高鉻白口鑄鐵與磨球（續(xù)前）

楊群收，謝耀曾，康晉輝 ，王俊榮

（1.駐馬店市解放路282號(hào)4號(hào)樓，河南 駐馬店 463000；2.河南省駐馬店高級(jí)技工學(xué)校，河南 駐馬店 463000）

7 化學(xué)成分的選擇

高鉻鑄鐵化學(xué)成分的選擇，將關(guān)系到鑄件熱處理工藝的制定，碳化物的量及形狀，基體組織等，這些都直接涉及到材質(zhì)的硬度和韌性。而且生產(chǎn)廠家不能像科研單位那樣，有很好的試驗(yàn)條件、擬測(cè)手段，可以加入眾多的稀有、貴重元素，生產(chǎn)廠家必須充分利用我國(guó)或本地區(qū)的金屬資源優(yōu)勢(shì)，還要考慮到易購(gòu)和原材料的價(jià)格，在生產(chǎn)工序安排上，還要考慮到盡量減少加工工序而降低成本。

7.1 碳、鉻

影響高鉻鑄鐵綜合機(jī)械性能最大的是碳、鉻兩元素。一般情況下，碳量決定碳化物的數(shù)量，而鉻含量是決定碳化物的類(lèi)型。

碳：從磨球需要耐磨性和沖擊韌性?xún)蓚€(gè)方面考慮，由于含碳量決定碳化物的量，碳量越高，碳化物數(shù)量就越高，形狀越粗大，硬度高。但增加了材質(zhì)的脆性，降低了韌性。碳量過(guò)低，碳化物呈晶界狀分布，對(duì)韌性和耐磨性都不利，高鉻鑄鐵磨球通常選用亞共晶成分，由于共晶含碳量（α）隨含Cr量的增加而下降

ω（Cr）=2%時(shí) 共晶含碳量為4.2%

ω（Cr）=8%時(shí) 共晶含碳量為3.8%

ω（Cr）=15%時(shí) 共晶含碳量為3.6%

ω（Cr）=17%時(shí) 共晶含碳量為3.5%

ω（Cr）=20%時(shí) 共晶含碳量為3.2%

（α）值也可用下式求得：

在高鉻鑄鐵中，有時(shí)為了得到較好的韌性，往往不得不適當(dāng)?shù)目刂朴捕榷档秃珻量，從磨球的服役狀況分析，含碳量選擇2.4%～2.8%。

鉻是強(qiáng)烈的白口元素，能提高白口傾向和硬度。當(dāng)含 Cr量低時(shí)，得到的是 M3C［（Cr·Fe）3C］型碳化物，其硬度1060HV～1240HV，對(duì)材質(zhì)的韌性和抗磨性有較大的改善，當(dāng)含Cr量大于12%時(shí)，得到 M7C3［（Cr·Fe）7C3］型組織，這種組織和 M3C 型組織相比，耐磨性和耐腐蝕性要高的多，其顯微硬度可提高到1500HV～1800HV。當(dāng)含Cr量＞20%，在形成M7C3的同時(shí)，還形成一定量的M23C6型碳化物，這種碳化物的硬度并不比M7C3型高，而且在磨損過(guò)程中較易出現(xiàn)裂紋，綜合分析認(rèn)為Cr含量一般控制在14%～17%。

另外，ω（Cr）/ω（C）是高鉻的鑄鐵的一個(gè)重要參數(shù)，ω（Cr）/ω（C）對(duì)高鉻鑄鐵的基體組織具有決定性的作用，ω（Cr）/ω（C）的改變將引起材料組織和性能的變化。 ω（Cr）/ω（C）的提高使 M3C 減少，M7C3 型碳化物數(shù)量增高，抗磨性提高，斷裂韌性也提高，在ω（Cr）/ω（C）為 7.1 時(shí)，達(dá)到峰值。

7.2 錳

錳起到穩(wěn)定碳化物的作用，并且能提高淬透性。錳是強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體的元素。通過(guò)熱處理可使抗磨性能和沖擊韌性均得到提高。Mn還有一個(gè)更可貴的作用，就是減少鑄件的紅脆性。Mn一般控制在0.5%～1%，可得馬、貝組織。如果欲在鑄態(tài)得到奧氏體組織，可提高到3%～5%。

