Cr 27高铬铸铁生产工艺的实验研究

Cr 27高铬铸铁生产工艺的实验研究

由于一些特种泵工作条件恶劣，承受磨损和腐蚀等多种作用，国外生产企业多采用含Cr23%~30%的高铬铸铁提高耐磨件使用寿命，如英国用含Cg25%高铬铸铁生产杂质泵，挖掘海底沙石，寿命可达2年。国内某些生产厂家采用含铬26%~28%的高铬铸铁生产特种泵铸件，取得一定效果，但在实际应用中存在使用寿命低、质量不稳定、加工困难等问题，本文对含铬26%~28%高铬铸铁的熔炼及热处理工艺进行了实验研究，选定了合金的成分及生产工艺。

1金成分的选定

碳和铬，碳是提高合金硬度的主加元素，提高含碳量能增加碳化物数量，效果比提高铬量更显著，但降低铸件韧性。由于特种泵铸件受冲击载荷较小，应选择高碳，合金含碳量可选定为2.5%~3.5%。铬是高铬铸铁的主加元素，特种泵主要为耐腐蚀磨损，考虑耐蚀性的影响，含铬量定为26%~28%，Cr/C为8~10。根据经验公式，基体中含铬量为cr%=1.95Cr/-2.47，合金基体的平均含铬量在14%左右，大于11.7%，具有很好的抗蚀性。碳、铬、和碳化物之间有如下关系：碳化物%=12.33%C+0.55%Cr-15.2%。合金中碳化物的数量为30%~35%，具有优良的抗磨性能。铬大部分形成合金碳化物，因合金淬透性很差，须加入其它合金元素来改善。

钼，钼的主要作用是提高合金淬透性，钼降低Ms点的作用不大。当钼和铜联合使用时，提高淬透性更明显。含钼量控制在1.5~3.0%。

镍，镍为非碳化物形成元素，全部溶于奥氏体，使Ms点明显降低。含镍量宜控制在低于2.0%。

硅，硅可由合金炉料带入及以脱氧剂形式加入。硅可提高Ms点，但降低合金淬透性。硅固溶于基体中增加铸铁脆性，含硅量可控制在0.50%~1.0%。

锰，锰能提高合金淬透性，但强烈降低Ms点，使残余奥氏体明显增加，硬度下降。同时，在使用过程中，由于残余奥氏体转变为马氏体，发生体积膨胀引起铸件开裂。含锰量应控制在0.5%~1.5%。

其它元素，P S含量一般应分别控制在小于0.1%和0.06%。加入微量合金元素W等可细化晶粒，改善碳化物的形态和分布，提高材料硬度和耐磨性。合金成分选择详见表1。

表1 Cr27高铬铸铁合金成分(%)

C 2.5~3.2 Cr 26~28 Si 0.5~1.0 Mn 0.5~1.5 Mo 1.0~2.5 Cu

0.8~2.0 Ni 0.8~1.6 P < 0,06 S < 0.1

2 熔炼及处理工艺

炉料用废钢、低硅生铁、高碳锰铁、高碳铬铁、中碳铬铁、钼铁、电解铜、纯镍，配料应考虑合金元素烧损量。铬烧损量较大，应在熔炼后期加入。考虑成本因素，应尽量多加高碳铬铁。高铬铸铁由于铬烧损大，碳量不易控制，不宜采用冲天炉熔炼，应用电炉熔炼。炉衬可选用碱性、酸性或中性，其中用酸性炉衬较为经济。熔炼可采用不氧化法。实验采用感应电炉，熔化温度控制在1450℃以下，最后快速升温至1480~1520℃脱氧出炉。高铬铸铁熔炼温度比灰铸铁高，熔化时间长，铁液氧化较严重，采用沉淀脱氧方式，出炉前用0.5%锰铁、0.2~0.4%硅铁预脱氧，最后在铁液包中插入0.2~0.4%的工业纯铝终脱氧。浇注温度比液相线温度高约55℃。

铁液需经变质处理。稀土有脱氧、除硫作用，从而抑制夹杂物在晶界上偏

聚，可改善境界状况，能有效提高铸件韧性。另外，稀土元素由于偏聚、吸附在碳化物择优长大方向上，使碳化物的生长受到抑制，从而使其变得均匀、孤立。而钒、钛等可以形成弥散分布的碳、氮化合物，能阻碍晶粒长大，从而细化晶粒。本实验中采用变质剂的配方见表2.

a 合金变质剂（%）Ti 0.1~0.2 V 0.2~0.4 B 0.1~0.2

b 复合变质剂（%）Ti 0.1~0.2 V 0.2~0.4 B 0.1~0.2

RE 0.6~1.3

3铸造工艺设计

高铬铸铁导热率低，收缩性大，塑性差，因而铸造工艺性差，不适宜做形状复杂铸件。生产高铬铸铁件可将铸钢工艺和铸铁工艺结合起来。凝固原则与铸钢件形同，参照碳钢进行冒口设计。浇注系统参照铸铁件设计，但断面积应增加20%~30%。铸造工艺设计应减轻铸件受阻收缩，以避免造成铸件开裂。试验高铬铸铁硬度值见表3。再平衡条件下，高铬铸铁在室温时只有铁素体是稳定的。

表3 高铬铸铁的铸态组织硬度值（HRC）

铸态未加变质剂48 加合金变质剂50 加复合变质剂51.5

4热处理工艺

Cr27高铬铸铁的热处理分为退火（软化处理）、淬火、和回

火。

4.1 退火

高铬铸铁硬度高，不宜进行切屑加工，可以通过退火来改散工性能。Cr27高铬铸铁铸件的加热速度不应高于70℃/h, 并采用阶梯式升温方式，通常阶梯设在200℃，400℃，600℃，保温时间2~3h，试验获得最佳退火温度为900℃，试样硬度值HB<450。

4.2淬火及回火处理

由于Cr27高铬铸铁合金加入量较多，C曲线严重右移，为避免

铸件开裂，采用空冷淬火工艺，根据Cr/C于淬火温度关系确定试验最佳淬火温度为1050℃。值得注意的是，保温时间对高铬铸铁硬度有明显影响。淬火后一般进行回火处理，以消除淬火应力。实验采用空淬和油淬两种工艺，200℃回火，试样硬度见表4.

热处理后试样硬度值（HRC）

油淬未加变质剂61 加合金变质剂63 合变质剂62

空淬未加变质剂59.3 加合金变质剂59.3 加复合变质剂60.5

5结论

(1)铸件的质量与合金熔炼、铸造工艺设计及热处理工艺过程密切相关，

其中铸件化学成分、组织形态及分布的控制是合金耐磨性的重要影

响因素。

(2)Cr27高铬铸铁的铸态组织主要为（Cr、Fe）。经过V、Ti、B变质处

理后，碳化物变得细小、均匀。经过V、Ti、B、RE复合变质后效

果更佳。

(3)软化退火合适的加热温度为900℃；视工件结构的不同，可采用空

淬和油淬两种淬火工艺，淬火加热温度为1050℃。热处理过程中应

注意升温控制，以避免铸件开裂。