（材料加工工程专业论文）含钨高铬铸铁组织及性能研究.pdf

摘要 本文通过金相观察、x 射线衍射分析、能谱分析、洛氏硬度实验、冲击韧度 实验、耐磨性实验、磨损试样的磨损面观察、冲击断口观察，研究了钨和热处理 对高铬铸铁的组织、力学性能、耐磨性能的影响；确定了含钨高铬铸铁的合理钨 含量及热处理工艺；通过与含钼高铬铸铁的淬透性比较，研究了钨、钼对高铬铸 铁淬透性的影响。同时，研究了适合c r 2 6 含钨高铬铸铁的r e - n b 复合变质剂。 实验结果分析表明，铸态下含钨高铬铸铁的组织由奥氏体、马氏体和碳化物 组成，铬的碳化物主要形式有m 7 c 3 、m 2 3 c 6 ，钨在基体和碳化物中基本均匀分布， 钨的碳化物主要以w c l x 、w 6 c 25 4 、c w 3 为主。钨同时提高基体和碳化物的硬度， 从而提商宏观硬度，随着钨含量的升高，含钨高铬铸铁的磨损失重减少，神击韧 度先提高。当钨含量为3 时，冲击韧度开始下降。钨含量为1 。3 时。高铬铸 铁的硬度为5 8 7 5 h r c ，比不含钨的提高3h r c ，冲击韧度为l l ，1 8j c m 2 ，提高 1 7 5j c m 2 ，磨损失重为3 8 m g ，减少5 4 8 。 热处理后，含钨高铬铸铁的组织由马氏体、残余奥氏体和碳化物组成，铬的 碳化物类型没有变化，钨的碳化物以w e l 。、w 6 c 15 4 、c w 3 、w 2 c 为主，热处理 对钨在高铬铸铁基体和碳化物中的分布几乎没有影响。随着淬火温度的提高，洛 氏硬度提高，耐磨性提高。随着回火温度的提高，冲击韧度下降，硬度先升高， 5 5 0o c 回火时开始下降。含钨高铬铸铁的合理热处理工艺为i 0 5 0 c 淬火2 5 0 c 回 火，此热处理工艺条件下，含钨1 0 3 的硬度为6 1 g h r c ，冲击韧度为7 9 j e m 2 ， 磨损失重为2 7 m g ，减少6 6 7 。 通过钨、钼对高铬铸铁淬透性影响的比较，试样尺寸为6 0 x 1 2 0 1 2 0 m m 时。 9 5 0 c 淬火时含钼高铬铸铁的心部硬度在6 0 6 2 h r c ，已经能够淬透。 1 0 5 0 c 淬火时不含钨、钼试样的心部硬度6 0 6 1 1 - i r c ，能够淬透。1 1 0 0 c 淬火时，含 钨3 3 4 1 高铬铸铁硬度在6 t 6 2 h r c 。所以钼能够强烈提高高铬铸铁的淬透性， 由于钨溶入基体后，能够提高碳和合金元素在淬火时的扩散激活能，淬火后基体 仍存在相对较多的碳和合金元素，马氏体开始转变温度m s 依旧很低，从而奥氏 体很难转化为马氏体。 通过对含钨高铬铸铁r e - n b 复合变质剂的研究发现，稀土和铌都能够细化 奥氏体和碳化物，稀土和铌复合变质的合适配方为o 4 稀土硅铁+ 1 2 铌铁 ( 稀土硅铁中稀土含量为r e2 5 ，铌铁中铌的含量为n b6 5 ) 。该配方下含钨 1 5 时，高铬铸铁铸态时的硬度为5 8 3 h r c ，比不加变质剂的提高3 3h r c ： 冲击韧度为9 4 2j e m ? ，提高4 1 2j e r a 2 ，1 0 5 0 淬火2 5 0 c 回火后，硬度为6 3 4 5 h r c ，冲击韧度为7 2 1j e m 2 。 关键词：钨：高铬铸铁；热处理；耐磨性；淬透性；r e - n b 复合变质剂： 1 i a b s t r a c t b ym e a n so fm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n , x r a yd i f i a c t o m e t e r ( x r d ) ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e r a ) w i t he n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) r o c k w e l l h a r d n e s st e s t , i m p a c t - t o u g h n e s st e s t , a b r a s i v ew e a rt e s ta n do b s e r v a t i o no ft h ew e a r s l l r f a g 宅a n dt h ea s - e a s tm o r p h o l o g yo f i m p a c tf i a c t u r e ，t h ee f f e c to f wa n dm oo nt h e m i c r o s 仃u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a l - r e s i s t a n c ew e r er e s e a r c h e d 1 1 1 c r e a s o n a b l ec o n t e n to fwa n dh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw e r eo b t a i n e d c o m p a r e dt h e h a r d e n a b i l i t yo fh i 曲c h r