含Cr13%高铬铸铁的试验研究

作者：信息来源:模具 2008-5-13

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摘要：在试验的基础上研究了含Cr13%的高铬铸铁的力学性能和组织特点，发现含硅量和变质处理对不同基体的高铬铸铁具有相似的影响规律。根据Fe-C-Cr三元相图对Cr13%高铬铸铁的凝固过程进行了分析，从一个新的角度揭示了铸造条件、含硅量和变质质处理对高铬铸铁性能和组织的...

摘要： 在试验的基础上研究了含Cr13%的高铬铸铁的力学性能和组织特点，发现含硅量和变质处理对不同基体的高铬铸铁具有相似的影响规律；根据Fe-C-Cr三元相图对Cr13%高铬铸铁的凝固过程进行了分析，从一个新的角度揭示了铸造条件、含硅量和变质质处理对高铬铸铁性能和组织的影响机理。
关键词： 高铬铸铁；变质处理；冲击韧性
文献标识码： A　　文章编号： 1000-8365(1999)01-0046-48

Study on High-chromium Cast Iron Containing 13%Cr

CHEN Zong-min¹，LUAN Zhen-tao¹，YE Yi-fu²
　¹(Shandong Institute of Technology, Zibo　 255000, China)
　²(Shandong University of Technolgoy, Jinan　 250061,China)

Abstract： The mechanical properties and microstructure of high-chromium cast iron containing 13% Cr were studied on the basis of experiments, and it was found that silicon and inoculations influenced the high-chromium cast iron with different microstructures in almost the same way. The solidification of Cr13% was also studied with Fe-C-Cr equilibrium diagram, and the mechanism of effects of processings on high-chromium cast iron was explained in a new way.
Key words: High-chromium cast iron;Inoculation;Impact toughness

　　含Cr＞11%的铬系白口铸铁称为高铬铸铁^［1］。高铬铸铁作为抗磨材料广泛地用于矿山、冶金、建筑、火力发电、水泥粉磨等行业中。目前，在内、外高铬铸铁标准中，大部分为含Cr＞15%的淬火马氏体高铬铸铁。马氏体高铬铸铁具有较高的硬度但韧性较差，并且必须加入较大量的铜、钼以提高淬透性获得马氏体，极大地提高了制造成本。近些年来，我国的许多科技工作者研制了多种含Cr＜15%(例如Cr13)的高铬铸铁，并通过调整铸造条件、热处理工艺和变质处理改善其组织和性能，取得了一定的进展^［2～4］。但对工艺因素影响高铬铸铁的机理研究得不够全面。本试验通过改变铸造条件、热处理条件、含硅量及变质处理条件，结合对Fe-C-Cr三元相图的分析，从一个新的角度分析了工艺因素对性能和组织的影响机理。
1　试验方法
1.1　化学成分和变质处理
　　选用含13% Cr； 3% C; Si分别为0.6%、0.9%、1.2%、1.6%4种成分的高铬铸铁，首先进行以硅为重点的L⁸（4¹×2⁴)混合正交试验；然后进行变质处理试验，用3种变质剂进行处理，每种加入3种不同的质量。
1.2　铸造工艺
　　采用金属型和砂型两种造型工艺。熔炼用20^#石墨粘土坩埚在20 kW中频感应炉中进行，在1 500 ℃左右将铁液倒入放有变质剂的另一坩埚中处理。
1.3　热处理工艺
　　每种成分都采用铸态和如图1所示的热处理工艺，以对比不同工艺下性能的变化规律。

图1　高铬铸铁热处理工艺
Fig.1　Heat treatment of high-chromium cast iron

1.4　性能测定
　　冲击值在JB-5手动摆锤试验机上测定，每组试验测定10个试样，然后取其平均值；洛氏硬度在HRC-150洛氏硬度计上测定，取测定断面的中心和四周共5处的平均值。
2　试验结果及分析
2.1　测试结果
　　图2(a)为在不同造型工艺下冲击值随含硅量的变化。从图中发现，无论在砂型还是金属型铸造条件下，含0.9% Si时冲击值最大，而且含硅量对冲击值的影响趋势相似。图2(b～d)为几种不同变质方法在不同的热处理条件下对冲击值的影响。从中可以看到，虽然热处理条件不同，但对同一种变质处理方法而言，冲击值随变质元素加入量的变化规律却相似。图3为在不同的热处理条件下改变变质处理工艺对洛氏硬度的影响。虽然热处理条件不同，但变质方法的改变对洛氏硬度的影响规律却极相似。

(a) 含硅量对冲击值的影响(b) 1^#变质剂对冲击值的影响(c) 2^#变质剂对冲击值的影响(d) 3^#变质剂对冲击值的影响图2　各工艺因素对冲击值的影响
Fig.2　Effects of some processing factors on impact value

1.1^#变质剂处理试样(铸态)
2.1^#变质剂处理试样(铸态)
3.2^#变质剂处理试样(淬火态)
4.2^#变质剂处理试样(淬火态)
5.3^#变质剂处理试样(铸态)
6.3^#变质剂处理试样(淬火态)

