对高铬铸铁的一些认识

1对高铬铸铁的一些认识高铬铸铁是最重要的耐磨材料之一，适用于各种高应力磨料磨损的工况条件，广泛应用于机械、冶金、采矿及矿产品加工等行业。近年来，各工业国家都很重视对高铬铸铁的研究工作，以期充分利用其优异的耐磨性能。含铬量在12%以上的高铬铸铁，开发于20世纪初期，1917年获得了美国专利。当时，由于对高铬铸铁的特点了解不多，其潜能未能充分发挥，因而未被广泛采用。20世纪中期，美国国际镍公司研究开发了镍硬系列共4种耐磨铸铁（NiHard1～4），其中，镍硬4（NiHard4）于1951年获得了美国专利，逐渐成为大家所熟知的耐磨材料，广泛应用于矿产品加工行业。镍硬4的耐磨性能很好，且有适当的抗冲击能力，但是，仍然因其抗冲击能力欠佳而限制了其在高应力磨料磨损条件下的应用。20世纪60年代，美国Abex公司，为改善高铬铸铁的性能，进行了大量的研究工作，系统研究了Ni、Mo、Mn、Si、Cr和C等元素在高铬铸铁中的作用。随后，美国ClimaxMolybdenum公司又对Mo和Cu在高铬铸铁中的作用进行了系统的研究。80年代，美国内政部矿业局的研究中心又对高铬铸铁的热处理进行了研究。美国材料试验学会制定的标准ASTMA532《抗磨铸铁》中基本体现了上述研究工作的成果。我国标准GB/T8263－1999《抗磨白口铸铁件》中，等效采用了ASTMA532－93a标准中所列的8个牌号中的7个，其中，属于高铬铸铁的4个牌号全都采纳了。高铬铸铁耐磨件，在我国应用很广，随着矿业和冶金行业的迅速发展，对高铬铸铁件的需求增长很快，目前，年产量已超过50万吨，不仅供国内各行业使用，也有相当数量的铸件出口。尽管高铬铸铁的应用已有80多年的历史，而且对其进行过很多研究工作，但是，到目前为止，我们对高铬铸铁的了解仍然不够全面，还有待在生产实践中进一步深化认识，如：（1）为了适应不同的工况条件，高铬铸铁已有多种牌号，但总体而言，化学成分的变化范围还太宽。例如：当前的牌号中，铬含量在8%～30%之间，需要优选而不宜随意确定；碳含量一般在2.0%～3.9%之间，ClimaxMolybdenum公司的超高碳牌号甚至可达4.3%，范围也不可谓不小。此外，合金元素钼、镍、锰和铜的合理用量及其间的互补关系，也有待更深入的探讨。总之，在优化成分配比方面还大有可为。（2）化学成分的变化范围很大，而热处理工艺却相对地比较简单，只有软化退火、硬化处理、回火等几种方式，加热温度的控制范围差别也不大。应该提到的是：目前，我国生产高铬铸铁件的厂家很多，但其中有不少企业只是简单地按规定的化学成分生产，而对这种材料的特性知之甚少，不能够根据企业的具体条件和铸件的特点不断优化生产工艺，这样，当然难以制造出高质量的产品，更不用说自行研究开发新产品了。因此，有必要将高铬铸铁的一些特性和工艺要点向有关企业作简要的介绍。一、作为抗磨材料的高铬铸铁磨料磨损（AbrasiveWear）是机件磨损方式的一种，通常是指处理砂土、矿石、岩石、等物料时，由这类物料造成机件的磨损。这类物料与机件表面相互作用的方式很多，有冲击、滚动、滑动和冲刷等。关于磨料磨损的分类，当前世界各国广泛认同的是H.S.Avery提出的分类方法，将磨料磨损分为三类。（1）凿削性碰撞磨损这是指较大块磨料与机件表面相互撞击而造成机件的磨损，是最严重的磨料磨损，如破碎机颚板2破碎岩石，挖掘机挖取堆积的石块等。由于有强冲击作用，要求耐磨机件有相当高的韧性，以避免机件破裂。在此种工况条件下，一般都采用高锰钢铸件或表面淬硬的低合金钢铸件。（2）研碎性高应力磨损用两个工作表面破碎粒状材料时，由于颗粒与工件之间作用的应力很高，足以使颗粒破碎，所以称之为高应力磨损。（3）擦伤性低应力磨损磨料颗粒以相当高的速度流经工件的工作表面，使工作表面磨损，由于两者之间的应力不足以使颗粒破碎，所以称之为低应力磨损，如溜槽、泵和抛丸机叶片的工况条件都是。用于（2）、（3）两种工况条件的耐磨件，目前的首选材料都是高铬铸铁。