高铬铸铁金相组织

通过试验研究，得到铸态高铬白口铸铁的金相组织主要为：铬奥氏体加M7C3共晶碳化物和铬屈氏体加M7C3共晶碳化物；采用稀土变质处理，可使晶粒细化，从而有效地提高机械性能和抗磨性能。 关键词：铸态高铬白口铸铁；稀土；抗磨性能 高铬铸铁是一种常用的抗磨铸铁。铬的大量加入，使碳化物变成具有更高硬度(1300～1800HV)的M7C3型碳化物，从而提高了抗磨性。在此同时，凝固过程中M7C3型碳化物形成了孤立分布的杆状组织，使得高铬白口铸铁的韧性有了一定程度的改善。目前国内外生产的高铬白口铸铁大多要经过高温淬火加回火处理工艺，以获得马氏体基体，然而这种基体作为水泥磨机磨球材料在高应力小能量的三体磨损中，其韧性仍显不足。并且生产周期长，工艺复杂，设备投资、能源消耗和劳动强度均较大。 本文通过试验对含碳量在亚共晶区，含铬15％左右的高铬白口铸铁进行了铸态金相组织分析及性能研究。试验结果表明：铸态高铬白口铸铁的主要金相组织是铬奥氏体加M7C3共晶碳化物和铬屈氏体加M7C3共晶碳化物。经过稀土变质处理后，可有效改善碳化物形态及分布，均匀组织，细化晶粒，明显提高韧性和强度，提高抗磨性。 一、试验方法及结果 试验用的合金材料在酸性中频无芯感应电炉内熔化，熔化温度在1530℃以上，浇注温度为1380～1450℃，砂型铸造。化学成分、机械性能和金相组织见表l。 机槭性能试验：冲击韧性在JB30A摆锤式冲击试验机上测定，试样尺寸10×lO×55mm，无缺口，不加工。 磨损性能试验在AMSLERAl35/138型动载磨损试验机上进行．试样尺寸Φ32×10mm．中心孔直径Φ6mm，磨料采用28/75目石英砂．试验前预磨lh，三体磨损加水平和垂直方向的冲击，冲击载荷为50～100kg．正式磨损时间20h。试验的失重值在自动电光分析天平上测定． 二、金相组织分析 1 含碳量对金相组织的影响 由表l可知lA、4A基体组织均为屈氏体加M7C3当成分中的含碳量增加时，共晶M7C3的数量增加，形态亦从短小片状向粗大片状发展。M7C3具有高的硬度和高的磨料磨损抗力，数量增加能提高抗磨性；但碳量超过共晶碳量，初生碳化物很粗，在磨料的冲击下会碎裂，从而增加了磨损时的失重。 2 混合稀土变质处理对金相组织的影响

图1 试样6B的金相组织 200× 图 2 试样10B的金相组织 200× 图l、2分别为B组试验中碳铬含量相同．来经处理和经稀土变质处理的金相组织。基体组织主要为铬奥氏体加M7C3共晶碳化物。图示表明，稀土的加入对组织最直观的影响是细化晶粒改变碳化物形态分布，稀土元素可以在共晶凝固时有选择地偏聚于共晶碳化物择优长大方向的液相铁水中，阻止液相中的铁、铬和磷等原子进入共晶碳化物晶体，因而降低了共晶碳化物在择优方向上的长大速度。在此同时，共晶奥氏体枝晶伸入液相中的过冷区生长，并逐渐形成包围碳化物的外壳，限制并降低了碳化物的增长速度。如此，便使碳化物的分布变得均匀。稀上对组织的细化是因为稀土元素与碳、氮、氧等反应，生成大量高熔点的稳定的化合物，这些化合物可以作为徽小的异质晶核，铁水中的原子就在这些晶核上聚积长大，从而细化了组织。 由表1可见，经过稀土变质处理的试样强度和冲击韧性明显提高，而硬度变化不大。 3 金相组织对抗磨性能的影响 对于抗磨料磨损材料而言，基体的选择是重要的，屈氏体是片间距非常细小的珠光体，它是一种强韧性基体，对碳化物具有镶嵌与支撑能力。如表1所示，铸态下整体硬度为50～56HRC。在磨损初期该基体本身可承受一部分磨损，因而可有效地避免碳化物过早地暴露以致剥落或折断。图3为铸态下得到的屈氏体和M7C3组织。

图3 T+ M7C3 200× 图4 M+ M7C3 200× 图4中的金相组织是铬奥氏体加M7C3共晶碳化物，前者有极强的镶嵌能力和一定的支撑能力，而且具有较高的冲击韧性。在冲击磨料磨损条件下，金属材料必须具有一定的韧性，否则材料不能抵抗或吸收这些冲击，冲击能就要转化为材科的脆性断裂功，材料表面就会出现裂纹、剥落，严重时造成破坏。从对高铬铸铁断裂韧性的研究表明：铸态奥氏体的临界应力强度因子KIC值比马氏体的高，即抵抗裂纹扩展的能力优于马氏体，尤其会钝化含有热裂、缩孔、夹渣缺陷的铸件在反复冲击条件下产生的裂纹扩展。 另外．铬奥氏体的抗磨性是随基体加工硬化的程度和共晶碳化物含量的增加而提高的。在含有冲击载荷的实际应用中，磨损表面会产生一个足够深的加工硬化层使原来的500～600HV提高到900～1000HV。．球磨机的实际应用表明，铬奥氏体的加工硬化深度均达到5mm。