o m i u mm o l y b d e n u mc a s ti r o nw i t ht h a to fh i g hc h r o m i u m t u n g s t e nc a s ti r o n t h ee f f e c td fw a n dm oo nt h eh a r d e n a b i l i t yw a si n v e s t i g a t e d a n d t h er e - n bc o m p o u n dm o d i f i c a t o ro fc r 2 6h i g hc 1 1 r o m i u mt u n g s t e nc a s ti r o nw a s s t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sn o wt h a tt h ea s - c a g tm i c m s t r u c t u r eo fh i g hc h r o m i u m t u n g s t e ne a s ti r o nc o n s i s t so fa u s t e r t i t e ，m a n e n s i t ea n dc a r b i d e s m 7 c 3 ，m 2 3 c 6 a r et h e m a i nt y p e so fc h f o m i u mc a r b i d e n l ed i s t r i b u t i o no fwi sa l m o s tu n i f o r mi nc a r b i d e a n dm a r x 1 1 l et y p e so fwc a r b i d ec o n t a i nw c t x ，w 6 c 25 4a n dc w 3 n 怆 m a c r o h a r d n e s so fh i g hc h r o m i u mt u n g s t e nc a s ti r o ni n c r e a s e sb e c a u s eo fh i g h e r h a r d n e s so fm a t r i xa n dc a r b i d e sd u et ot h et u n g s t e na d d i t i o n 1 1 b ea b r a s i v el o s s d e c r e a s e sw i mt h ei n c r e m e mo fw a n dt h ei m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e su n t i l3 w t h eh a r d n e s si n c r e a s e sf r o m5 5 7 5 h r ct o5 8 7 5 h r ca n d i m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e s f r o m9 , 4 3j e m 2t o1 1 1 8j c m 2w i t h1 0 3 wa d d i t i o n 1 1 1 ea b r a s i v el o s si s3 8m g w h i c hi s5 4 2 l o w e rt h a nt h a to f t h es a m p l e 、v i t l ln owa d d i t i o n ， 耵l em i e r o s t r u c t u r eo fh i g hc h r o m i u mt u n g s t e nc a s ti r o nc o n s i s t so fm a r t e n s i t e r e t a i n e da u s t e n i t ea n dc a r b i d e sa f t e rh e a tt r e a t m e n t t h e r ei sn oc h a n g ei nt y p e so f c l l r o m i u mc a r b i d ea f t e rh e a tt r e a t m e n t t h et y p e so fwc a r b i d ec o n t a i nw c i x 、 w 6 c 2 弘c w 3a n dw 2 c t h eh e a tt r e a t m e n th a r d l yh a sa n ye f f e c to nt h ed i s t r i b u t i o n o ft u n g s t e ni nc a r b i d ea n dm a t r i x 1 1 帕h a r d n e s sa n dw e a l r e s i s t a n c ei n c r e a s ea st h e d e s t a b i l i z a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf r o m9 5 0 。