7.3 硅

硅的作用與錳相反，Si固溶于基體中，顯著地降低高鉻鑄鐵的淬透性，Si高、馬氏體組織中易混入珠光體，所以其含量不易過(guò)高。但適量的Si加入量，在溶煉過(guò)程中，起一定的脫氧作用，可以防止其它元素的氧化，提高流動(dòng)性以利于澆注，在高鉻鑄鐵中，?？刂圃?.4%～0.8%。

7.4 銅

Cu增加合金的淬透性，可使厚大鑄件組織緩慢地轉(zhuǎn)變成馬氏體（有少量殘奧），即使加入量少到0.1%時(shí)，也可提高淬透性17%，Cu對(duì)合金基體強(qiáng)化的效果與Ni相似，但Ni的價(jià)格貴得多。

Cu在奧氏體的溶解度有限，過(guò)高的含Cu量易出現(xiàn)富Cu現(xiàn)象而使材質(zhì)發(fā)脆。特別是大量使用回爐料時(shí)，Cu的遺傳性很大，也易出現(xiàn)集累富銅現(xiàn)象，所以在冶煉過(guò)程中應(yīng)注意爐料配比以及回爐料的使用。通常Cu控制在0.4%～0.8%。

7.5 鉬

Mo分布在共晶碳化物和基體組織之中，顯著提高高鉻鑄鐵的淬透性，對(duì)厚壁鑄件可抑制珠光體的形成，并且 ω（Cr）/ω（C）比愈高，Mo的這一效果愈大，少量的Mo溶于基體中，可以細(xì)化晶粒和提高碳化物的顯微硬度（圖1），即使在鑄態(tài)通過(guò)情況下，由于加入Mo，沖擊韌性也能得到提高。通過(guò)熱處理，可使樹(shù)枝狀結(jié)晶基體的硬度降低，局部的產(chǎn)生軟相，以彌補(bǔ)部分因Cr高或加入V、B等強(qiáng)化碳化物的元素，而使材質(zhì)過(guò)硬沖擊值下降的不足，從而使沖擊韌性和耐磨性顯著提高。但從經(jīng)濟(jì)成本與材料實(shí)用工況綜合考慮，磨球的加入量可在0.5%～1.5%。

圖1 Mo對(duì)硬度的影響

7.6 釩

V是極有效的穩(wěn)定碳化物的元素，并增加白口深度，含量為0.1%～0.5%范圍內(nèi)它可使白口組織細(xì)化，并使粗大的柱狀晶體減少。

V對(duì)硬度的影響：有資料介紹，在高鉻鑄鐵中，加入0.05%的V，樹(shù)枝狀結(jié)晶基體的淬火硬度上升，V的加入明顯提高硬度降低韌性。如果與Mo（＞0.3%）同時(shí)加入0.1%的V，對(duì)材質(zhì)的綜合性能是有用的。

從圖2看出，V對(duì)宏觀硬度影響不大，對(duì)顯微硬度提高的峰值含量在0.05%～0.15%

V對(duì)沖擊韌性的影響：

隨著V加入量的增加，而沖擊值急劇的下降。但是在含Mo＞0.3%的高鉻鑄鐵中，加入0.1%的V，能較有效的提高材質(zhì)的綜合性能，即彌補(bǔ)了由于加入Mo使樹(shù)枝狀結(jié)晶硬度下降的不足。

V的加入量?？刂圃?.07%～0.15%的范圍。

圖2 V對(duì)鑄造件力學(xué)性能的影響16Cr熱處理?xiàng)l件

7.7 鈦

Ti在高鉻鑄鐵中形成堅(jiān)硬的TiC，它分布于金屬基體中，阻礙共晶碳化物的長(zhǎng)大，有細(xì)化組織的作用。另外，Ti有凈化晶界，提高基體強(qiáng)度，抑制裂紋產(chǎn)生之作用?？刂品秶?.1%～0.5%。

7.8 硫

S是非金屬元素，它基本上不溶于鐵的固溶體中，而與鐵生成硫化鐵（FeS）。硫化鐵形成低溶（985℃）共晶體以及其他硫化物，分布在晶界上。硫能使鐵液的流動(dòng)性降低，收縮量增大，使鑄鐵有較大的熱裂傾向。應(yīng)控制在0.05%以下。

