高铬磨球化学组分与磨球性能关系研究

高铬磨球化学组分与磨球性能关系研究

摘要：本文针对铬系高铬铸铁磨球的化学组分与磨球性能关系,对近年来的研究动态进行了较为详细的综述,旨在为高铬磨球的生产研究提供参考。

关键词:高铬铸铁磨球化学组分性能

普通白口铸铁由于韧性差、脆性大、耐磨性不好,限制了其应用范围。近年来,国内外众多学者针对铬在铸铁中的作用进行大量的研究[1～2]。含铬白口铸铁中,由于铬的存在,其性能得到较大改善。从上世纪70年代初期开始,随着对铬系耐磨铸铁研究的不断深入,高铬耐磨材料逐渐成为铬系耐磨材料的重点[3～6]。

本文针对高铬系磨球的化学组成与其性能关系,讨论了不同化学组成的高铬系铸铁磨球的性能,旨在理清高铬系合金铸铁的化学组成与磨球性能关系,为生产和研发提供参考。

1 高铬铸铁磨球的化学成分及性能

1.1 化学成分及晶体类型

高铬铸铁的主要化学组成元素为Fe、Cr和C。高铬铸铁中,铬原子熔入不稳定碳化物Fe7C3后,形成M7C3型碳化物。其晶体结构有六方、斜方和三角点阵类型,其具体的晶体点阵常数、密度、硬度(表2所示。

铁、铬的碳化物凝固时产生微观光滑固-液界面,Jackson K[7]曾指出,奥氏体的固-液界面是微观粗糙界面,不难看出两者形成的共晶组织一般呈现较复杂的形态。合金中的碳、铬成分远离共晶成分,奥氏体生长充分,碳化物只沿晶界生长。当合金成分在共晶成分附近,共晶生长不受奥氏体初生相的干扰,形成典型的共晶体[8]。

1.2 高铬铸铁合金元素与磨球性能分析

(1)Cr元素。

Cr是高铬铸铁中的重要元素之一,有助于提高铸铁的硬度、韧性和淬透性。在共晶凝固时,合金中Cr大部分溶于碳化物中,从而使碳化物中的Cr浓度高于奥氏体中。苏应龙[9]等指出,在白口铸铁中,随着Cr含量的增加,共晶温度逐渐提高;此外,Cr含量也会影响对共晶碳化物的大小和形状。当Cr含量高于30%时,形成的共晶碳化物十分细小;而当含Cr量低于30%时,形成粗大的共晶碳化物。提高Cr的含量,也有助于提高碳化物的数量,但 D.M.Stefansc[10]指出在高铬铸铁中,Cr 含量增加对碳化物量影响不大。因此,工艺上常用调整C的含量来改变碳化物量,在实际生产中,Cr一般要和C合理地搭配使用,以达到提高铸铁硬度、韧性的目的。

高铬铸铁中Cr与C的比值Cr/C,对高铬铸铁的组织和性能有很大影响。基体晶粒随着Cr/C的增加变得细小,Cr/C合理比例能使铸铁的主要成分为亚共晶成分,并且抑制组织中铁素体的出现[11]。研究表明

[12],随着Cr/C增加,共晶碳化物的类型从M3C逐渐转变为M7C3,中间过程中以M3C和M7C3共存形式存在;M7C3型碳化物是高铬铸铁韧性提高的重要因素,因此,提高Cr/C可以提高铸铁的韧性,Cr/C越高,铸铁的淬透性越好。

(2)C元素。

铸铁中C含量越高,碳化物数量越多,淬透性越差。提高C含量可以提高铸铁的硬度,改善材料的耐磨性,但过高的C含量会导致铸铁的韧性降低[9]。2010年,苗树森[13]指出在保持高铬铸铁中其他合金元素含量不变,只改变其中碳含量的情况下,C含量变化范围为1.7～3%时,随着碳含量的增加,高铬铸铁的硬度随之增加,冲击韧性也随之增加,如(图1、2)所示。