ct o1 0 5 0 n l ei m p a c tt o u g h n e s s d e c r e a s e sw i t ht h et e m p e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gf r o m2 5 0 * ( 2t o4 5 0 c a n dt h e h a r d n e s si n c r e a s e su n t i l5 5 0 t h er e a s o n a b l eh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fh i g h i l l c h r o m i u mt u n g s t e nc a s ti r o ni sd e s t a b i l i z e da t1 0 5 0 ca n dt e m p e r e da t2 5 0 c i nt h i s h e a tt r e a t m e n tc o n d i t i o n ，t h eh a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s so ft h es a m p l ew i t h 1 0 3 wa d d i t i o na l e6 1 8 h r ca n d7 9 j c m 2 ，r e s p e c t i v e l y a n dt h ea b r a s i v el o s si s 2 7 r a g , w h i c hi s6 6 7 l o w e rt h a nt h a to f t h es a m p l ew i t hn ow a d d i t i o n c o m p a r e dt h ee f f e c to fm o 谢mw o nt h eh a r d e n a b i l i t yo fh i 曲c h r o m i u mc a s t r i o n , t h e6 0 x 1 2 0 x 1 2 0 m ms a m p l ew i t hm oa d d i t i o ni sf u l lh a r d e n i n gd e s t a b i l i z e da t 9 5 0 o f w h i c h t h e h a r d n e s s i n t h ec o r e i s 6 0 6 2 h r c t h e 6 0 x 1 2 0 x 1 2 0 m ms a m p l e 、砘t l ln owa n dm oa d d i t i o ni sf u l lh a r d e n i n gd e s t a b i l i z e da t1 0 5 0 c o fw h i c ht h e h a r d n e s si nt h ec o r ei s6 0 6 1 h r c w h e nt h ed e s t a b i l i z e dt e m p e r a t u r ei su pt o 11 0 0 ，t h eh a r d n e s so ft h es a m p l ew i t h3 3 4 wa d d i t i o ni s6 1 6 2 h r c m oh a sa s t r o n ge f f e c ti ni n c r e a s i n gt h eh a r d e n a b i l i t yo fh i g hc h r o m i u mc a s ti r o n h o w e v e r , d u et ot h ew d i s s o l v i n gi nt h em a t r i xp a r t l y , t h ed i f f u s i o na c t i v a t i o ne n e r g yo f c a r b o n a n da l l o ye l e m e n t si nt h em a t r i xd e c r e a s e sw h i l eq u e n c h i n g ，s ot h a tt h em a t r i xo f h i 曲 c h r o m i u mt u n g s t e nc a s ti r o nh a sh i 曲c a r b o na n da l l o ye l e m e n t sc o n t e n t , w h i c hl e a d s t oal o w e rm st e m p e r a t u r et h a nt h a to ft h es a m p l ew i t hn owa d d i t i o n t h e r e f o r e ， h i g hc h r o m i u mt u n g s t e nc a s ti r o ni sl e s sl i k e l y t ot r a n s f o r mt om a f f 置n s i t eu p o n a i r - c o o l i n gt or o o mt e m p e r a t u r e t h es t u d yo fr e - n bc o m p o u