高铬白口铸铁的组织与性能

高铬白口铸铁的组织与性能

球磨机的减磨降耗铬白口铸铁是优良的抗磨材料系列。在许多磨损和磨损的地方，铬白口铸铁逐渐取代了传统的抗磨试验钢、中锰球铁和合金铸造钢。广泛应用于球磨机、研磨体、环、纵、锤头、搅拌刀、各种磨损和其他易损件。通过减磨降耗取得了巨大的经济效益。但是,铬系白口铸铁较大的脆性和较高的成本又限制了其应用范围,这是目前研究和生产中急待解决的问题。1铬系白口铸铁的分类和特点1.1fe,crc含Cr≤5%的铬系白口铸铁称为低铬白口铸铁。其组织上的特点是碳化物(Fe,Cr)3C为合金渗碳体,特别是共晶(Fe,Cr)3C基本保持了Fe-C合金中Fe3C的网状结构,所以低铬白口铸铁韧性较低。但是由于(Fe,Cr)3C的稳定性及硬度均高于Fe3C,低铬白口铸铁经热处理强化后强韧性及抗磨性高于普通白口铸铁。但大部分低铬白口铸铁在铸态下的基体组织为粗大珠光体,硬度、韧性低而不抗磨,所以低铬白口铸铁都要热处理强化,以提高基体的抗磨性。1.2抗磨性和韧性含Cr≥12%的铬系白口铸铁一般称为高铬白口铸铁。其组织上的特点是共晶碳化物为(Fe,Cr)7C3型,其显微状态为分散束状,对基体的割裂程度较差,同时其硬度比(Fe,Cr)3C高。因此,在相同基体的条件下,高铬铸铁的韧性和硬度比低铬白口铸铁好。由于含Cr量高,其基体也可以得到很好的强化。因此,高铬铸铁在承受磨料磨损时,碳化物和基体的相互保护能力强。高铬铸铁的抗磨性取决于其组织是否与其使用条件配合得当,而高铬白口铸铁的组织可以通过调整化学成分、铸造工艺及热处理工艺而改变。研究表明,在不同Cr/C下,分别用金属型和砂型浇注可以得到不同的基体组织,而不同的基体组织在不同的使用条件下的抗磨损性能迥然不同。高铬白口铸铁由于抗磨性能优良,并且具有相当的韧性和耐蚀性而日益受到人们的重视。国外已成功地应用于矿山大直径(3.7m)球磨机衬板、大型粉磨机锤头(10.7m)、大型泥浆泵内衬、高压(3.5MPa)输煤泵内衬及水泥工业用大型粉碎机组合板。我国近些年来在高铬白口铸铁的研究和推广应用方面也取得了长足的进步。如河北工学院研制的铸态屈氏体抗磨白口铸铁,该屈氏体白口铸铁含Cr量(平均含Cr量13%)较GB8263-88中KmTBCr15Mo2(平均含Cr量15%)要低且无须淬火处理,应用于水泥球磨机研磨体后取得了明显的效果。但高铬白口铸铁的韧性虽然优于其他白口铸铁,在实际应用中仍然易于破碎,而且材料成本较高,这就限制了它的应用推广。目前,高铬铸铁的研究仍以在不降低其硬度和抗磨性前提下如何经济地提高其韧性为主要方向。1.3元共晶反应通常称含Cr量介于高、低铬白口铸铁之间的铬系白口铸铁为中铬白口铸铁。中铬白口铸铁一般不含或很少含Ni,以区别镍硬4白口铸铁。其含Cr量在6～11%。随着含铬量的降低,碳化物中的(Fe,Cr)7C3比例逐渐减少,共晶碳化物逐渐趋向(Fe,Cr)3C网状结构。从附图Fe-C-Cr三元合金平衡相图上看,高铬铸铁的成分范围在λ3区,而中铬白口铸铁的成分范围在λ2区。两者的凝固过程有差异:对高铬白口铸铁,随着初生奥氏体的不断形核长大,液相成分沿液固面到达U1-U2线,随之沿着U1-U2线发生三元共晶反应:L=λFe+M7C3,液相成分沿U1-U2线箭头所示方向变化,并在四相包晶点U2前结束凝固过程。可见,高铬白口铸铁在平衡凝固条件下的碳化物形态为M7C3型。而中铬白口铸铁由于含Cr量不足,在凝固过程中共晶反应结束后凝固尚未结束,剩余液相在1183℃时将在U2点发生四相包晶反应L+M7C3=λFe+M3C。有关试验和研究表明,先析出的共晶M7C3被M3C所包覆,这对中铬白口铸铁的性能有极大的影响。2铬系白口铸铁的强制安装2.1其他方面的作用合金化是提高铬系白口铸铁强韧性行之有效的方法。铬系白口铸铁中常用的合金元素有V、Ti、Al、Mn、B、Cu、N等。其作用如下:(1)V:V是极强的碳化物形成元素之一,高温下在铬系白口铸铁中形成VC。VC硬度高而且分布弥散,在高温下机械地阻碍初生奥氏体晶粒的长大,从而细化晶粒提高白口铸铁的韧性和强度。(2)Ti:Ti是一种活泼的金属元素,与O、S、N、C等非金属元素均有很强的亲和力,添加到铬系白口铸铁中必然会发生多种反应,产生多重效应。高温下形成的TiC不仅可以机械地阻碍初生奥氏体的长大,而且还可以作为初生奥氏体的异质晶核,从而达到细化晶粒的目的。另外,Ti还有较好的脱氧和脱硫效果。(3)Al:Al具有有效的脱氧效果,可净化铁液;Al是非碳化物形成元素,能削弱铁碳原子间的结合力,使碳化物析出和生长速度受到抑制,从而细化碳化物。