高铬铸铁的强韧化

１ 影响高铬铸铁韧性的因素
影响高铬铸铁韧性的因素包括：晶粒度、夹杂物 以及碳化物的形态。文献［１］指出，选择最佳的淬火温 度、获得较细的晶粒可显著地提高高铬铸铁的断裂 韧性 ＫＩＣ。 １．１ 夹杂物对韧性的影响
冶金品质差时，铁液中含有较高的 Ｎ、Ｏ 和 Ｓ，形 成氮化物、氧化物和硫化物等夹杂物。由于夹杂物大
高铬铸铁在熔炼过程中浇注系统可采用半封闭
式浇注系统， 并在横浇道加设集渣包或加置过滤网 使铁液平稳地流入型腔。内浇道尽量采用底注式或 阶梯式，防止铁液在浇注过程中产生二次氧化。 ２．５．２ 定向散热铸造
将一定温度的高温铸型置于水冷铝板之上，然 后浇入高温铁水， 造成型腔内铁水单向散热加快，从 而得到碳化物呈纤维状定向排列的凝固铸件。这种 高铬铸铁衬板铸件的碳化物以纤维状定向排列且垂 直于摩擦面分布，在磨削时，这种碳化物形成骨架，全 部凸起并覆盖于摩擦表面。这种铸件与砂型铸件相 比，其耐磨性和冲击韧性都较好［１５］。 ２．５．３ 铸造过程的清理顺序
摘 要： 在高铬铸铁的铸造过程中运用适当的工艺方法能够极大地改善材料的韧性。但不同的处理方法对高铬铸
铁韧化所起的作用也是不同的。笔者系统地分析影响高铬铸铁韧性的因素和各种工艺方法对高铬铸铁韧化的作用
原理，并指出提高高铬铸铁材料韧性的努力方向。
关键词： 高铬铸铁； 工艺方法； 韧化
中图分类号： ＴＧ１４３．４
第 ２１ 卷第 ３ 期 ２００７ 年 ９ 月
江西有色金属
Ｊｉａｎｇｘｉ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ
文章编号： １００５－ ２７１２（２００７）０３－ ００２６－ ０４
高铬铸铁的强韧化探讨
Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．３ Ｓｅｐ． ２００７
刘 洋， 李爱农
（武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 ４３００７０）
第３期
刘 洋， 等： 高铬铸铁的强韧化探讨
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纤维状存在于奥氏体或奥氏体的转变产物中， 呈现 菊花的放射状共晶团，由于 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物不成连续 网状，不破坏基体的连续性，裂纹就无法沿碳化物连 续扩展下去，因此对 ＫＩＣ 的改善大有好处。通过变 质、高温热处理使碳化物变成团球状均匀分布，会使 高铬铸铁 ＫＩＣ 进一步提高［２］。
文献［１０］报道了加铝变质处理对高铬铸铁组织 和性能的影响。结果表明，铝对碳化物的形态、大小 及分布起明显的改善作用，加入 ０．２ ％￣０．３ ％Ａｌ 可 大幅度提高力学性能，同未变质相比，弯曲应力 σｗ 提高 ２０．２ ％，ＡＫ 提高 ３５．３ ％，最高达 ９．２ Ｊ／ｃｍ２。
文献［１１］ 指出含钨白口铸铁经 Ｃｅ 、Ｋ 和 Ｎａ 变 质处理后铸态组织中碳化物网状分布基本消失，孤 立化程度明显改善，碳化物也明显细化。热处理后，碳 化物尖角基本消失，碳化物趋于呈团球状分布，碳化 物表面的圆滑度增加。因此，裂纹不易传播，韧性相应