n dm o d i f i c a t o ro fc r 2 6h i r g hc h r o m i u mt u n g s t e n c a s ti r o ns h o w st h a tb o t hr ea n dn bc a nr e f i n ea u s t e n i t ea n dc a r b i d e t h er e a s o n a b l e a d d i t i o no f r e - n bc o m p o u n dm o d i f i c a t o ri so 4 r a r e e a r t hf e r r o s i l i c o na l l o y + 1 2 f e r r o n i o b i u m ( 2 5 r eo fr a r e e a r t hf e r r o s i l i c o na l l o y , 6 5 n i o b i u mo ff e r r o n i o b i u m ) w i t l lt h er e a s o n a b l ea d d i t i o no fm o d i f i c a t o r , t h eh a r d n e s si n c r e a s e sf r o m5 5 h r ct o 5 8 3 h r ca n dt h ei m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e sf r o m5 3j e r a 2t o9 4 2j c m 2 a f t e r d e s t a b i l i z e da t1 0 5 0 0a n dt e m p e r e da t2 5 0 c ，t h eh a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s sa r e 6 3 4 5h r ca n d7 ，2 1j c m 2 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：w ：h i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ；h e a tt r e a t m e n t ；w e a rr e s i s t a n c e ； h a r d e n a b i l i t y ；r e - n bc o m p o u n dm o d i f i c a t o r 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 磨损是金属零件失效的三种主要原因( 磨损、腐蚀和疲劳) 之一。除了材料 本身的磨损外，由于频繁地更换耐磨零件，也会造成生产率的下降，整体设备的 使用寿命降低，从而直接造成金属材料和能源的极大浪费。据统计n ，世界工业 化发达国家的能源约有3 0 是以不同形式消耗在磨损上的。美国每年由于磨损造 成的经济损失约1 5 0 亿美元；前联邦德国技术科学部估测，磨损造成的损失每年 达1 0 0 亿马克。据不完全统计，我国每年磨损造成的损失达4 0 0 亿美元【2 】。因此， 金属磨损是关系到国民经济的重要问题，在科技高速发展的今天，国民经济的各 个部门都对机械设备的耐用性，可靠性和精度提出了更高的要求，磨损问题也越 来越引起人们的普遍重视。所以，研究金属材料磨损现象，探讨影响磨损的各种 因素，提高金属的抗磨能力，研制新型抗磨合金，成为科技工作者面前的重要课 题。 本文通过在c r 2 6 高铬铸铁中加入不同含量的钨元素，研究钨对c r 2 6 高铬铸 铁的金相组织、力学性能、耐磨性及淬透性的影响。 1 2 耐磨材料的研究现状及发展 针对各种磨损件的具体工况条件和资源情况，国内外研究者研制出一系列耐 磨材料，主要有高锰钢、中锰钢及超高锰钢系列，高、中、低碳耐磨合金钢，镍 硬铸铁，锰系、硼系耐磨白口铸铁，贝氏体球墨铸铁，钨系白v i 铸铁，铬系耐磨 白口铸铁系列，以及用不同方法得到的金属一金属、金属一陶瓷等复合材料。 1 2 1 高锰钢、中锰钢、超高锰钢 高锰钢主要应用在高冲击负荷下的各种大型破碎机易损件，如破碎机颗板、 大型破碎机锤头、挖掘机铲齿、铁道辙叉等。针对高锰钢在冲击负荷小或低应力 磨损条件下不能充分加工硬化而不耐磨的问题，发展了合金化改性高锰钢，奥氏 体硬化中锰钢、低锰钢【3 1 。针对结构复杂，易产生裂纹的特殊铸件，研制出了低 碳高锰钢以满足市场需要 4 1 。高锰钢熔炼发展了吹氢气、吹氮气，炉外精炼等工 艺，提高了钢的纯净度。采用悬浮浇注、表面合金化、爆炸硬化等措施提高耐磨 1 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 性。 高锰钢铸件热处理一般为缓慢升温( 5 0 8 0 h ) 到6 5 0 ，保温l h 后以1 0 0 1 2 0 c h 的速度升温到1 0 5 0 c ，保温2 3 h 后水韧处理嘲。对于合金化高锰钢、超 高锰钢淬火温度一般提高到1 0 8 0 1 1 2 0 0 ，保温时间延长到3 4 h 。许多单位近 年来采取先在9 5 0 。