图3　不同工艺条件下Cr13的硬度值
Fig.3　Hardness of Cr13 in different processings

2.2　组织特点
　　图4(a～c)为不同工艺条件下Cr13的基体组织。

(a) 砂型铸造(铸态)　　(b) 金属型铸造(铸态)　　(c) 砂型铸造(淬火态)
图4　不同工艺条件下Cr13的金相组织　×5000
Fig.4　Microstructures of Cr13 in different processings　×5000

2.3　分析和讨论
　　由测试结果可知，在不同的铸造条件和热处理条件下，含硅量和变质处理对Cr13力学性能的影响规律是相似的，而工艺条件不同高铬铸铁的基体组织也不同(如图4)，因此，可以认为，含硅量和变质处理对不同基体的高铬铸铁具有相似的影响规律。由于高铬铸铁的组织为基体+碳化物，所以种相似实际上体现了含硅量和变质处理对碳化物影响的一致性。
2.3.1　铸造工艺的影响
　　图5为Fe-C-Cr三元相图的一角^［5］，Cr13位于A点。在平衡凝固的条件下，首先由液相中析出γFe，随着温度的降低，液相开始沿U₁-U₂变化并发生三相共晶反应L→γFe+M₇C₃，如果含铬量和铬碳比都相对较低，则液相成分在U₂点时发生四相包晶反应L+M₇C₃→γFe+M₃C，之后还要继续发生三相共晶反应L→γFe+M₃C至液相耗尽后凝固结束。在金属型铸造条件下，凝固条件与平衡条件相差较大，三相共晶反应L→γFe+M₇C₃进行得不彻底，四相包晶反应L+M₇C₃→γFe+M₃C由于在快冷条件下因扩散困难而受到抑制，因此，将有更多的剩余金属液被冷过到更低的温度下(如图5中U₂点以下)发生三相共晶反应L→γFe+M₃C。所以，金属型铸造条件下碳化物中M₃C比例较大。但由于在金属型快冷的条件下晶粒的细化使共晶碳化物间距明显减小(如图6)，综合作用的结果使韧性和硬度值上升。

图5　Fe-C-Cr三元合金相图(局部)
Fig.5　Fe-C-Cr equilibrium diagram

2.3.2　含硅量的影响
　　Laird^［6］在研究镍硬铸铁时发现，足量的硅几乎可以完全抑制包晶反应；李卫^［7］在研究高Si/C比中铬铸铁时也发现，在高硅条件下Cr 8中的碳化物大部分为M₇C₃。作者分析两的试验结果后推断，硅的作用并不是抑制包晶反应，而是影响Fe-C-Cr三元相图中四相包晶点U₂的位置，使U₂点向着温度更低、含铬量更少的方向移动，其结果就是使三相共晶反应L→γFe+M₇C₃进行得更完全，使碳化物中M₇C₃的比例提高，而碳化物体积总量减小，从而提高材料的韧性。但由于硅元素脆化基体，所以高铬铸铁的冲击韧性是在两种矛盾的因素作用下发生变化的(如图2(a)所示)。
2.3.3　变质处理的影响
　　诸多试验研究证明，常用变质元素中，稀土有脱氧、去硫的作用^［8］，从而抑制夹杂物在晶界上偏聚，改善了晶界状况，有效地提高了韧性。另外，稀土元素由于偏聚、吸附在碳化物择优大的方向上使碳化物的生长受到抑制，从而使其变得均匀、弧立。而钒、钛可以形成弥散分布的碳、氮化合物^［9］，机械地阻碍晶粒长大，从而细化晶粒。所以，变质元素可提高韧性(如图2)、细化碳化物(如图6)是勿庸置疑的。但是，变质元素对Fe-C-Cr三元系某些点和区域的影响却并未引起人们足够的重视。某些元素在微量范围内即可能引起相图上点或区域的较大变化，从而引起与纯Fe-C-Cr系不同的凝固过程。如图6所示，在砂型铸造条件下，未变质处理与变质处理后的高铬铸铁不仅碳化物形貌不同，而且基体也发生了变化，变质处理后的高铬铸铁出现了大量的残余奥氏体。作者认为，某些变质元素(如钒)一方面可降低Fe-C-Cr系中奥氏体存在的温度区间，另一方面，如同硅对U₂点的影响类似，变质元素也对U₂点的位置产生影响，从而影响碳化物的组成。若变质元素使U₂点向着温度更低、含铬量更少的方向移动，则可提高碳化物中M₇C₃的比例，反之则可能使高铬铸铁中产生较多的M₃C。所以，变质处理对高铬铸铁的影响是多方面的，有时可能是相反的。

(a) 未变质处理
(砂型、铸态)(b) 未变质处理
(金属型、铸态)(c) 变质处理
(砂型、铸态)(d) 变质处理
(砂型、淬火态)图6　高铬铸铁的碳化物形貌　　×2000
Fig.6　Morphology of the carbides in high chromium cast irons　×2000

3　总结
　　(1) 硅元素及变质元素对不同基体高铬铸铁的力学性能的影响规律相似；
　　(2) 在不平衡凝固条件下，高铬铸铁中三相共晶反应L→γFe+M₇C₃进行得不彻底，将导致较多的M₃C型碳化物产生；
　　(3) 作者由试验推断，硅元素使Fe-C-Cr三元相图中的U₂位置发生变化；变质元素影响Fe-C-Cr三元相图中奥氏体存在的温度区间，并且也可使四相包晶点U₂发生移动，从而影响碳化物的组成。

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