高鉻白口鑄鐵加硼降鉬鎳的可行性試驗研究

朱 凱，張艷玲

(商丘職業(yè)技術學院，河南 商丘 476000)

高鉻白口鑄鐵加硼降鉬鎳的可行性試驗研究

朱 凱，張艷玲

(商丘職業(yè)技術學院，河南 商丘 476000)

針對標準Cr20白口鑄鐵生產(chǎn)成本高的問題，在其他化學成分基本不變的情況下，用0.30%的B替代50%Mo和50%Ni鑄造了加硼Cr20白口鑄鐵試樣. 借助于硬度計、沖擊試驗機、金相顯微鏡、X線衍射儀和動載磨粒磨損機等，對比分析了標準Cr20白口鑄鐵與加硼Cr20白口鑄鐵的組織性能. 結果表明：加硼Cr20白口鑄鐵與標準Cr20白口鑄鐵的鑄態(tài)組織均由共晶碳化物M7C3+奧氏體+少量馬氏體組成. 加硼Cr20白口鑄鐵的碳化物呈短桿狀或塊狀均勻分布，標準Cr20白口鑄鐵的碳化物呈網(wǎng)狀分布. 加硼Cr20白口鑄鐵相對標準Cr20白口鑄鐵，沖擊韌性下降了0.5 J/cm2，硬度提高了4.6 HRC，碳化物量提高了4.1%. 耐磨性提高了2%. 用適量的硼替代高鉻白口鑄鐵中的部分Mo, Ni降低生產(chǎn)成本是完全可行的.

Cr20白口鑄鐵；硼；力學性能；耐磨性

0 引言

高鉻白口鑄鐵比普通鑄鐵具有較高的韌性、高溫強度、耐熱性和耐磨性等優(yōu)點，被譽為當代最優(yōu)良的抗磨料磨損材料之一[1]129，在冶金、礦山、機械、電力等行業(yè)廣泛應用. 但是，隨著鉻、鉬、鎳、鎢、釩等合金元素在鋼鐵材料中使用量的不斷增加,價格飛速上漲[2]498-501,供應日趨緊張,導致鉻系白口鑄鐵的生產(chǎn)成本一直居高不下，成為制約該材料進一步推廣應用的瓶頸.

B是強碳化物形成元素, 且價格低而穩(wěn)定. 微量的B (0.000 5～0.003%)可成倍提高鋼鐵的淬透性，其作用與添加0.6%Mn、0.7%Cr、0.5%Mo或1.6%Ni相當[3]1-75. 當B在鋼鐵材料中的含量大于0.1%時，由于B在α-Fe中的溶解度小于0.000 4%,在γ-Fe中的最大溶解度也只有0.02%,所以大部分B在鋼鐵材料中將以硼化物(如FeB或Fe2B)的形式存在，其中FeB的硬度為1 500～2 000 HV, Fe2B顯微硬度為1 290～1 680 Hv[4]1 376-1 379. 以適量的B加入鉻系白口鑄鐵中,可顯著提高材料的淬透性和硬度，節(jié)約大量昂貴的強淬透性合金元素.

近幾十年來,我國磨損和抗磨材料的研究雖然都有較大的進展. 但是，在不斷提高耐磨材料的使用性能和使用壽命的同時,降低生產(chǎn)成本,一直是材料工作者研究的熱點、難點問題. Mo和 Ni是高鉻白口鑄鐵中昂貴的強淬透性合金元素，它們含量的高低，對高鉻白口鑄鐵的生產(chǎn)成本影響很大. 為此，本試驗以機械設備中常用的抗磨材料Cr20白口鑄鐵為研究對象，在其他化學成分基本不變的情況下，進行了以B代替代部分Mo、Ni的試驗研究. 通過多次優(yōu)化試驗，確定了B的加入量和Mo、Ni兩種貴重合金元素的減少量，鑄造了含硼白口鑄鐵試樣，借助于相關的儀器設備，通過對含硼高鉻白口鑄鐵與標準Cr20白口鑄鐵的組織、力學性能及耐磨性進行對比分析，試圖為用B代Mo、Ni提供理論依據(jù)，為降低高鉻白口鑄鐵生產(chǎn)成本做貢獻.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用基礎材料為某企業(yè)生產(chǎn)的標準Cr20白口鑄鐵，在其他化學成分基本不變的情況下, 用0.30%的B替代50%Mo和50%Ni，按照高硼高鉻白口鑄鐵的熔煉規(guī)范進行熔煉澆注Y型鑄坯，經(jīng)分析標準Cr20白口鑄鐵和加硼高鉻白口鑄鐵的實際化學成分如表1所示.

