鉻在鑄鐵中作用

1、第六章 合金元素在鑄鐵中的作用及合金鑄鐵 在鑄鐵中加入一定的合金元素可以改變鑄鐵的鑄態(tài)或熱處理后的組織，從而改變其物理性能和化學性能。我們把含有一定數(shù)量的合金元素，從而具有特定的物理或化學性能的鑄鐵稱為合金鑄鐵。本章主要介紹合金鑄鐵中常見合金元素在鑄鐵中的作用及合金鑄鐵的組織及性能特點。 第一節(jié) 鉻在鑄鐵中的作用及鉻系耐磨鑄鐵 一、鉻對鐵碳相圖的影響及含鉻碳化物 為了更好地了解鉻在鑄鐵中的作用，首先介紹有關(guān)相圖。圖61是Fe-Cr二元相圖。在Fe-Cr相圖中，相區(qū)接近于環(huán)弧狀，與Fe-C相圖的相區(qū)相比，其溫度范圍要小一些，而成分范圍更大一些。在該相圖中存在著相區(qū)，這種相為脆性相。 圖61 Fe

2、-Cr二元相圖 1非平衡磁性轉(zhuǎn)變線 2平衡磁性轉(zhuǎn)變線 圖62為杰克遜（Jackson）用熱分析法得到的Fe-C-Cr三元相圖的液相面投影圖。62 Fe-C-Cr三元合金的液相面圖 該圖表明，F(xiàn)e-C-Cr合金凝固時，隨合金成分的不同，可以析出、K1、K2、KC五種不同的相。在這五種相中，和是固溶體相，其余三個相為結(jié)構(gòu)不同的碳化物相，它們分別為： K1(Cr,Fe)23C6 K2(Cr,Fe)7C3 KC(Cr,Fe)3C 按照杰克遜所提出的相圖，在準穩(wěn)態(tài)時Fe-Cr-C三元合金有三個包共晶反應(yīng)和一個包共析反應(yīng)，即1449時， L K1K21292時， LK21184時， LK2KC795時，

3、K2KC 這三種碳化物的晶體結(jié)構(gòu)類型及其溶解碳和鉻的能力見表61。 由圖62可以看出，鉻對鐵碳合金中碳化物的相結(jié)構(gòu)有重要影響。當鉻含量很低時，鐵碳合金中的碳化物為KC；鉻含量較高時，碳化物主要為K2；而只有當鉻含量大于60%時，才可以在很窄的含碳量范圍里析出K1相。這些碳化物可以和相形成共晶體，如果合金是亞共晶成分，則凝固時先析出相，當鐵液成分達到共晶成分時，析出相和碳化物共晶體；如果合金是過共晶成分，則先析出碳化物，然后析出共晶體。 表61 Fe-C-Cr中碳化物結(jié)構(gòu)類型及其溶解碳鉻能力 碳化物類型 晶格結(jié)構(gòu) 晶格常數(shù) 密度 溶解C、Cr的能力 (Cr,Fe)3C 斜方晶系 a=4.52b=

4、5.09c=6.74 7.67 6.67%C,20%Cr (Cr,Fe)23C6 面心立方晶系 c=10.64 6.97 5.6%C,59.0%Cr (Cr,Fe)7C3 六方晶系 a=6.88b=4.54 6.92 9%C,與相平衡時，Cr=26.670% 通過三角區(qū)右邊的斜線，可以大致估算出獲得全共晶組織時鑄鐵中鉻和碳含量的關(guān)系（見表62）。 表62 鑄鐵中全共晶組織時CrC含量（%） Cr C15 3.620 3.225 3.0 圖63為Fe-C-Cr三元相圖中含鉻量分別為5%、13%和25%的等鉻量垂直截面圖，從中我們可以了解到不同成分的Fe-C-Cr合金冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變。63 Fe

5、-C-Cr三元相圖等鉻量垂直截面圖（點擊放大） (a) 含Cr5%; (b)含Cr13%; (c)含Cr25% K1(Cr,Fe)23C6；K2(Cr,Fe)7C3；KC(Cr,Fe)3C 許多學者的研究表明，鉻對Fe-C相圖有以下影響：（1）減小相區(qū)，并使共析點左移，相中碳的最大溶解度降低，當鉻量達到20%時相區(qū)縮為一點，不再有單獨的相存在；（2）使相的穩(wěn)定溫度降低；（3）使相的穩(wěn)定溫度升高；（4）隨著鉻含量的提高，碳化物由(Fe,Cr)3C型依次向(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C6型轉(zhuǎn)變。由于鉻對鐵碳合金組織的上述影響，使鉻在耐磨鑄鐵中得到廣泛應(yīng)用。 二、含鉻鑄鐵中的初生碳化物