为了提高高铬合金铸铁韧性，近年国内外开发 了多种热处理新工艺。这包括通过深冷热处理提高 基体的强韧性、及现在国内普遍采用的高温淬火加 低温回火的热处理工艺。文献［４］研究表明，高铬铸 铁在 ９６０￣９８０ ℃保温较长时间， 过饱和奥氏体中会 有富铬碳化物析出， 形成粒状的 Ｍ２３Ｃ６ 型碳化物。保 温 ３￣４ ｈ， 直接出炉强制风冷， 夏季适当进行喷雾冷 却的热处理制度。铸件本体硬度可以达到 ５２￣６０ ＨＲＣ。文献［２］报道了低铬铸铁的共晶碳化物经高温 热处理后可以团球化，提高加热温度和延长保温时 间，可以大大增加碳原子扩散通量，为碳化物团球化 提供了必要条件，但温度过高或时间过长，又会造成 碳化物过分粗化，产生飘带状碳化物。碳化物团球化 后，韧性明显提高，与铸态相比，ＡＫ 值可提高 ９０ ％。 文献［１４］报道了等温淬火对 ２．３ ％￣３．２ ％ Ｃ、７．５ ％￣ ９．５ ％ Ｃｒ 的铸铁韧性的影响。在经 １ ０００ ℃奥氏体 化和 ２９０ ℃等温处理后，室温组织是马氏体、贝氏体 和奥氏体的混合组织，具有优良的综合力学性能， ＨＲＣ 为 ６０，ＡＫ 为 １０．８ Ｊ／ｃｍ２。由于韧性的提高，应用 这一工艺生产的磨球磨耗为 ２３７ ｇ／ｔ，低于普通马氏 体高铬铸铁磨球的磨耗 ４６６ ｇ／ｔ。 ２．５ 铸造工艺
变质处理是一种有效提高高铬铸铁韧性的方 法，常用的变质剂元素有：Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｚｎ、Ｋ、Ｎａ、Ｂ、Ｖ、 Ｔｉ、ＲＥ、Ｂａ 与 Ｃａ 等，其主要作用是改变碳化物形态， 从而达到提高韧性目的。稀土是应用较广的变质剂。 文献［９］报道了稀土对含 ２．８ ％Ｃ、４．０ ％Ｃｒ、０．７２ ％Ｓｉ 和 ０．８５ ％Ｍｎ 铸铁韧性的影响。结果表明，加入 ０．９％ 稀土后韧性最好，同未变质相比，铸铁铸态和热处理 态的冲击值分别提高 ４５．７ ％和 ５０ ％。稀土元素的特 点是熔点低，原子半径大，在 Ｆｅ－ Ｃｒ－ Ｃ 合金中是强 过冷元素，同时又是非碳化物形成元素。因此，在凝 固过程中就会通过溶质再分配而富集在初生奥氏体 结晶前沿熔体中，造成成分过冷，使初生奥氏体枝晶 细化。稀土元素在生长的共晶碳化物上活化吸附，促 使共晶过冷度加大和共晶凝固范围增大，导致共晶 碳化物形成大量形核。偏聚在共晶碳化物择优长大 方向成长前沿熔体上的稀土元素，阻止熔体中铁、 铬、碳原子正常进入共晶碳化物晶体中，降低了共晶 领先相碳化物择优长大方向上的长大速度，导致碳 化物的分散化，从而促使碳化物均匀分布。正是由于 碳化物形貌的改善，使脆性断裂时裂纹扩展路径受 到阻碍，因而提高了冲击韧性。
碳化物是脆性相，对裂纹扩展阻力小，使高铬铸 铁韧性降低。碳化物含量越高， ＫＩＣ 越低，但碳化物达 一定量时，对高铬铸铁 ＫＩＣ 起作用的是碳化物的形态 和分布［１］。
高铬铸铁中 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物是以紧密的层状或
收稿日期： ２００７－ ０４－ ０９ 作者简介： 刘 洋（１９８２－ ），男，湖北武汉人，硕士研究生，从事高铬铸铁的韧化及表面技术研究。