基于上述观点，可以认为，在具有高应力小能量反复冲击的工作条件下．可确定铸态铬奥氏体、铬屈氏体作为抗磨损材料的基体。表2，表3分别为石英砂作磨料不同基体组织高铬铸铁三体磨损时组织与抗磨性能的试验结果及45钢与高铬白口铸铁的相对耐磨性。 上述试验结果表明： (1)在采用石英砂作磨料的三体磨损中以奥氏体为基体的高铬白口铸铁的抗磨性能略优于以屈氏体为基体的高铬白口铸铁的抗磨性能。 (2)在两组试验中，强度、韧性高而硬度稍低的材料，其磨损率偏低；经过变质处理的材料抗磨性能提高。 (3)试验材料的耐磨性是45钢的20倍左右，因此两种基体的铸态高铬白口铸铁均有良好的耐磨性。 三、结论 1．铸态高铬白口铸铁的金相组织主要为铬奥氏体加M7C3共晶碳化物和铬屈氏体加M7C3共晶碳化物，在韧性与抗磨性均要求高的条件下，选用以奥氏体或屈氏体为基体的铸态高铬白口铸铁是恰当的。 2．用混合稀土变质处理的铸态高铬白口铸铁金相组织均匀，晶粒细化，可有效地改善碳化物形态分布，提高强度、韧性和抗磨性。 3．铬奥氏体在高应力冲击条件下具有强烈的加工硬化特性，对碳化物构成强烈的支撑基础，是水泥磨机磨球材料的优良基础。

高铬铸铁离心铸造铸态组织分析 摘 要：对20Cr高铬铸铁离心铸造后的铸态组织进行了观察。结果表明:在离心铸造条件下，20Cr高铬铸铁的铸态组织为马氏体十M7C3

型碳化物+残余奥氏体+M23C6型碳化物。上述组织的形成与实际冷却条

件有关。 关键词：高铬铸铁，离心铸造，铸态组织 高铬白口铸铁由于具有高的硬度及耐磨性而广泛应用于冶金、机械、矿山等领域。近年来，离心铸造技术被普遍用于复合轧辊的生产与制造，满足了轧辊对表面和芯部不同性能的要求，已成为未来几年轧辊制造技术的主要发展方向。高铬铸铁的铸态组织十分复杂，这同凝固期间产生的分配效应有关，而合金元素的再分配又取决于铸造条件和冷却速度。对于高铬铸铁的静态铸造组织，已有很多的相关报道，然而关于在离心铸造条件下的组织特点却报道不多。付瑞东等结合20Cr离心铸造的实际生产条件，讨论了其铸态组织的形成过程，为制订合理的生产工艺提供参考。 1 试验材料及方法 试验所用试料取自实际生产用的复合高铬铸铁的外表面，其化学成分见表1。将试料用无齿锯切割成所需尺寸，并对铸态金相组织进行观察。

2 试验结果与讨论 法国的J.M.Smisler对离心铸造高铬铸铁的组织进行了较为详尽的研究。其结论是先共晶奥氏体未发生相变，而共晶奥氏体均转变为马氏体，沿M7C3型碳化物网络分布的先共晶相也完成了马氏体转变，因此离心铸造后的组织为马氏体+ M7C3型碳化物+残余奥氏体(约占40%～50%)。 在1150℃的平衡状态下，对于本文的高铬铸铁而言，其基体中的碳、铬平衡含量应分别为0.75%和11%，850℃时分别为0.2%和8.5%。由此可知，随温度的降低，碳及铬要向外析出，析出的碳、铬合金元素主要以碳化物的形式存在。但是实际的冷却条件都远偏离平衡态，由于铬、钼等合金元素的自扩散系数较小，同时它们又显著地降低碳在基体中的扩散速率，从而使碳及合金元素的再分配发生困难，导致大量的合金元素仍以固溶形式存在于基体中，使得过冷奥氏体基体处于过饱和状态。在随后的冷却过程中，这种过饱和奥氏体一部分发生马氏体转变，而另一部分则成为残余奥氏体。 这次试验所研究的20Cr高铬铸铁离心铸造组织与J.M.Snisler的结果有较大差异，其组织如图1所示。经分析认为是马氏体+从M7C3

型碳化物+过饱和铁素体十M23C6型碳化物+残余奥氏体。其中残余奥氏

体的含量仅为13.2%，并且存在一定数量的二次碳化物。造成上述结果差异的原因与高铬铸铁离心铸造的实际冷却条件有关。 实际的离心铸造冷却曲线如图2所示。由液态到1100℃以上的冷却时间较短，使得先共晶相和共晶相的成分都处于高的过饱和状态。由于外层的高铭铸铁受到中间层及芯部散热的影响，同时高铬铸铁本身的导热性很差，而且铸件要埋在沙中冷却，使其在高温的停留时间较长，冷却到300℃大约为70小时。上述两方面的影响有利于二次碳化物的析出，降低了过冷奥氏体的稳定性，使大部分奥氏体都发生了转变，故所测定的残余奥氏体的含量只有13.2%。 需说明的是虽然在缓冷过程中有大童二次碳化物析出，但此时的过冷奥氏体仍具有较高的相稳定性。其在冷却后的转变产物有两种可能:或为马氏体，或为铁素体+碳化物。但是此时的铁素体十碳化物还不能称为珠光体组织，因为所生成的铁素体仍具有较高的过饱和度，是一种非平衡态组织。

图1 20Cr高铬铸铁离心铸造后的组织 图2 复合轧辊离心铸造时各层的冷却曲线 3 结束语