6、T.奧希德（T.Ohide）用含碳量為4.3%的過共晶鑄鐵研究了不同鉻含量對鑄鐵中初生碳化物的影響。結(jié)果表明，當含鉻量為25%時，鑄鐵中初生碳化物為(Fe,Cr)3C型，試樣由外表向中心逐層凝固。隨著鉻含量的提高，試樣體積凝固特征增強，當鉻含量為2030%時，初生碳化物為(Fe,Cr)7C3型，試樣具有明顯的體積凝固特征。用掃描電鏡觀察初生碳化物的形貌，(Fe,Cr)3C型碳化物為表面帶有溝槽的片狀，而(Fe,Cr)7C3型為相互交織的六角形桿狀。在過共晶高鉻鑄鐵中，初生碳化物常常處于共晶晶區(qū)的中心。由此可以推斷，在這種條件下，共晶轉(zhuǎn)變首先在初生碳化物周圍開始進行。 三、含鉻鑄鐵中的共晶組織

7、在萊氏體共晶中滲碳體是領(lǐng)先相，而對于高鉻鑄鐵而言，在(Fe,Cr)7C3型碳化物與奧氏體共晶中奧氏體是領(lǐng)先相。高鉻鑄鐵的共晶屬于纖維狀的小晶面（碳化物）非小晶面（奧氏體）共晶，其特征是奧氏體連成一片，在奧氏體或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物上分布著硬而脆的纖維狀碳化物(Fe,Cr)7C3，這些碳化物有許多是空心纖維。高鉻鑄鐵所具有的這種組織特征使其韌性有一定程度的提高。 共晶轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間對鑄鐵的共晶組織形貌有影響。當共晶轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間較小時，共晶晶區(qū)的外形較平坦，碳化物尺寸較小，而且均勻。鉻含量對高鉻鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間有影響，圖64為實測鉻含量與共晶轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的關(guān)系。從中可以看出，含鉻30%時共晶轉(zhuǎn)變區(qū)間最小

8、，只有20左右；含鉻15%時，共晶轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間最大，大約為65。64 共晶轉(zhuǎn)變溫度與鉻含量的關(guān)系 四、鉻系耐磨鑄鐵 按照含鉻鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)和使用情況，鉻系鑄鐵可以分為三大類： 第一類為具有良好高溫性能的鉻系白口鑄鐵。這種鑄鐵含鉻量為33%，其組織多數(shù)為奧氏體和鐵鉻碳化物，有時也出現(xiàn)鐵素體。這種合金除具有一定的耐磨性外，在溫度不高于1050的高溫工作條件下，具有良好的抗氧化性能，也適用與在低腐蝕條件下工作。 第二類為具有良好耐磨性的鉻白口鑄鐵（簡稱高鉻鑄鐵）。這種鑄鐵中除含有1220%的鉻外，還含有適量的鉬。這類鑄鐵凝固后的組織為(Fe,Cr)7C3型碳化物和相。在隨后的冷卻過程中，相可部分或全

9、部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。當基體全部為馬氏體時，這種合金的耐磨性能最好。如果基體中存在部分殘余奧氏體，則在載荷作用下，在磨損過程中仍會有一些殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。為了獲得良好的耐磨性能，希望這種合金中的奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。但在鑄態(tài)下，這種轉(zhuǎn)變往往是不充分的，因此這種合金通常要進行熱處理。 第三類為低鉻合金白口鑄鐵。與普通白口鑄鐵相比，這種鑄鐵中碳化物的穩(wěn)定性更好。這是因為在這種合金的凝固過程中，鉻可以完全溶入碳化物中，而使凝固后得到的碳化物相穩(wěn)定而不分解。 目前在高合金白口鑄鐵中使用最廣泛的是高鉻鑄鐵，下面詳細介紹這種鑄鐵。 1.高鉻鑄鐵的化學成分與組織 高鉻鑄鐵中的主要合金元素是鉻。鉻含量在10

10、%以上時才能可靠地得到(Fe,Cr)7C3型碳化物。鉻除形成碳化物外，還有一部分固溶于相中，提高其淬透性。高鉻鑄鐵的淬透性與鉻和碳的含量有關(guān)，隨鉻碳比的增加，淬透性提高，高鉻鑄鐵的鉻碳比通常為48。 高鉻鑄鐵的性能與其碳化物的含量有直接關(guān)系，提高碳化物含量，可以提高其抗磨性，但韌性和淬透性降低。高鉻鑄鐵中碳化物的含量與其碳和鉻的含量有關(guān)，其定量關(guān)系可由下式表示 K%11.3C%+0.5Cr%13.4 由上式可見，提高碳和鉻的含量，可提高碳化物的百分含量(K%)，其中碳的作用比鉻大得多。 為了提高高鉻鑄鐵的淬透性，往往在高鉻鑄鐵中加入一定的合金元素，這些元素通常是鉬、鎳、銅等。有時高鉻鑄鐵中還含