表1 試驗材料的化學成分(%，質(zhì)量分數(shù))

1.2 試驗方法

用線切割法分別從標準Cr20白口鑄鐵和加硼Cr20白口鑄鐵Y型鑄坯上切取若干個11 mm×11 mm×62 mm的方塊鋼條，然后在刨床上加工成10 mm×10 mm×62 mm的試樣若干個備用. 采用JBT-50型鑄鐵沖擊試驗機來測定加硼Cr20白口鑄鐵韌性，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 m無缺口，跨距40 mm；將沖擊試驗用過的試樣制成金相試樣，利用OLYMPUSDP70型倒置式金相顯微鏡觀察金相組織；采用HD-187.5型布洛維硬度計測試材料的硬度，載荷150 Kg，加載時間10 s；用D/Max2200型X線衍射儀進行物相分析；磨損試驗在MLD-10型動載磨粒磨損機上進行，上試樣為加硼Cr20白口鑄鐵和標準Cr20白口鑄鐵, 尺寸為10 mm×10 mm×30 mm，下試樣為45#對磨鋼環(huán),硬度為HRC 46.5，沖錘質(zhì)量為10 kg, 上試樣沖擊頻率為200次/min,下試樣轉速為120 r/min, 磨料為粒徑1.7～2.1 mm的石英砂,磨料流量為40～45 kg/h,時間為30 min；采用FA2004-B型電子天平稱取它們摩擦磨損前、后的質(zhì)量，用相對耐磨性表征試樣的耐磨性能.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗材料的鑄態(tài)組織

從圖1可見，標準Cr20白口鑄鐵和加硼Cr20白口鑄鐵的鑄態(tài)組織均由共晶碳化物M7C3+奧氏體+少量的馬氏體組成. 標準Cr20白口鑄鐵的碳化物呈網(wǎng)狀存在,而加硼Cr20白口鑄鐵的碳化物呈短桿狀或塊狀均勻分布.

(a)未加硼 (b) 加硼圖1 標準和加硼Cr20白口鑄鐵的鑄態(tài)組織

試驗分析認為，高鉻白口鑄鐵在凝固時首先析出大量的初生奧氏體, 待初生奧氏體晶粒長大到一定尺寸后, 碳化物才在其邊界析出. 由于高鉻白口鑄鐵凝固速度較慢, 生長空間較小, 再加上初生奧氏體對碳化物的擠壓作用, 這些碳化物只能在奧氏體界面之間延續(xù)生長, 最終連接成網(wǎng)狀結構[5]7-11，因此，標準Cr20白口鑄鐵以網(wǎng)狀碳化物的形式存在.

而相對于加硼Cr20白口鑄鐵來說，由于B加入到高鉻白口鑄鐵中后, 降低了C和Cr在奧氏體中的溶解度,同時也會導致奧氏體轉變溫度降低,從而更有利于奧氏體向馬氏體的相變. 另外，B能有效溶于高鉻白口鑄鐵固溶體中,可取代C與Fe、Cr 形成 (Fe,Cr)7(C,B)3、(Fe,Cr)23(C,B)6和(Fe,Cr)3(C,B)等硼碳化合物[6]57-61, 正是由于硼的置換作用, 增加了碳化合物的體積分數(shù),且該化合物析出于奧氏體晶界上，提高了碳化物的百分數(shù)和分布的均勻性. 再者，由于硼元素的表面活性作用,使得碳化物表面活性能降低, 加寬了共晶反應溫度區(qū)間，從而加速了碳化物的生長速度，使得液體給碳化物提供了良好的合金元素供給,從而導致在硼元素富集區(qū)域中碳化物長大，在隨后的冷卻過程中,使得加硼Cr20白口鑄鐵中的碳化物以非網(wǎng)狀發(fā)展成為短桿狀或塊狀.

然而，由于高鉻白口鑄鐵中的碳化物熱穩(wěn)定性好，它的析出是很遲緩的,所以,即使在快速冷卻條件下,仍可能有一定數(shù)量的過飽和奧氏體被保留到室溫. 因此，標準Cr20白口鑄鐵和加硼Cr20白口鑄鐵的鑄態(tài)組織均由共晶碳化物M7C3+奧氏體+少量的馬氏體組成.

2.2 試驗材料的力學性能

從表2可見，在標準Cr20白口鑄鐵中加B替代Mo和Ni后，加硼Cr20白口鑄鐵的沖擊韌性下降了0.5 J/cm2，而硬度卻提高了4.6 HRC，碳化物體積分數(shù)提高了4.1%.