c 保温2 h 正火预热处理，细化组织，冷却至3 0 0 后再淬火的 工艺，使耐磨性得到提高【6 1 。 中、小铸造厂采用浇注后温度降到1 1 0 0 时入水冷却，能够节省能耗，但 要控制铸件入水时间，对复杂铸件不宜采用。近年来我国许多单位对中锰钢、超 高锰钢进行了研究7 8 】。实践表明，高锰钢经过调整化学成分，加入固溶强化元 素进行合金化，调整和改变热处理工艺，可充分发挥优点，克服缺点。 1 2 2 耐磨合金钢 退火或正火状态的碳钢不是合适的抗磨料磨损材料。但是由于价格较低，韧 性良好，运用工艺手段可以改善抗磨能力等原因，碳钢仍有一定的应用场合。 在抗磨料磨损场合应用的合金钢，一般是锰系合金钢和铬系合金钢。合金元 素对抗磨合金钢的有益作用，主要表现在以下几个方面：一是通过不同方式强化 固溶相和改变固溶相的过冷转变性质；二是形成坚硬耐磨的化合物，这些化合物 能起抗磨损的骨架作用【9 1 。 ( 1 ) 锰系耐磨钢锰对于钢的组织、工艺性能、力学与物理化学性能都有 明显的影响，而且锰在地球上赋存广泛，资源丰富，价格比较低廉，在抗磨合金 中已经成为主要的合金元素。锰可以扩大钢的奥氏体区，使共析温度降低。钢中 马氏体的转变温度受到锰的强烈影响。锰量增加，m 。和m e 点下降，淬火后残余 奥氏体量增加。同时，锰降低奥氏体分解速率( c 曲线移向右方) ，可提高钢的 淬透性。4 5 m n s i m o r e 钢及4 2 m n s i m o r e 钢都是锰系多元耐磨合金钢，这两种钢 经热处理后可获得下贝氏体组织，宏观硬度达到h r c 5 2 5 6 ，a 它_ 2 0 n c m 2 ，o b 1 4 0 0 n m m 2 ，用以制造的q 2 6 m 水泥球磨机衬板经过长期使用，结果表明，寿命 为高锰钢衬板一倍以上，在使用中未曾发现破裂现象。 常用的低碳锰系耐磨钢有0 9 m a v 、1 2 m n v 等牌号，在煤矿机械中应用比较 广泛【1 0 1 1 j ，中碳锰系耐磨钢有4 0 m n 、5 0 m n 2 、4 2 m n 2 v 、4 5 m n b 等【1 2 1 3 1 。 ( 2 ) 铬系耐磨钢铬是抗磨钢铁材料中应用广泛的合金元素。铬在钢中一 2 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 部分溶入铁素体形成连续固溶体，相变时铬对碳原子的迁移起阻碍作用，推迟奥 氏体转变孕育期，从而提高钢的淬透性，铬使钢的等温转变性质发生变化，贝氏 体转变区移向较低温度，导致珠光体与贝氏体转变区域分离。铬钢中共析组织含 碳量、奥氏体中碳的极限浓度都比碳钢低。因而能使钢中共析体量及二次碳化物 量增加。同时铬在钢中形成一系列稳定的碳化物，在室温下铬钢中主要碳化物相 为( f e ，c r ) 3 c 和( f e ，c r ) 7 c 3 ，前者具有渗碳体点阵，硬度h v 8 4 0 1 1 0 0 ，呈 网状分布，后者具有密排六方点阵，硬度h v l 2 0 0 1 8 0 0 ，呈条状分布。作为抗 磨材料来说，m7 c 3 型碳化物的出现更为有利， 由于铬对钢相变性质和组织的上述影响，铬钢在热处理后可能获得较高的硬 度和强度，硬化层较厚，从而可以成为抗磨性能良好的抗磨材料【1 4 1 。在钢中加入 铬，作用不如铬和钼或铬、镍、钼复合加入好。但镍价格较高，因此铬铝钢、铬 钼硅锰钢、铬锰钼钢在国内外应用十分广泛1 1 5 1 6 】。 1 2 3 镍硬铸铁 1 9 2 8 年c l i m a x 国际公司研制成功的镍硬铸铁是白口铸铁发展的重要里程 碑。它是在普通自口铸铁中附加3 0 5 0 n i 和1 5 3 5 c r ，得到非常硬 而耐磨的马氏体基体- - m 3 c 型碳化物组织，其硬度( 5 5 0 6 5 0 h b ) 和强度都优 于普通白口铸铁，从而使其抗磨性能有了很大的改善，而且生产工艺简便，所以 较早的在矿山处理和冶金轧辊领域得到广泛应用。 镍硬铸铁在美国、英国、德国已纳入国家标准。由于镍是促进石墨化元素， 为了确保得到白口组织，大约按镍量的一半加入强碳化物形成元素铬，美国材料 试验学会( a s t m ) 把镍硬铸铁分为四种类型，其成分见表1 1 【m ，性能见表1 - 2 1 1 s l 表1 - 1 镍硬材料的成分( ) t a b 1 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f n i h a r d ( ) 注：表中无成分范围的元素含量均为最大值。 a 、b 、c 、d 4 种类型的镍铬抗磨白口铸铁，在国际上通常分别称为镍硬1 、 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 镍硬2 、镍硬3 、镍硬4 。镍硬铸铁一般不在铸态下直接使用，均需经过2 0 0 3 2 0 较长时间回火，使残余奥氏体向下贝氏体转化。回火后材料的强度和抗冲击能力 增加5 0 8 0 ，抗磨能力提高。 表l - 2 镍硬铸铁的机械性能 t a b 1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f n i h a r d 但是，由于这种铸铁含有的碳化物仍属于m 3 c 类型，呈网状分布，与普通 白口铸铁相比没有本质的区别，因此，其固有的脆性仍然没有得到克服，使用受 到很大限制。