7.9 磷

P是非金屬元素，但磷能溶于鐵水中，磷在奧氏體中的溶解度很小。由于磷的存在則生成磷共晶。磷共晶硬而脆且熔點(diǎn)低，在金屬開(kāi)始凝固時(shí)其還是液體，在已結(jié)晶凝固金屬的擠壓下，形成帶有銳尖的磷共晶或以網(wǎng)狀分布在晶界上，切割基體，使材質(zhì)脆性增加，降低材質(zhì)的沖擊韌性及強(qiáng)度。應(yīng)控制在0.07%以下。

在控制磨球化學(xué)成分時(shí)，應(yīng)根據(jù)磨機(jī)直徑的大小、轉(zhuǎn)速、沖擊載荷以及磨球直徑大小的不同，取各化學(xué)成分的最佳值。從實(shí)用和經(jīng)濟(jì)兩者考慮，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）如下。

8 鑄造工藝

8.1 熔煉

爐料一般采用低硅生鐵，廢鋼。合金元素使用鉻鐵（從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，常用高碳或碳素鉻鐵），錳鐵、硅鐵、鉬鐵、鈦鐵（用釩、鈦生鐵可降低成本）和電解銅。用中頻電爐冶煉，以保證要求的化學(xué)成分和溫度。加料方法：先在爐底加入1/5的鉻鐵，當(dāng)廢鋼和生鐵溶化完畢后，邊預(yù)熱邊慢慢加入余下的鉻鐵、錳鐵（銅和鉬鐵可先加入爐底）硅鐵等合金，在進(jìn)行脫氧、除渣后出爐。

8.2 澆注溫度

高鉻鑄鐵有較好的流動(dòng)性，澆注溫度一般取液相線(xiàn)溫度以上過(guò)熱50℃～100℃，含Cr15%的高鉻鑄鐵液相線(xiàn)在1250℃左右，也就是說(shuō)澆注溫度在1350℃～1400℃，其出爐溫度不要超過(guò)1480℃，以免大量氧化和吸氣。澆注溫度的控制，將直接關(guān)系到鑄件質(zhì)量。在鑄件不出現(xiàn)冷隔的情況下，適當(dāng)采用低的澆注溫度，可以得到細(xì)晶粒組織和減少縮孔、縮松傾向。但澆注溫度過(guò)低時(shí)，鑄件將出現(xiàn)冷隔、缺火等缺陷。澆注溫度過(guò)高時(shí)，不利于逐層凝固，鑄件易出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷。另外，也將會(huì)縮短模具的使用壽命，甚至因過(guò)燒而使鑄件和模具粘結(jié)在一起。

8.3 變質(zhì)處理

盡管高鉻鑄鐵具有較高的硬度和一定的沖擊韌性，但因仍存在著易脆裂的不足，故限制了使用范圍。為解決脆裂和進(jìn)一步提高沖擊韌性，國(guó)內(nèi)外為此進(jìn)行了大量的研究。我們知道，在高鉻鑄鐵中的碳化物，是對(duì)耐磨性舉足輕重的一個(gè)相，它的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、形態(tài)與分布對(duì)耐磨性和斷裂韌性有著十分重要的影響。目前比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，就是用含稀土類(lèi)等多種元素的復(fù)合孕育劑，或以鎂作載體混入鉀、鈉類(lèi)制成的復(fù)合變質(zhì)劑，對(duì)高鉻鑄鐵中的碳化物進(jìn)行變質(zhì)處理，使碳化物端部的尖變鈍，使其成團(tuán)球狀，孤立條塊狀、碎點(diǎn)狀，分散分布以減少對(duì)基體的切割作用，達(dá)到提高硬度和沖擊韌性的目的。良好的孕育劑應(yīng)具有以下二個(gè)方面的作用：

