min 2

(1.云南锡业集团公司科技处,云南个旧 661000; 2.西安交通大学机械工程学院,陕西西安 710049)(1.Department of Science and Technology of Yunan Tin Industry Group Company,Gejiu 661000,China; 2.College of Mechanical

Engineering of Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China)

摘 要:介绍了铬系耐磨铸铁中碳化物的种类、特性和铸铁耐磨性的影响,阐述了该铸铁的抗腐蚀性能及特点,并就铬系耐磨铸铁今后的研究工作提出了意见。关键词:耐磨材料;铬系铸铁;白口铸铁;碳化物

中图分类号:TG143.9 文献标识码:A 文章编号:1006-6446(2003)01-0031-04

Abstract:Briefing of basic composition,performance and application for the wear resisting cast iron of chromium system.Major introduction of the kind and characteristic of carbide and its influence for the wearing resistance and put forward orig -inal view of the after study work about for the wear resisting cast iron of chromium system.Key w ord:wear resisting material;cast iron of chromium system;white cast iron;carbide

收稿日期:2002-09-20

作者简介:刘国宇(1962-),男,云南个旧人,云南锡业集团公司科技处处长,从事耐磨材料方面的研究工作。

铬系耐磨铸铁是指成分中含有一定数量铬的白口铸铁。由于铬的存在,不仅使得铸件较易获得白口组织,而且使其性能产生较大的改善。所以,几十

年来,它一直作为主要的抗磨材料使用。从上世纪70年代初期开始,随着对铬系耐磨铸铁研究的大范围开展,该材料在我国耐磨材料领域逐渐占有越来越重要的地位。

1 铬系耐磨铸铁的牌号及基本性能

国家标准GB/T8263-1999 抗磨白口铸铁件 是在1987年标准的基础上,结合我国的实际情况并参考主要工业国家相关标准而颁布实施的[1]。

上述标准中列出了铬系耐磨铸铁的牌号及基本性能。牌号中的前三种属镍硬铸铁。Km TBCr2即通常所说的低铬铸铁,既可用电炉熔炼也可用冲天炉熔炼,生产成本较低,主要适用于基本无冲击的磨损场合。含铬量在12%以上的铸铁通常称为高铬铸

铁,它必须采用电炉熔炼,其生产成本比低铬铸铁高,但它的抗磨性和耐冲击性能较低铬铸铁高得多,可用于有一定冲击力的磨损工况。作为抗磨材料,其硬度通常是比较重要的性能指标。文献[1]中也列出了上述牌号在不同状态下的硬度值。

合适的热处理是改善抗磨白口铸铁组织和性能的有效手段,但通常以化学成分和硬度作为验收的主要依据。

2 铬系耐磨铸铁中的碳化物

2.1 碳化物的基本性能及形态

碳化物是组成铬系耐磨铸铁的重要组成相,它的尺寸、数量、硬度、分布对铬系耐磨铸铁的耐磨性和机械性能有着重要影响。在铬系耐磨铸铁中通常存在有三种类型的碳化物,它们的物性参数如表1所示。

在铬系耐磨铸铁中,随含铬量的增加,碳化物的

32

水利电力机械2003年2月

表1 铬系耐磨铸铁中常见碳化物的物性参数

碳化物类型晶格体系晶格常数密度/(g/cm 3)

硬度HV 可能最大元素的质量分数/%

(Fe,Cr)3C

斜方

a =4.52

b =5.09

c =6.747.67

1000~1230

Cr:18

(Fe,Cr)7C 3

六方

a =6.88

b =4.54斜方

a =4.54

b =6.88

c =11.94菱形六面a =13.98b =4.52 6.92

1300~1800

Cr:50

(Fe,Cr)23C 6

面心立方

a =10.64

6.97

1140

Fe:35

类型逐渐从最初的(Fe,Cr)3C 型转变为(Fe,Cr)7C 3和(Fe,Cr)23C 6。低铬铸铁中的碳化物主要是(Fe,Cr)3C 型的,它通常呈三维连续的网状存在,见图1所示。高铬铸铁中的碳化物主要是(Fe,Cr)7C 3型的,由于这种碳化物的硬度高且形态呈孤立的杆状

(见图2),因此赋予铸铁较高的耐磨性和韧性。这即是为什么高铬铸铁比低铬铸铁的耐磨性高且韧性

又比低铬铸铁优的原因。

图1 低铬铸铁的金相组织(碳化物呈连续的

200

网状分布

)

图2 高铬铸铁的金相组织(碳化物呈孤立的

400

杆状分布)

在高铬铸铁中存在的杆状碳化物还有一个重要的特点,即其硬度在不同的方向是不同的。通常在杆状的横剖面上硬度高达1989HV,而在杆状的纵剖面上的硬度为1450HV 。这一硬度的差别使得人们有可能利用定向凝固的方法使碳化物定向排列,让

碳化物的高硬度面朝向磨损面而提高铸件服役时的

耐磨性。有关实验表明[2],当碳化物垂直于磨损面定向排列时,与碳化物呈无序排列的普通砂型铸造试样相比,其耐磨性的提高幅度可达30%~150%。2.2 碳化物的抗高温硬化性能

铬系耐磨铸铁,特别是高铬铸铁,由于具有高的含铬量,还使得它具备了较好的抗氧化性能,因而常作为高温抗磨材料用于高温磨损的场合。但在长时间的高温氧化过程中,碳化物的氧化稳定性究竟如何?文献[3]对这一问题作了系统的研究。图3所示是三种类型碳化物经不同时间氧化后的剩余含量。显然,剩余含量越高其抗氧化性越好。

图3 三种类型碳化物在950 经不同时间氧化后 的剩余含量

根据文献[3]的实验结果,高铬铸铁(Fe,Cr)7C 3

在三种碳化物中具有最好的氧化稳定性,因而用于

高温磨损的铬系耐磨铸铁应尽可能使用含(Fe,Cr)7C 3的高铬铸铁。但有时高铬铸铁中(Fe,Cr)7C 3的抗氧化性能仍嫌不够,为此文献[4]就如何提高其氧化抗力进行了系统的研究,并对比了具有不同氧化抗力的(Fe,Cr)7C 3的高铬铸铁的耐磨性。图4所示为调整前后具有不同氧化抗力的(Fe,Cr)7C 3高铬铸铁经800 /100h 氧化后的直切面微观形貌。调整后由于碳化物抗氧化能力的提高使得材料在高温