在我国，由于镍资源短缺，价格昂贵，镍硬铸铁的应用并不广泛。 1 2 4 锰系耐磨自口铸铁 锰白口铸铁是以铁和锰的碳化物为抗磨骨架相的白口铸铁，其成分范围为： 2 6 3 8 c ，2 0 7 0 m n ，o 6 1 2 s i 。由于锰固溶于铁中，共晶反 应产物由溶有锰原予的渗碳体型碳化物( m n ，f e ) 3 c 和奥氏体相组成。碳化物 随碳、锰量的增加而增加。锰白口铸铁中的碳化物或呈莱氏体形态或呈离异状态 存在于组织中。一般以网状分布，包围着初生及共晶奥氏体转变产物。碳化物数 量较少时，部分碳化物被基体组织分割。 锰在组织中均匀分布，由于奥氏体中溶有较多锰，在冷却转变时，金属基体 按照类似于锰钢的性质转变。可以通过改变冷速或添加合金元素的办法来改变奥 氏体转变产物及其性能。锰白口铸铁基体中容易产生马氏体，并伴随有较多的残 余奥氏体。碳化物的形态和分布，对锰白口铸铁的抗磨能力和韧性有很大影响。 4 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 碳化物细小，弥散分布，有利于韧性和抗磨能力的提高。所以为达到目的，一般 采用提高铸件的凝固速度和进行变质处理的办法来改善碳化物的形态和分布。 对金属模铸造和砂型铸造的锰白口铸铁( 3 0 3 c ，3 1 2 m n ) 试样进行的 销盘磨损试验( 试样取自经过4 2 0 c 回火的7 0 m m 立方体铸件) 表明，金属型铸 造的锰白口铸铁与砂型铸件相比，磨损量降低2 7 2 ，0 4 , 值提高3 1 7 。金属型 铸造可选用较低含锰量，一般应比砂型铸造时低0 5 1 2 。 变质处理是改善锰白口铸铁碳化物尺寸和分布的有效方法，对碳量较低的材 料变质效果更为显著。稀土元素、硼、钒都是很好的变质元素。我国稀土和硼的 储藏丰富，价格较低，来源方便，在一些工厂已经得到广泛应用。 锰白口铸铁由于其韧性差，不适于在较大的冲击载荷工况下使用。在冲刷磨 损场合下应用时，经过适宜热处理的锰白口铸铁，比普通白口铸铁性能优越得多。 但在有严重冲击力的工况( 例如制造球磨机衬板或直径较大的磨球) 下使用时， 容易发生表面剥落或脆性断裂【1 4 】。 1 2 5 硼系耐磨自口铸铁 由于硼的价格低廉，资源丰富，吉林工业大学研究了硼系耐磨白口铸铁并在 生产中试用【1 9 】。硼绝大部分分布在碳化物中，它代替碳化物中的部分碳而形成 f e 3 ( c ，b ) 或f e 2 3 ( c ，b ) 6 ，从而提高碳化物的硬度及增加铸铁中碳化物的百分数。 为保证硬度和韧性的综合指标，需控制铸铁中碳化物的百分数，这就要合适地选 定碳和硼的含量，可选择高碳低硼的成分，也可选择低碳高硼的成分。在碳化物 的百分数相同时，与低碳高硼的铸铁相比，高碳低硼的强度和韧件较高，但碳化 物的显微硬度较低( 高碳低硼时碳化物的显微硬度为h v9 4 6 ，低碳高硼时为f i v 1 1 0 0 ) 。由碳化物的相结构来看，高碳低硼时是以f e 3 ( c ，鳓为主，仅有少量f e 2 3 ( c ， b ) 6 ；而低碳高硼时，f e 2 3 ( c ，b ) 6 较多。但硼并不能改变碳化物的形貌，碳化物 仍然呈网状分布。为了提高材料的淬透性，经热处理后能得到所需的基体组织， 故需加入适量的钼和铜。这类铸铁的韧性较差，常需采用变质处理以改善韧性。 硼系耐磨白口铸铁的推荐成分如表1 3 所示。 这类铸铁的铸态组织由碳化物、细珠光体、马氏体和残余奥氏体组成。若铸 件需经机械加工，则加工前需经高温退火得珠光体基体；高温退火还能进一步破 坏碳化物的连续网络，以改善韧性。为了获得马氏体和碳化物的最终组织，还需 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 经淬火处理，高碳低硼的成分采用9 4 0 c 油淬及2 5 0 回火，低碳高硼的成分采 用9 8 0 c 油淬及2 5 0 c 回火。曾将这类铸铁用于电厂除灰系统的灰渣泵，使用效 果良好。 表l - 3 硼系白口铸铁的推荐化学成分1 1 9 l ( ) t a b i - 3t h er e c o m m e n d a t i o nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f b o r o nw h i t ec a s ti r o n ( ) 1 2 6 贝氏体球墨铸铁 贝氏体基体型铸铁按其中的石墨的形态，可分为贝氏体可锻铸铁和贝氏体球 墨铸铁，前者生产周期长，目前研究应用较少，而后者无须经石墨化退火且性能 优良，应用广泛，尤其作为耐磨材料。 1 9 4 9 年w w b r a i d w o o d 就曾预言针状组织( 贝氏体) 铸铁可能是力学性能好 的铸铁，随后，美国国际收割机公司于1 9 5 2 年曾用这种球铁代替高锰钢生产军 用履带，但在此后的2 0 年间，由于这种材料需要有限，在工业生产中很少应用， 致使它的发展基本处于停滞状态，直到6 0 年代初，国际上才重新开始这种材料 的研氖1 9 7 7 年，m j o h o n s s o n 宣布芬兰k y m i k y m m m c 公司所属的k a r k k i l a 铸造 厂开发了一种使用性能优异的新型球铁，即奥氏体贝氏体球墨铸铁，并向美、 英、法、加等1 3 个国家申请了专利，这一报导引起了广泛重视，各国从不同角 度进行了规模巨大的研究工作。 