在作业时应力不太高、冲击作用甚小的情况下，低合金白口铸铁和美国国际镍公司开发的镍硬4号铸铁（含Cr8～9%；Ni5.0～6.5%;C2.6～3.2%）也都是常用的材质。就现今的高铬铸铁而言，如果按照铸件的特点适当地控制化学成分，并予铸件以正确的热处理，则铸件的耐磨性和韧性都优于镍硬4铸铁制品。所以，用于高应力磨料磨损和冲击作用不太强的碰撞磨损条件的耐磨件，大都采用高铬铸铁而很少采用镍硬4，如碎矿辊、锤式破碎机锤头、球磨机衬板等。此外，由于高铬铸铁具有相当好的耐蚀性能，一些同时经受磨料磨损和腐蚀作用的耐磨件，如湿磨机部件、渣浆泵叶轮和内衬等，尤宜用高铬铸铁制造。二、高铬铸铁的化学成分高铬铸铁是多元合金，其中铬和碳是是基本成分，钼、镍、锰和铜是常用的合金元素。1、铬高铬铸铁中，铬是强碳化物形成元素，其含量对碳化物形态的影响至关重要：铬含量在8%以下时，碳化物为M3C型（此处M代表Fe、Cr及其他合金元素，以下同此），不仅硬度较低（维氏硬度1000左右），而且呈连续网状分布，铸铁易于脆断；随着铬含量的提高，铸铁中的碳化物逐渐向M7C3型转变。超过12%以后，碳化物主要为M7C3型。此种碳化物呈杆状或片状，连续性较差，而且硬度较高（维氏硬度1600左右），铸铁的耐磨性和韧性都有颇大的改善。铬含量在8%～10%之间，则碳化物既有M3C型，也有M7C3型。由于有M7C3型碳化物，干扰了M3C型碳化物的连续性，铸铁的韧性仍然明显高于低铬铸铁；高铬、低碳的情况下，还会出现硬度较低的M23C6型碳化物。如铬含量在12%以上，但并不太高，而碳含量低，Cr/C比在8以上，也可能出现M23C6型碳化物。热处理时，奥氏体中析出二次碳化物的过程中，由于来不及充分扩散，局部碳含量低，一般就会析出M23C6型碳化物。如果铸件在腐蚀磨耗的工况条件下使用，要求铸铁既耐磨又耐腐蚀，则铸铁的含铬量应按下式计算：Cr(%)≥10×C%+12.5%上式的出发点是：高铬铸铁中，碳化物的电极电位高于基体组织，提高耐腐蚀性的关键在于提高基体的耐腐蚀性，为此，应保证基体中的含铬量在12.5%以上；此外，高铬铸铁中碳化物的铬含量大致是含碳量的10倍。含铬量在35%以上的铸铁，耐蚀性、耐热性都很好，但其中的碳化物为M23C6型，基体组织以铁素体为主，不能给碳化物以坚强的支撑，只宜用于低应力磨损的工况条件。高铬铸铁中的铬也可以使马氏体转变开始温度MS提高，这主要是因为铬是强碳化物形成元素，大量的铬与碳结合，使奥氏体中溶解的碳浓度降低，而降低碳浓度对提高MS的作用比其他合金元素的作用大得多。32、碳高铬铸铁中的碳含量，是影响铸铁中碳化物的数量的主要因素。一般说来，碳含量提高，碳化物增多，铸铁的耐磨性较好，但脆性增强。Fe－Cr－C三元合金中的共晶碳含量，是一项重要的数据，对于判断高铬铸铁的显微组织、调整铸铁的成分、控制铸件的质量，都是重要的依据。既然是三元合金，共晶碳含量（CE）当然与铬含量有关，大致可按下式计算，也可参考表1作粗略的估计。共晶碳含量CE=4.4－0.054（%Cr）表1高铬铸铁的共晶碳含量与铬含量的关系铬含量（%）1015202530共晶碳含量（%）3.93.63.33.02.8亚共晶高铬铸铁凝固过程中，先析出奥氏体枝晶，然后发生共晶转变，形成奥氏体－碳化物共晶体。碳含量低于共晶碳含量愈多，奥氏体枝晶的量也就愈多。接近共晶成分的高铬铸铁，基本上不析出奥氏体枝晶，全部转变为共晶体。过共晶高铬铸铁凝固时，先析出初生碳化物，然后发生共晶转变，初生碳化物的晶粒粗大，而且很脆，不能体现高铬铸铁的优点。因此，过共晶高铬铸铁实际上很少采用，只在特殊条件下用于擦伤性低应力磨损的工况条件。通常，用于制造耐磨件的，主要是亚共晶高铬铸铁。在亚共晶范围内，提高碳含量，不仅共晶碳化物增多，而且，如果能通过热处理使奥氏体组织中析出二次碳化物，则不仅增加了碳化物，而且，由于析出二次碳化物后，碳化物周围的奥氏体中碳含量进一步降低，马氏体转变开始温度Ms提高，还可以增加基体组织中的马氏体。