(3)Si元素。

高铬铸铁中,合适的Si含量可以获得平衡硬度和冲击韧性。当硅增加至3%时,经高温处理后,硬度值达到59.5 HRC,冲击韧性达到9.55 J/cm2。高铬铸铁中,随着Si含量的增加,共晶碳化物变得更加细小,分布更加弥散化[14]。

(4)Mn元素。

高铬铸铁中的部分Mn元素溶入奥氏体中,可增加合金的淬透性,同时Mn具有稳定奥氏体的作用,能有效降低合金的MS点,并使C曲

线显著右移,扩大奥氏体区域,增加组织中残余奥氏体量。当锰含量由0.7%增加至3.3%,高铬铸铁的组织由奥氏体加珠光体逐渐转变为奥氏体。

在保持铸铁中其他合金元素含量不变,只改变Mn含量,当Mn含量由0.5%提高到4.0%时,随着Mn含量的增加,其冲击韧性、硬度、抗疲劳冲击能力均逐渐减小[15]。

(5)Mo元素。

为了改善高铬铸铁的抗磨能力,抑制裂纹的产生、同时保证硬化充分,往往在铸件中添加Mo元素。铸铁中的部分Mo元素一部分进入奥氏体中,从而增加铸铁的淬透性。此外,Mo元素能有效提高MS点,在室温下能减少残余奥氏体的含量。研究表明,合金中Mo含量的选择要根据Cr含量、Cr/C值等确定。

(6)Ni元素。

Ni能扩大合金中奥氏体区,是一种稳定奥氏体重要元素。在高铬铸铁中,合金中Ni元素全部进入奥氏体中,有助于降低合金的临界冷却速率和MS点。

(7)Cu元素。

Cu元素的作用与Ni很相似,能提高高铬铸铁的淬透性,但其作用小于Ni元素。在实际生产中,用Cu代替Ni,再与Mo配合使用,也能稳

定奥氏体。

(8)V元素。

V元素能够稳定高铬铸铁中的碳化物的形成,同时能提高碳化物硬度。此外,在高铬铸铁中添加V元素,还能细化白口组织,减少粗大柱状晶组织,提高韧性。在不改变其他合金成分,将V含量由0%增加到4.0%时,当高铬铸铁经热处理后,随着含V量的增加,高铬铸铁的硬度先降后升。但是V含量过大时,氧化烧损过大,使得冲击韧性变差。

(9)Ti元素。

在保持铸铁其他元素含量不变时,将Ti含量由0%逐渐增加到2%时,随着含Ti量的增加,高铬铸铁冲击韧性提高,硬度先升后降,在含Ti 量为0.3%时硬度处于最高值62.8 HRC。

2 结论与展望

(1)铬系高铬磨球成分范围变动较大,而硬度和冲击韧度却主要分布在60 HRC左右和5 J/cm2～9 J/cm2之间。可通过优化化学组成,

使高铬磨球的生产之简单化、经济化,兼顾强度和韧性,降低磨球损耗,延长使用寿命,突破目前的力学性能指标,达到更好的性能水平。

(2)高铬磨球的合金元素易产生分布偏析,析出碳化物形态尺寸不易控制,会降低磨球性能。进一步分发挥元素的联合效应,提高磨球的机械力学性能是今后的研究方向之一。

(3)目前已有研究报道了,在高铬磨球的纳米改性[6],在以后的研究中可研究通过添加纳米耐磨相实现磨球性能强化。

参考文献

[1] Sampathkumaran P, Ranganathaiah C, Seetharamu S. Chromium–manganese iron alloy system design cast in metal and sand moulds for erosion resistance: a positron lifetime study[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2011,52(1-4):45-52.

[2] Ye Z B,Qu S G,Hu Y,et al.Study on Wear Mechanism of Chromium Carbide Coating Reinforced Cast Iron Cylinder Sleeve[J].Applied Mechanics and Materials,2013,273:124-128.

[3] 陈璟琚.合金高铬铸铁及其应用[M].冶金工业出版社,1999.