1）能夠有效的改善碳化物的形態(tài)，有利于碳化物形成孤立團(tuán)球狀。

2）能夠充分除氣、脫硫、去氧、凈化晶界、細(xì)化晶粒。減少夾雜物及改變夾雜物的形態(tài)。提高鐵液流動(dòng)性。

孕育劑的合理選擇以及加入量的確定，須注意以下幾點(diǎn)：

a）加入量不易過(guò)多，防止過(guò)分降低鐵水溫度。

b）在保證性能的前提下，盡量簡(jiǎn)單，便于操作，有利于推廣。

c）立足于國(guó)內(nèi)本地區(qū)資源，盡量降低成本，易于購(gòu)買(mǎi)

常用的變質(zhì)劑有稀土1#（加入量為0.8%～1.5%）和鋁（0.1%～0.3%）；Si-Ca合金或以鉀、納為主要元素的變質(zhì)劑。也可以加入0.01～0.02的鋅。

1986年5月份，我們用山東工業(yè)大學(xué)楊相壽老師研究的以鉀納為主要元素的高鉻鑄鐵變質(zhì)劑，用于生產(chǎn)油田鉆井用泥漿泵缸套的內(nèi)套，加入量為1.5%～2.0%。

金相組織：鑄態(tài)金相組織是在奧氏體基體上有大塊狀、小條狀、點(diǎn)狀碳化物，并有10%～15%的團(tuán)球狀碳化物，個(gè)別視野的團(tuán)球狀碳化物達(dá)20%～25%。

供試驗(yàn)材料的成分：C:3.03%、Gr:14.31%。

①隨爐降溫退火。為了便于取樣化驗(yàn)，停爐后把試樣放入爐內(nèi)，用鋼板蓋上爐口，第二天取出（如圖 3）。 HRC32～HRC35；

圖3 珠光體加碳化物

②淬火 970℃

保溫 2 h HRC63～HRC35（圖 4）

③鑄態(tài) HRC48～HRC52；

④ 鑄態(tài)沖擊韌性 1.51 kg·m/cm2～1.77 kg·m/cm2（金相組織如圖5）可惜的是，由于時(shí)間長(zhǎng)久，有的試驗(yàn)資料已丟失。為降低生產(chǎn)成本和采購(gòu)方便，用我們自己配制的高鉻鑄鐵變質(zhì)劑，其效果也接近于此值。

圖4 馬氏體加碳化物加少量鑄態(tài)組織

圖5 殘余奧氏體，碳化物呈段網(wǎng)狀

鑒于高鉻鑄鐵本身具有糊狀凝固的特性，為使凝固斷面的溫度變陡，使固液兩相共存溫度區(qū)間變窄，實(shí)現(xiàn)順序逐層凝固，以把磨球心部縮孔、縮松缺陷引入冒口，故采用金屬型，高壓力頭補(bǔ)縮工藝，對(duì)于消除晶間縮松、細(xì)化晶粒是行之有效的。

9 熱處理

通常情況下，高鉻鑄鐵鑄態(tài)下的金相組織是：奧氏體+馬氏體+碳化物+珠光體。為了充分發(fā)揮材質(zhì)的硬度潛力和最佳耐磨性能，同時(shí)又使材質(zhì)具有最大的韌性，就需要進(jìn)行熱處理。

通常奧氏體化溫度約為960℃～980℃，保溫2 h～4 h（視球徑大小而定）。如果加入0.3%～1.0%的Cu，要破壞奧氏體的穩(wěn)定性須保溫6 h上。

回火處理可在兩個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，在較低的溫度范圍（200℃～300℃）進(jìn)行回火，其目的是把在淬火中得到的馬氏體進(jìn)行回火，由此而減少斷裂和對(duì)沖擊的敏感性。

在高沖擊磨料磨損狀態(tài)下，如欲得到奧氏體組織，在化學(xué)成分控制的理想情況下，只有進(jìn)行一次高溫時(shí)效處理，清除內(nèi)應(yīng)力，就可以滿(mǎn)足一般的需要。

10 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，用高鉻鑄鐵材料生產(chǎn)磨球是適宜的，只要在生產(chǎn)過(guò)程中注意鑄造、熱處理工藝的實(shí)施，化學(xué)成分的選擇及控制金相組織，以及硬度與韌性的匹配，就可以發(fā)揮材質(zhì)的效率、滿(mǎn)足使用的要求。

［1］吳德海.高鉻白口鑄鐵——優(yōu)異的抗磨材料 ［M］.［出版地不詳］： ［出版者不詳］，1983.

（續(xù)完）