因此，提高碳含量使硬度提高的作用是多方面的，其制约因素则是脆性增高。3、其他合金元素虽然高铬铸铁的铬含量很高，但主要存在于共晶碳化物和次生碳化物内，只有总量的一小部分溶于基体中、起强化基体的作用，铸铁的“硬化能力”并不好。从提高铸铁的“硬化能力”（即易于得到马氏体）考虑，只依靠增铬是不够的。例如：含碳2.7%，含铬15～20%的高铬铸铁，铸态的基体组织主要是珠光体；将含铬量提高到27%，铸态的基体组织则以铁素体为主，对于支撑硬质碳化物、作用是不够的，铸铁的耐磨性不能令人满意。因此，为提高铸件的硬化能力，往往要加入其他合金元素，常用的有钼、镍、锰、铜等。再就是，还有熔炼过程不得不加入的合金元素，例如硅。加入高铬铸铁中的合金元素，往往有双重作用：可以抑制珠光体形成的元素，应用不当时，也可能促进珠光体的形成；可以促进析出二次碳化物的元素，也可能抑制其析出；可以促进马氏体形成的元素，也可能起相反的作用。生产厚壁铸件，一般都需要加入钼、镍、铜、锰等合金元素，以改善其硬化能力。这种情况下，应根据铸件的壁厚及其冷却条件，确定适当的合金用量。如加入合金量太多，就可能会导致保留奥氏体增多，硬化处理困难，反而对耐磨性有负面影响。因此，要使合金元素充分发挥作用，需要通过试验、分析、研究，找到适合自己具体条件方案，不可以简单地采用他人的数据，也不宜随意确定。（1）钼钼是高铬铸铁中的重要合金元素。钼是强碳化物形成元素，主要存在于M7C3中，含钼的碳化物凝固过程自液相中析出时，还可能形成高硬度的M2C型、M6C型碳化物，但为量不很多。能形成高硬度的碳化物，是加入钼可以提高高铬铸铁硬度、改善耐磨性的主要原因。4同时，钼在高铬铸铁中形成稳定的碳化物，可以使奥氏体中的含碳量降低，从而使马氏体转变开始温度Ms提高，可增强铸铁的硬化能力，抑制珠光体的形成。钼也可以少量固溶于奥氏体中，但其对增强基体的作用不太大。（2）镍镍在碳化物中的溶解度很小，基本上全部溶于奥氏体，有强化基体的作用，因而能提高高铬铸铁的硬化能力。但镍是扩大奥氏体区的元素，稳定奥氏体的能力很强，所以，加入镍会使铸铁中保留的奥氏体量增多，导致耐磨性降低。有研究结果表明：含镍5.5%的高铬铸铁中，保留的奥氏体很多，而且难以通过热处理使之转变。铸铁中镍和锰的含量较高时，AC3温度降低，进行硬化处理时宜适当降低处理时的加热温度，以避免处理后保留的奥氏体量过多。但是，这样做的负面作用是得到的马氏体的碳含量较低，因而铸铁的硬度和耐磨性较低。（3）锰锰大部分溶于奥氏体，也有一部分进入碳化物，有增强高铬铸铁硬化能力的作用。但是，锰也和镍一样，稳定奥氏体的作用很强，会导致保留的奥氏体量增多。（4）铜铜在碳化物中的溶解度也很小，可溶于奥氏体，但溶解度不高（约2%）。在高铬铸铁中，铜可以提高硬化能力，与钼配合使用效果更好。铜也会使铸铁中保留的奥氏体量增多。（5）硅高铬铸铁中的硅，主要是为在熔炼过程中脱氧而加入的，硅不溶于碳化物，主要存在与基体中。1%以下的含硅量就可促进奥氏体转变，使保留的奥氏体量减少。但是，硅促进珠光体析出的作用强，不利于铸铁的耐磨性。因此，应严格控制硅含量。三、高铬铸铁的显微组织高铬铸铁的性能与其显微组织密切相关。碳化物的种类、形态和数量当然影响铸铁的耐磨性和韧性；基体组织在磨料磨损条件下能否牢固地支撑硬质碳化物，使其不致在应力和冲击作用下剥落也是至关重要的。为了更好地了解高铬铸铁的显微组织，需要对其相变的基本规律有所了解。考虑到常用高铬铸铁中的铬含量大致都在15%～20%之间，图1中列出了Fe－C－Cr三元相图中Cr=17%的截面的一角，供参考。图1Fe－C－Cr三元相图（Cr17%的截面）α－铁素体；γ－奥氏体；L－液体5高铬铸铁一般都选取亚共晶成分，凝固时，先析出初生奥氏体枝晶，冷却到共晶温度后，发生共晶转变，形成由共晶奥氏体和共晶碳化物组成的共晶体。奥氏体在高温下是稳定的。如果在平衡条件下冷却到共析