表2 試驗材料的力學性能

試驗分析認為，B能有效溶于高鉻白口鑄鐵固溶體中, 且可使固溶體中碳的含量減少,而使合金液中碳的溶解量增加，致使合金液共晶轉變后共晶碳化物體積分數(shù)增加；由于碳化物的體積分數(shù)增加,奧氏體中的鉻、碳含量大幅度下降, Ms點升高, 降低了奧氏體的穩(wěn)定性, 因此有利于鑄態(tài)馬氏體的形成[7]60-64. 硼在白口鑄鐵中主要溶于碳化物中, 而在基體中溶解量甚少[8]878-884，當溶于固溶體中的B形成(Fe,Cr)7(C,B)3型碳化物達到飽和時,使得組織中的B富集而形成(Fe,Cr)23(C,B)6和(Fe,Cr)3(C,B)型合金碳化物. (Fe,Cr)7(C,B)3型碳化物硬度為1 200～1 600 HV， (Fe,Cr)23(C,B)6型碳化物硬度1 000～1 100 HV, (Fe,Cr)3(C,B)型合金碳化物840～1 100 HV，這些復合碳化物的顯微硬度可以從900 HV左右上升到1 300 HV左右. 上述兩方面的原因,均導致加硼Cr20白口鑄鐵的碳化物較標準Cr20白口鑄鐵的碳化物含量多. 因此，加硼Cr20白口鑄鐵的硬度高于標準Cr20白口鑄鐵.

由于B引起的碳化物體積分數(shù)的增大和粗化,增大了碳化物對基體的縮減和割裂作用,同時B在晶界的偏析也加重,再者,由于B增加了高鉻白口鑄鐵的淬透性,使得基體中的馬氏體數(shù)量增多,馬氏體是硬脆相, 因而加硼Cr20白口鑄鐵的沖擊韌性低于標準Cr20白口鑄鐵.

2.3 試驗材料的耐磨性

從表3可見，在標準Cr20白口鑄鐵中加B代Mo和Ni后,加硼Cr20白口鑄鐵的耐磨性相對標準Cr20白口鑄鐵提高了2%，它們的耐磨性基本相當.

表3 試驗材料的耐磨性

試驗分析認為，在動載磨料磨損過程中,由于石英砂處于自由滾動狀態(tài),其硬度(1 200 HV)低于碳化物(Fe,Cr)7C3的硬度1 200～1 600 HV，而高于奧氏體300～600 HV和馬氏體的硬度 (500～1 000 HV). 磨損時石英砂將先磨削軟基體奧氏體和馬氏體部分，碳化物凸出于基體之上,抵抗磨料的沖蝕，此時基體對碳化物的支撐作用以及碳化物的耐沖蝕性就決定了試驗材料磨損量的大小.

由于加硼Cr20白口鑄鐵基體的硬度為54.0 HRC，高于標準Cr20白口鑄鐵的硬度49.4 HRC，而且奧氏體的含量也低于標準Cr20白口鑄鐵，因此，其基體的耐磨性優(yōu)于標準Cr20白口鑄鐵. 其高硬度的基體能夠為碳化物提供強有力的支撐作用. 另外，硼的加入降低了材料的塑變斷裂抗力, 而提高了材料的切削抗力[9]32-46，因此，加硼Cr20白口鑄鐵持續(xù)地發(fā)揮碳化物的抗磨作用，而標準Cr20白口鑄鐵由于基體硬度較低，基體則以較大的速率被磨削掉，碳化物失去基體的支撐作用，在沖擊方向的垂直正應力和磨損過程中石英砂所帶來的切向分力的作用下，碳化物很容易發(fā)生折斷或塊狀剝落. 另外，由于標準Cr20白口鑄鐵中的碳化物呈網(wǎng)狀存在，其碳化物的尖角處或網(wǎng)的連接縫隙處，在反復的沖擊應力、接觸應力和切應力作用下, 在碳化物與基體組織結合處會產(chǎn)生很大的應力集中[10]11-13,則疲勞應力增大，在碳化物與基體組織結合處易產(chǎn)生裂紋并快速擴展，進而導致碳化物碎裂而脫落,基體就會失去碳化物的保護作用，使大塊面積的基體組織暴露在表面,導致磨損加劇.

而加硼Cr20白口鑄鐵中的碳化物呈塊狀或短桿狀且分布比較均勻, 當磨料劃過材料表面時, 磨料遇到高硬度的碳化物阻擋,使磨粒對基體組織的切削或犁溝中斷,甚至能使磨粒變鈍,減緩了對基體組織的進一步切削. 由于碳化物分布比較均勻,磨粒對基體切削很短的距離就會遇到碳化物,而由于磨粒的硬度低于碳化物的硬度，所以磨粒不能對碳化物直接切削, 同時在磨損過程中,每個碳化物顆粒承受磨粒的沖擊力比較小, 產(chǎn)生應力集中的程度也小，圓鈍的塊狀或短桿狀碳化物不容易發(fā)生疲勞裂紋，磨損破裂的概率也較小，減少了碳化物顆粒的疲勞磨損, 延長了基體金屬再次受到磨粒切削的時間,進而提高了材料的耐磨性.