8 0 年代以来有关贝氏体球铁的研究进行得较多，主要包括：等温淬火工艺对 球铁性能的影响【2 0 2 ，合金元素对淬透性及组织性能的影响，各种组织与性能 6 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 间的关系2 2 2 3 1 、磨损性能 2 4 - 2 s 1 、贝氏体组织的形成机理等方面但这些研究都仅 仅局限于传统工艺等温淬火。后继研究者考虑到等温淬火工序长、耗能大、 污染环境，开始进行合金化后在空冷或铸态条件下获得贝氏体球墨铸铁的研究， 但这一方法无一例外需加入贵重合金元素n i 、m o 、c r 等，一般加入量为镍：3 o 4 0 ，钼：o 6 1 o ，生产成本高，在铸态下获得贝氏体组织除了合金化以外，还应 考虑其他因素的影响，当成分一定时，冷却条件具有决定性的影响，冷却速度太 快将得到全马氏体，太慢则会转变成珠光体，因而增加了对铸件生产的要求。与 此同时，一些研究者开始从利用铸件余热创造一个类似等温的环境，从这一个思 路出发，先后提出了中断正火法口q ，模拟等温处理等工艺方法，采用热开箱+ 急 冷+ 保温的工艺来获得贝氏体组织。 贝氏体球铁优异的综合力学性能使其具有非常广泛的用途，如用在耐磨、耐 冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的场合。贝氏体磨球材料作为矿山球磨机研磨介 质已得到认可。这种材料不仅具有比高铬铸铁更好的抗腐蚀耐磨性，而且还适于 生产湿磨条件下的抗磨铸件，如渣浆泵等，但贝氏体球铁传统的等温淬火工艺复 杂、时间长、淬火介质易污染，需加入一定的铜、铝、镍，这使贝氏体球铁生产 成本高，质量不稳定。 1 2 7 钨系自口铸铁 钨系合金白口铸铁以抗腐蚀磨损及抗冲蚀磨损能力强而著称。这种抗磨材料 适用于制造砂泵、杂质泵及水力输送物料装置的易磨损件。选煤厂、火力发电厂、 金属选矿厂、砂石厂水力输送煤粉、煤灰、尾矿、砂石泥浆装置中采用钨合金白 口铸铁零件，都能收到了良好的抗磨效果。 钨分布于碳化物及基体中。在碳化物中钨的作用与钼类似，但作用比钼弱的 多。钨白口铸铁含钨量一般为9 2 0 ，它的抗冲蚀能力随含钨量的增加而增 加。用于以抗腐蚀为主的场合，宜选取较低含碳量( 2 0 2 2 ) 。用于磨粒强 烈冲刷的场合，可选取较高含碳量( 2 8 3 2 ) 。为了提高钨白口铸铁的抗蚀 性，可在其中加入5 1 0 的铬。因为铬能提高材料的极化电阻，减少极化电 流，降低腐蚀速率。另外，加铬也有助于提高碳化物的抗磨能力。 钨系白口铸铁的铸态组织多为马氏体+ 残余奥氏体。一般只需要经过2 5 0 3 0 0 1 2 回火即可使用。高温热处理无助于提高材料的性能，而且有发生脆裂的倾 7 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 向。 钨系白口铸铁的硬度一般都在h r c 6 0 以上，但由于其中碳化物对基体的分 割严重，因而冲击韧度较差，a k 值一般都在3 4 n c m 2 1 4 1 。 1 2 8 铬系自口铸铁 高铬铸铁的最终组织一般为马氏体+ 合金碳化物+ 少量残余奥氏体，被誉为 “第三代金属抗磨材料”，具有优良的抗磨性能，在矿山、水泥、冶金、水电等行 业得到了广泛应用【2 7 3 0 】。 多年来，国内外的研究工作者对于铬在铸铁中的作用进行了大量的研究试 验。在此基础上研制开发出适用于各种工况的铬白口铸铁。由于铬能有效地改变 白口铸铁的组织和性能，显著提高材料抗磨能力。从世界范围来说，铬资源并不 匮乏，价格适中。与其它台金白口铸铁相比，铬系合金白口铸铁的性能价格比颇 具吸引力，因此已经成为目前国内外广泛应用的抗磨料磨损材料。 目前，一般使用含铬1 2 2 0 的高铬抗磨铸铁，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c r 2 3 3 0 的高铬 铸铁提高耐磨件使用寿命，如英国用含c r 2 5 高铬铸铁生产杂质泵，挖掘海底砂 石，寿命可达2 年【3 1 制。 铬在白口铸铁中有两方面作用。一是促进碳化物形成，改变碳化物结构、性 能和形态；二是固溶于奥氏体，改变奥氏体相变性质。人们利用这两方面作用， 获得各种预期的金属组织，满足抗磨零件的技术要求。 促使碳化物结构转变的临界铬浓度与合金含碳量有关。含碳量降低，与碳形 成化合物的铬量相应减少，因此临界铬浓度也相应降低。铬对白口铸铁中初生奥 氏体和共晶奥氏体的转变性质也有影响。铬降低碳在奥氏体中的溶解度，奥氏体 冷却转变的临界冷速相应降低，因而有助于提高材料的淬透性，使基体组织的抗 磨能力得到提高。 ( 1 ) 低铬白口铸铁 所谓低铬白口铸铁，一般是指含有渗碳体型碳化物的碳白口铸铁。由于合金 含碳量与铸件凝固速率对影响碳化物结构转变的临界铬浓度有很大作用，现在还 不能按铬含量界定铬白口铸铁类型。在工业生产条件下，凝固速率远超过平衡转 变速率，又加上铸铁中碳、硅、锰的影响，含铬1 1 以下的白口铸铁中除m 3 c 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 型碳化物外，也存在m 7 c 3 型碳化物。