铬在铸铁中的作用

第六章合金元素在铸铁中的作用及合金铸铁

在铸铁中加入一定的合金元素可以改变铸铁的铸态或热处理后的组织，从而改变其物理性能和化学性能。我们把含有一定数量的合金元素，从而具有特定的物理或化学性能的铸铁称为合金铸铁。本章主要介绍合金铸铁中常见合金元素在铸铁中的作用及合金铸铁的组织及性能特点。

第一节铬在铸铁中的作用及铬系耐磨铸铁

一、铬对铁碳相图的影响及含铬碳化物

为了更好地了解铬在铸铁中的作用，首先介绍有关相图。图6—1是Fe-Cr 二元相图。在Fe-Cr相图中，γ相区接近于环弧状，与Fe-C相图的γ相区相比，其温度范围要小一些，而成分范围更大一些。在该相图中存在着σ相区，这种相为脆性相。

图6—1 Fe-Cr二元相图

1──非平衡磁性转变线2──平衡磁性转变线

图6—2为杰克逊（Jackson）用热分析法得到的Fe-C-Cr三元相图的液相面投影图。

6—2 Fe-C-Cr三元合金的液相面图

该图表明，Fe-C-Cr合金凝固时，随合金成分的不同，可以析出α、γ、K1、K2、K C五种不同的相。在这五种相中，α和γ是固溶体相，其余三个相为结构不同的碳化物相，它们分别为：

K

1＝(Cr,Fe)23C6

K2＝(Cr,Fe)7C3

K C＝(Cr,Fe)3C

按照杰克逊所提出的相图，在准稳态时Fe-Cr-C三元合金有三个包共晶反应和一个包共析反应，即

1449℃时，

L＋K

1→α＋K2

1292℃时，

L＋α→γ＋K

2

1184℃时，

L＋K

2→γ＋K C

795℃时，

γ＋K

2→α＋K C

这三种碳化物的晶体结构类型及其溶解碳和铬的能力见表6—1。由图6—2可以看出，铬对铁碳合金中碳化物的相结构有重要影响。当铬含量很低时，铁碳合金中的碳化物为K C；铬含量较高时，碳化物主要为K2；而只有当铬含量大于60%时，才可以在很窄的含碳量范围里析出K1相。这些碳化物可以和γ相形成共晶体，如果合金是亚共晶成分，则凝固时先析出γ相，当铁液成分达到共晶成分时，析出γ相和碳化物共晶体；如果合金是过共晶成分，则先析出碳化物，然后析出共晶体。

表6—1 Fe-C-Cr中碳化物结构类型及其溶解碳铬能力

通过γ三角区右边的斜线，可以大致估算出获得全共晶组织时铸铁中铬和碳含量的关系（见表6—2）。

表6—2 铸铁中全共晶组织时Cr—C含量（%）

图6—3为Fe-C-Cr三元相图中含铬量分别为5%、13%和25%的等铬量垂直截面图，从中我们可以了解到不同成分的Fe-C-Cr合金冷却过程中组织转变。

6—3 Fe-C-Cr三元相图等铬量垂直截面图（点击放大） (a) 含Cr5%; (b)含Cr13%; (c)含Cr25%

K

1─(Cr,Fe)

23

C

6

；K

2

─(Cr,Fe)

7

C

3

；K

C

─(Cr,Fe)

3

C

许多学者的研究表明，铬对Fe-C相图有以下影响：

（1）减小γ相区，并使共析点左移，γ相中碳的最大溶解度降低，当铬量达到20%时γ相区缩为一点，不再有单独的γ相存在；

（2）使δ相的稳定温度降低；

（3）使α相的稳定温度升高；

（4）随着铬含量的提高，碳化物由(Fe,Cr)3C型依次向(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C6型转变。由于铬对铁碳合金组织的上述影响，使铬在耐磨铸铁中得到广泛应用。

二、含铬铸铁中的初生碳化物

T.奥希德（T.Ohide）用含碳量为4.3%的过共晶铸铁研究了不同铬含量对铸铁中初生碳化物的影响。结果表明，当含铬量为2～5%时，铸铁中初生碳化物为(Fe,Cr)3C型，试样由外表向中心逐层凝固。随着铬含量的提高，试样体积凝固特征增强，当铬含量为20～30%时，初生碳化物为(Fe,Cr)7C3型，•试样具有明显的体积凝固特征。用扫描电镜观察初生碳化物的形貌，(Fe,Cr)3C型碳化物为表面带有沟槽的片状，而(Fe,Cr)7C3型为相互交织的六角形杆状。在过共晶高铬铸铁中，初生碳化物常常处于共晶晶区的中心。由此可以推断，在这种条件下，共晶转变首先在初生碳化物周围开始进行。

三、含铬铸铁中的共晶组织

在莱氏体共晶中渗碳体是领先相，而对于高铬铸铁而言，在(Fe,Cr)7C3型碳化物与奥氏体共晶中奥氏体是领先相。高铬铸铁的共晶属于纤维状的小晶面（碳化物）──非小晶面（奥氏体）共晶，其特征是奥氏体连成一片，在奥氏体或其转变产物上分布着硬而脆的纤维状碳化物(Fe,Cr)7C3，这些碳化物有许多是空心纤维。高铬铸铁所具有的这种组织特征使其韧性有一定程度的提高。

共晶转变的温度区间对铸铁的共晶组织形貌有影响。当共晶转变温度区间较小时，共晶晶区的外形较平坦，碳化物尺寸较小，而且均匀。铬含量对高铬铸铁共晶转变温度区间有影响，图6—4为实测铬含量与共晶转变温度区间的关系。从中可以看出，含铬30%时共晶转变区间最小，只有20℃左右；含铬15%时，共晶转变温度区间最大，大约为65℃。

6—4 共晶转变温度与铬含量的关系

四、铬系耐磨铸铁

按照含铬铸铁的组织结构和使用情况，铬系铸铁可以分为三大类：

第一类为具有良好高温性能的铬系白口铸铁。这种铸铁含铬量为33%，其组织多数为奥氏体和铁铬碳化物，有时也出现铁素体。这种合金除具有一定的耐磨性外，在温度不高于1050℃的高温工作条件下，具有良好的抗氧化性能，也适用与在低腐蚀条件下工作。

第二类为具有良好耐磨性的铬白口铸铁（简称高铬铸铁）。这种铸铁中除含有12～20%的铬外，还含有适量的钼。这类铸铁凝固后的组织为(Fe,Cr)7C3型碳化物和γ相。在随后的冷却过程中，γ相可部分或全部转变为马氏体。当基体全部为马氏体时，这种合金的耐磨性能最好。如果基体中存在部分残余奥氏体，则在载荷作用下，在磨损过程中仍会有一些残余奥氏体转变为马氏体。为了获得良好的耐磨性能，希望这种合金中的奥氏体全部转变为马氏体。但在铸态下，这种转变往往是不充分的，因此这种合金通常要进行热处理。