部分都是强度很低的相， 会降低材料的强度而增加 脆裂倾向，严重地影响高铬铸铁的综合力学性能。 １．２ 晶粒度和晶界状态对韧性的影响
共晶高铬白口铸铁凝固温度范围宽， 因而晶粒 粗大，高铬铁素体晶粒的粗大化，导致脆性增加。
从文献［１］了解到，由于晶粒边界两边晶粒的取 向不同，因而晶界是原子排列紊乱的地区，当塑性变 形由一个晶粒横过晶界进入另一个晶粒时， 由于晶 界阻力大，穿过晶界困难；另外穿过晶界后滑移方向 又需改变，因此和晶内的变形相比，这种穿过晶界而 又改变方向的变形需要消耗更大的能量。塑性变形 能是裂纹扩展阻力的主要部分， 裂纹扩展阻力增大， ＫＩＣ 也增大。如果材料晶粒越细，则晶界面积越大，故 在一定区域内形变进而裂纹失稳扩展所消耗的能量 就越大，即 ＫＩＣ 就越大，同时细化晶粒也有强化作用。 晶界净化程度、夹杂物含量、形态及分布、晶界析出 相、晶界密度、晶界总周长等晶界状态对 ＫＩＣ 也有很 大影响。很明显，晶界状态不仅影响晶界的物化性能， 也直接影响晶粒间的结合强度和相互连接状态，甚 至直接萌生裂纹和微观缺陷。 １．３ 碳化物组织对韧性的影响
２ 提高高铬铸Leabharlann 韧性的工艺方法２．１ 多元微合金化处理 微合金化处理高铬铸铁可改善共晶组织，提高
其韧性。文献［３］报道了铜、铝加到质量分数（下同） 为 ２．９ ％Ｃ、０．６ ％Ｓｉ、０．８ ％Ｍｎ、１．７ ％Ｃｒ 和 ０．４ ％Ｍｏ 的 合金中，共晶碳化物有被细化和呈断续孤立状分布 的趋势。这是因为铜、铝均为非碳化物形成元素，在 不同程度上使铸铁中碳以石墨化析出，限制了共晶 碳化物数量及其粗化。另外，铝脱氧作用强，易与铁 水中的氧和氮生成高熔点氧化铝和氮化铝，弥散分 布于铁水中形成大量结晶核心。由于奥氏体先行析 出，不但细化了奥氏体晶粒，同时也阻止了后来的共 晶碳化物长大和连续，所有这一切为提高铸铁韧性 创造了条件。加入 ０．８ ％Ｃｕ 和 ０．４ ％Ａｌ 的高铬铸铁 比处理前冲击值提高 ７５．０ ％，耐磨性提高 ６８．４ ％。 许利民［４］等人依据经典的高铬铸铁理论， 即在含碳 量一定的条件下， 欲得到分布形态好、硬度高的 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物， Ｃｒ／Ｃ 控制在 ５．０ 以上，并适量加入 了合金元素。通过实验得到化学成分（ ％ ） 控制范围 在 ２．５ ￣２．９Ｃ 、１４ ￣１６Ｃｒ、０．５ ￣０．９Ｓｉ、０．７ ￣１．２Ｍｎ、１．２ ￣ １．８Ｍｏ 、０．３￣０．５Ｖ、０．１￣０．３Ｔｉ、０．８￣１．２Ｃｕ 的高铬铸铁 合金制造的破碎机锤头比高锰钢寿命提高了 ４ 倍。 文献［５］报道了铌对高铬铸铁组织和性能的影响，铌 在高铬铸铁中主要以 ＮｂＣ 形式存在，显微硬度（ＨＶ） 为 ２ ４００，对抗磨粒磨损更有效。铁水凝固过程中， 弥散的 ＮｂＣ 作为异质形核核心，加速了奥氏体的凝 固，使共晶反应加快。文献［６］表明，铬系白口铁组织 细化与凝固速度有关，凝固速度越大组织越细小，碳 化物直径也越小。此外，铌的加入还起着分散、固定 硫杂质的作用，从而改善铸铁的韧性。用含铌高铬铸 铁制作杂质泵过流部件，比不加铌时其寿命可提高 ４７．４ ％。 ２．２ 除气处理
