铸铁磨损性能研究

铸铁系耐磨材料
题目：高铬白口铸铁耐磨概述
院系：材料与化工学院
专业：金属材料工程
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摘要
高铬铸铁是白口铸铁中一类很重要的高合金白口铁，它以比合金钢高得多的耐磨性和比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一，在矿山、冶金、建材和化工等行业仍得到广泛的应用。

其显微组织中存在着高硬度(1200HV～ 1800HV)的(Cr,Fe)7C3型共晶碳化物,且彼此孤立分布而不连成网状,因而具有较高的韧性。

采用高温淬火(即去稳处理)后回火和通过亚临界处理两种方法可以显著改善高铬白口铸铁的组织和使用性能,从而获得最佳的综合性能。

研究表明,含有大量残留奥氏体的铸态高铬白口铸铁通过亚临界处理可以使其中的残留奥氏体发生马氏体转变而使其硬化 [2～10] 。

与高温淬火相比,采用亚临界处理可以避免铸件畸变和开裂以及降低生产成本,因此对于大型铸件常采用亚临界处理。

关键词；高铬白口铸铁、制备工艺、热处理工艺、性能以及应用
1高铬白口铸铁
1.1高铬白口铸铁指含铬量在12%～28%之间的白口铸铁。

其共晶组织由M7C3型碳化物和奥氏体或其他转变产物所组成。

M7C3型碳化物呈六角形杆状以及板条状分布在基体当中，连续程度大为降低，碳化物对基体的破坏大大减小。

因而高铬白口铸铁的韧性优于低铬白口铸铁和大部分合金钢。

同时若把基体退火成珠光体后，还可以进行机械加工。

这种碳化物不但硬度很高，还赋予铸铁很高的强度，若以3mm直径的高铬白口铸铁试样作定向凝固，以使M7C3型碳化物规则排列，其抗拉强度可高达3100MPa。

1.2 高铬白口铸铁中各基体的显微硬度；铁素体70～200HV、珠光体300～460HV、奥氏体300～600HV、马氏体500～1000HV。

由其硬度可观马氏体的硬度最高，其磨料磨损抗性也最好所以一般希望得到马氏体。

例如；一种15Cr3Mo 高铬铸铁基体不同时磨损情况也不同。

如下表；
2高铬白口铸铁化学成分、组织
Cr 和C 是高铬白口铸铁中两种重要的合金元素。

Cr 和C 有助于增碳化物的数量，这将使得耐磨性能提高而韧性降低，Cr 增加碳化物数量的效果远比C 差，工艺上常用C 来调整碳化物数目。

碳化物数量可用下式估算；
碳化物含量（%）=12.33（C%）+0.55（Cr%）-15.2
另一方面铬与碳的比值Cr/C ，影响铸铁中M 7C 3型碳化物的相对数量，一般Cr/ C 大于5就能获得大部分的M 7C 3型碳化物；同时铬碳比越高，铸铁的淬透性也增加下图将表示铬碳比与工件最大淬透直径的关系。

多数高铬铸铁的含铬量13%~20%范围内，碳量在2.5%~3.3%范围内，其铬碳比大约为4~8。

图中可看不含其他元素的高铬铸铁，空淬能淬透的最大直径为20mm ，说明淬透性是很低的，要提高淬透性需要加入其他合金元素。

2000
1000 800 600 400
200
100 80 60
40
20
10
5
5
最大
直径m m Mo3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% 0% 3.0
5.0 7.0 9.0 Cr/C
生产中一般采用亚共晶高铬铸铁，共晶碳量在Cr15%时，约为3.6%，在Cr20%时，约为3.2%，在Cr25%时，则降为3.0%，高铬铸铁中常还含有钼、锰和铜，以提高淬透性。

由上图可以看出，钼元素具有明显提高淬透性作用，特别在钼含量较高的时候作用更加明显。

钼元素在各相中的分配如下；约有50%进入Mo2C 中，约有25%进入M7C3型碳化物中，溶入基体的钼量（%）=0.23（%Mo）-0.029 基体中的钼量大约占总含量的23%左右，这部分能直接起到提高淬透性的作用，钼对马氏体开始转变温度Ms影响不大，钼如能与铜锰联合使用则提高淬透性的效果会更好。