綜合以上試驗對比分析可知, 加硼Cr20白口鑄鐵的相對耐磨性為1.02,與標準Cr20白口鑄鐵相當, 試驗材料的沖擊韌性、硬度和碳化物量變化不大, 但材料中的Mo, Ni含量均減少了50%, B是強碳化物形成元素, 且價格低而穩(wěn)定，因此，用適量的B替代高鉻白口鑄鐵中的部分Mo, Ni降低生產(chǎn)成本的措施是完全可行的.

3 結論

1) 標準Cr20白口鑄鐵和加硼Cr20白口鑄鐵的鑄態(tài)組織均由共晶碳化物M7C3+奧氏體+少量馬氏體組成. 標準Cr20白口鑄鐵的碳化物呈網(wǎng)狀存在,而加硼Cr20白口鑄鐵的碳化物呈短桿狀或塊狀分布.

2) 在標準Cr20白口鑄鐵中加0.30%的B替代50%Mo和50%Ni后，試驗材料的沖擊韌性下降了0.5 J/cm2，硬度提高了4.6 HRC，碳化物體積分數(shù)提高了4.1%，耐磨性提高了2%. 用適量的硼替代高鉻白口鑄鐵中的部分Mo, Ni降低生產(chǎn)成本是完全可行的.

[1] 王春景，鄧宏運，陳自立.高鉻鑄鐵生產(chǎn)及應用實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[2] 宋緒丁，劉海明，符寒光，等.硼含量對高硼鐵基合金組織和性能的影響[J].鑄造，2008,57(5).

[3] 袁親松.Zr、Cr、Ni對高硼鋼組織的影響[D].成都：西華大學，2009.

[4] 顧 建，張海濱，符寒光，等.硼含量對FeBC合金組織和性能的影響[J].鑄造技術，2011,32(10).

[5] 楊程坤,朱麗娟，劉 越,等.Mo、Ni、Cu對高爐襯板用Cr26高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織和性能的影響[J].鑄造技術,2010,31(1).

[6] 曹海葉,辛啟斌,王琳琳,等.硼對Cr20白口鑄鐵組織和性能的影響[J].材料與冶金學報,2010,9(1).

[7] 孫志平,沈保羅,高升吉,等.高鉻白口鑄鐵耐磨性和顯微組織的關系[J].金屬熱處理,2005,30 (7).

[8] 符寒光,邢建東,雷永平.含硼白口鑄鐵的研究進展[J].鑄造,2008,57(9).

[9] 曹海葉.硼對高鉻白口鑄鐵組織和性能的影響[D].沈陽：東北大學，2010.

[10] 王春榮.硼系鐵基耐磨鑄造合金的組織與性能研究進展[J]. 熱加工工藝,2013,42(12).

AddingBoronandReducingMolybdenumandNickelintheFeasibilityExperimentResearchofHighChromiumWhiteCastIron

ZHU Kai, ZHANG Yanling

(ShangqiuPolytechnic,Shangqiu476000,China)

In view of the high production cost of standard Cr20 white cast iron, the boron Cr20 white cast iron sample was cast with 0.30% B instead of 50%Mo and 50%Ni in the case that the other chemical compositions were basically unchanged. By means of hardness tester, impact testing machine, metallographic microscope, X-ray diffractometer and dynamic wear particle abrasion machine, the microstructure and properties of standard Cr20 white cast iron and boron doped Cr20 white cast iron were compared and analyzed. The results show that the cast structure of Cr20 white cast iron and standard Cr20 white cast iron is composed of eutectic carbide M7, C3+ austenite + a small amount of martensite. The carbides of boron doped Cr20 white cast iron are uniformly distributed in short rod or block, and the carbide of standard Cr20 white cast iron is meshed. Compared with standard Cr20 white cast iron, the impact toughness of boron doped Cr20 white cast iron decreased by 0.5 J/cm2, the hardness increased by 4.6 HRC, and the amount of carbide increased by 4.1%. The wear resistance has been increased by 2%. It is feasible to use partial boron instead of part of Mo in high chromium white cast iron to reduce production cost by Ni.

Cr20 white cast iron; boron; mechanical property; wear resistance

TG143.9

A

1671-8127(2017)05-0081-04

2017-06-21

朱 凱(1970- )，男，河南商丘人，商丘職業(yè)技術學院教授，主要從事金屬材料與熱處理研究。

[責任編輯梧桐雨]