文献标识码： Ａ
０引 言
高铬铸铁由于硬度高已被证明是最优秀的耐磨 材料之一。但高铬铸铁中脆、硬的碳化物减弱了高铬 铸铁工件基体抗冲击的能力，使其在高冲击载荷下 的应用受到限制，因此提高高铬铸铁的韧性一直是 研究人员多年来追求的目标。围绕这个问题，国内外 已做了大量的工作，其共同点在于企图改变共晶碳 化物的形状，通过改变铸铁中石墨形态而带来大幅 度提高铸铁韧性的效果。然而现有研究结果表明：仅 改变共晶碳化物的形态，高铬铸铁的韧性仍旧不够 稳定。因此，在改善高铬白口铸铁共晶碳化物形态和 分布的同时，更重要的是要在细化共晶碳化物，提高 晶界冶金质量，合理选择基体组织等方面下功夫，以 达到高性能化的要求。笔者从影响高铬铸铁韧性的 各方面因素以及合金化、热处理、变质处理、熔炼工 艺等方面对高铬铸铁的强韧化影响进行了探讨。
高铬铸铁可在电弧炉及感应电炉中熔炼，但不 适于在冲天炉中熔炼，因铬元素烧损严重，大量增 碳、增硫使铸铁性能无法保证。在电炉熔炼时要注意 加料次序，先加废钢、生铁及回炉料，铬铁要在熔炼 末期加人，以免过分烧损。铬铁及铜（或镍）氧化烧损 轻微，可以与回炉料一起加入。正常熔炼时，铬的氧 化烧损在 ５ ％￣１５ ％范围内。为提高高铬铸铁韧性， 近年来出现了多种新的铸造工艺。 ２．５．１ 半封闭式浇注系统
文献［５］提出向铁液中通人 ２０ ｍｉｎ 氩气后，其冲 击韧性 Ａｋ 值由 ８ Ｊ／ｃｍ２ 提高到 １０ Ｊ／ｃｍ２。
文献［７］提到德国容科公司对抗磨高铬铸铁的 “沸腾”精炼，结果使金属液中的气体和夹杂物减少， 流动性增加，凝固后晶界净化，使合金的质量及性能 大为改善。文献［８］对高铬铸铁采用新工艺进行熔炼 与铸造，包括精炼除气、除夹杂物、细化奥氏体及碳 化物的结晶组织，在保证具有同样硬度的前提下，大 大提高了高铬铸铁的韧性。 ２．３ 变质处理
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江西有色金属
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提高，其冲击韧性提高 ７２．２ ％ ，同时耐磨性也明显 改善，提高了 ４９．９ ％。文献［１２］在高铬白口铸铁中加 入稀土使碳化物细化成短棒状。单纯稀土变质很难 彻底改变共晶碳化物的形貌和分布，近年来许多学 者进行稀土复合变质的研究， 探讨 ＲＥ２Ｂ、ＲＥ２Ｖ２Ｔｉ、 ＲＥ２Ｍｇ 的复合变质取得了良好的效果［２，９］。郭长庆等 人将 Ｂ２Ｆｅ 、Ｔｉ２Ｆｅ、稀土合金和 Ｎｂ２Ｆｅ 以变质剂的形 式加入钢包中，经热处理后得到的高铬铸铁合金硬 度 ＨＲＣ＝６２，冲击韧性 １２．３ Ｊ／ ｃｍ２，基体冲击韧性与 未变质处理提高了 １２０ ％，耐磨性为高锰钢 Ｍｎ１３ 的 ４ 倍［１３］。 ２．４ 热处理工艺
铬合金铸铁材料在熔炼过程中存在着氮气和 氢气，用吹氩、吹氮及加钛等方法除气可提高冲击韧 性，吹氩的效果比吹氮好，因为吹氩能同时除去氮气 和氢气，而吹氮却只能除去氢气。加 ０．２ ％Ｔｉ 时，韧
性增加，但加 ０．５ ％Ｔｉ 时，韧性反而下降，这是由于 组织中出现了不少颗粒状的钛氮化物。由于除气使 铬铸铁变得更加致密，其韧性随之提高。