铜不溶于碳化物，完全溶于金属基体中，因此可以充分发挥它提高淬透性的作用，但铜降低Ms温度，会造成较多的残余奥氏体，且铜在奥氏体中的溶解度也不高，一般在2%左右。

锰既能进入碳化物又溶解于基体中，锰对稳定奥氏体很有效果，锰和钼联合使用时对提高淬透性非常有效，例如：C2.8%~3.1%、Si0.3%~0.7%、Cr12%~14%的高铬铸铁，用Mn3.6%只能淬透40mm，用Mo0.6% 只能淬透10mm，但同时用Mo0.6%和Mn3.6%，则能淬透150mm，由于Mn剧烈降低Ms温度，故一般控制在1.0 一下。

硅在铸铁中是降低淬透性的元素，因此一般控制在0.3%~0.8%之间。

3高铬铸铁的铸造工艺
高铬白口铸铁与其他白口铸铁类似，具有热导率低、收缩性大、塑性差、切削性能也差的特点。

在实际生活中，许多高铬铸铁件寿命短的原因，并不是因为金相组织不符合要求，往往是铸件内部存在缩松、气孔、夹杂等原因所造成的缺陷引起的。

白口铸铁的铸造工艺应结合铸钢和铸铁的特点。

充分不缩，其原则与铸钢件相同（采用冒口和冷铁，遵从顺序凝固，模型缩尺可取2%）,冒口尺寸按碳钢设计，浇注系统则按灰铸铁设计，但应吧各断面积增加20%~30%。

高铬铸铁脆性大，不宜用气割去除冒口，故设计时宜用侧冒口或易割冒口。

铸造工艺设计上应注意不让铸件的收缩受阻，以免造成开裂。

铸件在铸型中应充分冷却，然后在开箱，如确实需要在高温开箱，应迅速移入保温炉或保温材料中进行缓冷，不宜用冲天炉熔炼，因为铬的烧损太严重，且极易与碳化和，碳量也不易控制，高铬白口铸铁可以在任何电炉中融化，炉衬可以是碱性的、中性、酸性的。

炉料用废钢、低硅生铁、回炉料、中碳或高碳铬铁。

钼以钼铁或氧化钼加入，铜以电解铜加入。

铜和钼烧损小，而铬烧损大，约5%~15%，故需要最后加，炉料通常在全装料后融化，一般用不氧化法，感应炉中融化温度不必太高。

浇注温度不要太高，以避免收缩过大和粘砂，低温浇注也有利于细化树枝晶，
和共晶组织，浇注温度一般比液相线温度高55摄氏度。

4高铬白口铸铁的性能特点
高铬白口铸铁主要用于耐磨损的场合，其特点有；在铬量不变时，随碳量的增加，硬度增加，而断裂韧性降低，Cr/C低时，提高其值则改善碳化物型态时断裂韧性提高，；当Cr/C高时，在提高其值碳化物型态改变不大，只是提高了基体固溶强化的程度，使断裂韧度有所降低。

5高铬白口铸铁的应用
主要用于球磨机磨球，由于基体组织的三种状态，在水泥行业中，马氏体基体磨球应用最佳。

奥氏体基体磨球主要应用于湿磨工况。

珠光体基体的高铬铸铁，冲击疲劳伉力最高，一般在冲击较大的场合下使用。

还有球磨机中的衬板也可以采用高铬铸铁，也有很好的效果。

6对该材料的见解和展望
高铬白口铸铁指含铬量在12%～28%之间的白口铸铁高铬，是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁高铬白口铸铁含铬量大于12%，铬、碳含量比值介于4~8之间。

在这种条件下，高硬度的M7C3型碳化物几乎全部代替了M3C型碳化物。

M7C3型碳化物基本上是以孤立的中空六角形存在，与呈网状连续分布的M3C型碳化物相比，大大增强了基体的连续性，因而整体材料的韧性显著提高。

目前高铬铸铁已经是世所公认的优良的耐磨材料，在采矿、水泥、电力、筑路机械、耐火材料等方面应用十分广泛。

希望在以后的研究中会有更多种类的合金化白口铸铁的出现，联合钼铬或者更能提高淬透性但不降低Ms的元素的出现，也希望耐磨高铬白口铸铁可以应用到更广的领域。