11、有少量的釩、硼等元素，其中釩可以使碳化物球化，并細化高鉻鑄鐵的組織，從而使其韌性提高；硼可促進碳化物的形成，并固溶于金屬基體中，提高其顯微硬度。 高鉻鑄鐵的成分可參見表63。 表63 美國Climax鉬公司高鉻鑄鐵成分及硬度 表中15-3是指Cr15%-Mo3%，15-2-1是指Cr15%-Mo2%-Cu1%，20-2-1是指Cr20%-Mo2%-Cu1%。在15-3牌號中，高鉻鑄鐵又按碳的高低分為四類，其中低碳的韌性好但硬度低，適合于沖擊載荷比較大的工況，高碳的硬度高，但韌性相對較差，適合于沖擊載荷較小的場合。 2. 高鉻鑄鐵的鑄造性能 高鉻鑄鐵的鑄造性能較差，表64為幾種含鉻鑄鐵的鑄造性能

12、，由于高鉻鑄鐵的導(dǎo)熱性低，塑性差，收縮大，其熱裂和冷裂的傾向都比較大。表64 幾種含鉻鑄鐵的鑄造性能 3. 高鉻鑄鐵的熱處理 要獲得具有理想的金相組織和良好的耐磨性的高鉻鑄鐵，熱處理是十分重要的環(huán)節(jié)。圖65為一種高鉻鑄鐵的等溫轉(zhuǎn)變曲線。 圖65 高鉻鑄鐵等溫轉(zhuǎn)變曲線 成分（%）：C2.45% Cr20.2% Mo1.52% (a) 未去穩(wěn)定處理 (b) 去穩(wěn)定處理1000/20min圖中所示去穩(wěn)處理是指升溫至奧氏體化溫度，析出二次碳化物，使奧氏體中的碳及其它合金元素含量有所降低，從而使奧氏體的穩(wěn)定性也有所降低的處理過程。若把珠光體轉(zhuǎn)變鼻子在時間軸上的位置稱為珠光體時間，則珠光體轉(zhuǎn)變時間（珠）與

13、合金成分的關(guān)系可用下式計算： lg珠2.610.51C+0.05Cr+0.37Mo，s此式適用于下述成分的合金：C1.954.31%, Cr10.825.8%,Mo0.023.80%。 對于連續(xù)冷卻過程可以采用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線）。圖66為一種高鉻鑄鐵的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，由該圖可以預(yù)計不出現(xiàn)珠光體的臨界試棒尺寸。對于不同成分的高鉻鑄鐵，不出現(xiàn)珠光體的臨界試棒尺寸可用下式估算（D）： lgD0.320.158 (Cr/C)0.385Mo, mm 圖66 高鉻鑄鐵的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 成分（%）：C2.45% Cr20.2% Mo1.52% 奧氏體化處理：1000/20min化學成分%15

14、-315-2-120-2-1超高碳高碳中碳低碳C3.64.33.23.62.83.22.42.82.83.52.62.9Cr141614161416141614161821Mo2.532.532.532.42.81.92.21.42.0Cu0.51.20.51.2Mn0.71.00.71.00.50.80.50.80.60.90.60.9Si0.30.80.30.80.30.80.30.80.40.80.40.9S0.050.050.050.050.050.05P0.100.100.100.100.060.06空冷時不析出珠光體的最大斷面，mm7090120200200硬度HRC鑄態(tài)51565

15、054444850555054淬火62676065586360676067退火40443742354040443843表63 美國Climax鉬公司高鉻鑄鐵成分及硬度 表中15-3是指Cr15%-Mo3%，15-2-1是指Cr15%-Mo2%-Cu1%，20-2-1是指Cr20%-Mo2%-Cu1%。在15-3牌號中，高鉻鑄鐵又按碳的高低分為四類，其中低碳的韌性好但硬度低，適合于沖擊載荷比較大的工況，高碳的硬度高，但韌性相對較差，適合于沖擊載荷較小的場合。鑄鐵溫度，密度g/cm3收縮, 流動性（1400）mm熱裂傾向等級液相線固相線線收縮體收縮Ni-Hard 212781235114511507.722.0/(1.92.2）8.9400/(310500）1/(12)高鉻白口鑄鐵（C2.8，Cr28，Ni2)12901300125512757.461.94/（1.652.2）7.5350/(300400）3/(34)高鉻白口鑄鐵（C2.8，Cr17，Ni3，Mn3)12801300124012657.557.632.0/(1.92.2）7.5400