而且，随含铬量的提高，m 7 c 3 碳化物量增 加。 按照长期工业实践的结果，很多人认为含c r 2 5 的铬白口铸铁有比较 好的性能价格比。虽然提高含铬量还能改善材料的抗磨能力，但是产品价格的上 升并未能从延长使用寿命方面得到合理补偿。据此，我们把含c r 2 5 的白 口铸铁列为一种类型称为低铬白口铸铁。 目前应用比较成熟的低铬白口铸铁成分范围是：2 4 3 2 c ，0 6 1 5 s i 。0 4 o 8 k i n ，2 o 5 o c r 。 低铬铸铁的耐磨性低于具有m 7 c 3 碳化物的高铬铸铁，但是在抗磨料磨损性 能方面优于碳钢和一些低合金钢。低铬铸铁零件在金属组织设计和制造工艺方面 必须要妥善解决的问题是在保持耐磨性的同时设法降低材料脆性。也就是说，需 要很好的处理韧性和耐磨性这一对矛盾。 ( 2 ) 中铬白口铸铁 通常称含铬量介于高铬和低铬之间的合金白口铸铁为中铬铸铁网，中铬铸铁 己成为一种低成本的抗磨材料，具有一定的硬度和耐磨性，韧性高，在湿态和于 态冲击载荷高、低应力磨料磨损工况下，如冶金矿山、火力发电、水泥等行业得 到了应用，显示出优良的经济效益和社会效益【3 4 1 。 中铬铸铁的化学成分要根据基体情况来确定，想获得符合使用要求的化学成 分，就需要综合考虑c r c 和s i c 。c r c 和s i c 高，m 7 c 3 型碳化物量相对增加， 碳化物硬度和形态相应得到增加和改善，将提高铸铁韧性和耐磨性。另一方面， 高的s i 含量会降低铸铁的淬透性。含碳量较低时又会减少碳化物量，降低铸铁 的耐磨性，因此需要综合考虑c 、s i 元素的影响【3 5 】。 中铬铸铁一般要经过热处理后才投入使用，所采取的热处理工艺与高铬铸铁 相似。目前，中铬铸铁主要还处于研究阶段，应用范围还有待进一步开发。现有 的中铬铸铁存在许多不足之处，如组织中存在复相碳化物对其力学性能的影响问 题及热处理工艺复杂、基体淬透性差 3 6 1 、力学性能和耐磨性不好，还需要不断发 展完善，以使其成为成本低、性能高的理想抗磨材料。 但是从表1 4 中所列举的中铬铸铁与镍硬4 型铸铁性能相对比情况。可见中 铬铸铁的性能完全可以与后者相媲美，对中铬铸铁的研究和应用具有实际生产意 9 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 义。 表1 4 中铬铸铁与镍硬铸铁的性能比较i 明 t a b 1 - 4p r o p e r t i e sc o m p a r i s o no f m e d i u mc h r o m i u mc a s ti r o na n dn i h a r d ( 3 ) 高铬白口铸铁 工业应用的高铬白口铸铁含碳量一般为2 4 ，含铬量为1 1 2 5 。 凝固组织中可能出现的初生碳化物和共晶碳化物有m 3 c ，m 7 c 3 和m 2 3 c 6 3 8 4 “。 m 7 c 3 的硬度为h v l 2 0 0 1 8 0 0 ，m 2 3 c 6 的硬度为h v l 0 0 0 1 1 0 0 ，而渗碳体硬度 为h v 8 4 0 1 1 0 0 ，这些碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态以及基体组织的性 质对其抗磨能力都产生明显的影响。碳化物的类型与成分有关，更确切的说，与 合金中铬、碳含量的比值有关。当合金中的含铬量大于1 l ，镕、碳含量比值 超过3 5 时，高硬度m 7 c 3 型碳化物几乎全部代替了m 3 c 型碳化物。m 7 c 3 型碳化 物基本上是以孤立的条状形态存在，与呈网状连续分布的m 3 c 型碳化物相比， 大大增强了基体的连续性，从而材料整体的韧性显著提高。随着铬碳比的提高， m 7 c 3 型碳化物将被m 2 3 c 6 型碳化物所取代。合金成分越接近共晶反应投影线， 初生相份量越少，共晶体在凝固组织中占的比例越高。 高铬铸铁中的m 7 c 3 型碳化物一般写成( f e ，c r ) 7 c 3 。这种碳化物是铬原子 溶入铁碳系的不稳定碳化物f e 7 c 3 形成的。f c 7 c 3 晶体是一个六方点阵结构，每 一个碳原子与相邻的六个铁原子紧密接触。c r 7 c 3 晶体属于斜方晶系，c r t c 3 中的 铬原子与f e 7 c 3 中的铁原子排列方式很接近，铁原子和铬原子的尺寸也很接近， 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 为铬原子大量取代铁原子而形成( f e ，c r ) 7 c 3 提供了条件。 m 2 3 c 6 碳化物常被称为f 相。是以铬为主的间隙碳化物。这种碳化物分子式 应写为( t 2 3 x ，m x ) x 6 + y ，其中t 代表过渡元素，如c r ，m n ，f e 或n i ，m 可以是 过渡元素，也可以是非过渡元素，x 代表碳元素或硼元素。对高铬铸铁的分析表 明，分子式中为0 9 【s 7 ，y = 0 。铬原子取代部分铁原子而形成的( f e ，c r ) 2 3 c 6 在热力学上是稳定的。t 相晶体具有面心立方点阵。( f e ，c r ) 2 3 c 6 含碳量极限值 为5 5 ，最高含倍量为5 9 ；而( f e ，c r ) 2 3 c 6 的含铬量为9 4 3 ，这说明( f e ，