(4)B:在凝固过程中,B大部分存在于奥氏体结晶前沿的剩余铁液中,增大了铁液的过冷度,降低了共晶团的生长速度,有利于组织的细化;B还可以以碳化物的形式存在于铬系白口铸铁中;研究表明,B加入高铬铸铁后不仅使其化合物量急剧增加,而且使化合物的三维形貌由单纯杆状到开始出现蜂窝状组织;另外,加B后高铬铸铁在铸态就开始出现马氏体组织,因而使其宏观硬度明显提高。(5)Mn:研究表明,含Cr7%的中铬白口铸铁加入一定量的Mn后采用低温淬火处理后可使其硬度达到60HRC,而碳化物的形式不变,在水泥球磨机中完全可以代替高铬白口铸铁。(6)N:利用尿素高温分解出的N原子对中铬白口铸铁进行处理是铬系白口铸铁强韧化的一种新方法。N原子降低初晶和共晶温度,减少共晶结晶温度范围,增大过冷度,细化初晶奥氏体和共晶团尺寸;加N还能促进中铬白口铸铁在共晶时以离异方式结晶,改善碳化物的形貌,使其表面更加圆滑。经氮化处理的中铬白口铸铁冲击韧度显著提高。(7)其他:在铬系白口铸铁中常用的合金元素还有Cu、Mo等。以Cu、Mo代替Ni的中铬白口铸铁,采用适宜的热处理工艺后其力学性能可达到镍硬4的水平。在铬系白口铸铁的合金化中,强韧化效果与经济性的统一非常重要。特别是在低铬白口铸铁的合金化过程中,多元合金化虽然能使其性能显著提高,但同时也使其丧失成本上的优势。目前,低铬白口铸铁的合金化一般都与各地不同的资源情况相结合。如钨渣低铬白口铸铁、钒钛低铬白口铸铁、磷铜钛低铬白口铸铁等。2.2采用特殊加工工艺2.2.1选择需要生长或已铸造的细铬系白口铸铁件采用金属型或石墨型铸造时,冷速较快,晶粒较细,组织也比较致密,还可以得到不同的基体。例如,用金属型铸造高铬白口铸铁磨球可以得到屈氏体基体;用石墨型铸造低铬白口铸铁磨球可以得到断网共晶碳化物,从而有效地提高其韧度。2.2.2材料的硬度c低铬白口铸铁采用定向凝固工艺后其碳化物将定向排列。研究结果表明,低铬白口铸铁中的(Fe,Cr)3C在不同晶向上有不同的硬度,碳化物纤维横截面上硬度(HV1425)明显高于纵截面上硬度(HV935),在软磨料磨损情况下,基体对定向排列的碳化物提供较好的保护,而突出于基体的碳化物又强烈地抵抗磨料的磨损,对基体起到很好的保护作用,其相对抗磨性可比砂型铸造工艺提高18%。2.2.3提高铸件力铬系白口铸铁件采用离心铸造时,液态金属在动态下凝固,共晶碳化物分散、均匀,铸件组织致密,内部缺陷少,可极大地提高铸件的强韧性。例如,用离心法铸造的低铬白口铸铁磨球,其冲击韧度可达5.17J/cm2,工艺出品率可达92.3%,远高于静态铸造。2.2.4提高韧性和抗磨性铬系白口铸铁件中预安置加强钢筋网后,可有效地提高其强韧性和抗磨性。这种工艺首先由我国科技工作者成功地应用于高铬铸铁衬板的生产中,取代传统的高锰钢衬板,可使衬板使用寿命提高60%以上。2.3渣浆泵铸件的寿命变质处理是一种简便易行、经济而有效的强化方法。变质的主要目的是改变碳化物的形态和分布从而达到提高韧性的目的。常用的变质元素主要有:Mg、P、Zn、K、Na、B、Si、RE、Ba等,其中稀土变质是最有效且适合中国资源状况的方法。文献研究了用稀土复合变质剂对含Cr15%的高铬铸铁变质处理后生产的渣浆泵铸件,在发电厂使用时寿命达8000h,比未变质前提高一倍。用多元变质剂处理含Cr12%,C2.5%的高铬铸铁后其冲击韧度提高一倍以上。含Cr8～9%的中铬白口铸铁进行复合变质处理后,HRC≥56,与高铬白口铸铁相当,Αk≥7.5J/cm2,比标准高铬白口铸铁要高,用于球磨机研磨体后其抗磨性与高铬铸铁相当但成本却大大降低了。许多试验证实,中铬白口铸铁变质处理后,其碳化物中(Fe,Cr)7C3比例明显提高,但至于为何变质元素能在中铬白口铸铁中产生这样的效果,在国内外却无令人满意的解释。作者在研究高铬白口铸铁及中铬白口铸铁的组织变化规律时根据试验结果提出了“合金元素与变质元素对铬系白口铸铁中不同碳化物间比例的影响主要是通过对Fe-C-Cr相图中包晶点位置的影响而实现”的观点。至于低铬白口铸铁,变质处理是改变(Fe,Cr)3C网状结构最有效的途径。2.4共晶碳化物的破碎由于铬系白口铸铁的脆性与其粗大的共晶碳化物有关,用热塑性变形的方法可破碎其粗大的共晶碳化物并改变其形态分布,从而有效地提高其综合强韧性,降低脆性。热塑性变形的处理方法已在低铬白口铸铁及高铬白口铸铁中得到成功的应用。2.5热处理对碳化物的影响热处理既可以强化基体,又可改善碳化物形貌。有资料介绍,低铬白口铸铁进行880～900℃淬火后进行200～250℃回火可获得细针状马氏体基体,洛氏硬度达56HRC。另外,热处理还促