【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 空冷時(shí)不出現(xiàn)珠光體的最大斷面(mm2) 70 90 120 200① ＞ 200 硬度HRC 鑄態(tài) 6067 5156 5054 4448 5055 5054 淬火 6267 6065 5863 6067 6067 退火 4044 3642 3540 4044 3843 注： ① 碳含量為下限時(shí)，大斷面中可能出現(xiàn)貝氏體。 組織結(jié)構(gòu) 普通白口鑄鐵的共晶組織一般為萊氏體形 :A Fe3C ,滲碳體在 A 的枝晶間的孔隙中發(fā)芽生長(zhǎng) ,形成了以滲碳體為基礎(chǔ)的蜂窩狀的萊氏體組織。高鉻鑄鐵組織中 ,隨 Cr 含量的增佳木斯大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 加 ,片狀的 (Fe ,Cr) 3C 向三角形的 (Cr ,Fe) 7C3 轉(zhuǎn)變 ,引起了共晶團(tuán)形態(tài)發(fā)生了根本的變化。共晶 A 在共晶區(qū)域 (A + M7C3 + L) 內(nèi)以共晶碳化物 M7C3 為領(lǐng)先相 ,以初生 A 為結(jié)晶界面成核長(zhǎng)大 ,并保留了碳化物晶體的錐體 形狀 ,最終組織為 Cr 的碳化物以緊密的層狀或纖維狀分布在 A 或 A 的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中 ,呈現(xiàn)菊花的放射狀共晶團(tuán)構(gòu)成 [10]。 （ 1） 鑄態(tài)組織：高鉻鑄鐵在鑄態(tài)時(shí)組織為 (Cr ,Fe) 7C3 和金屬基體組成 ,由于成分和冷卻速度的不同 ,金屬基體可以是鐵素體、奧氏體或馬氏體以及它們的混合組織。高鉻鑄鐵中含 Cr 高 ,使碳化物非常穩(wěn)定 ,即使在十分緩慢的冷卻時(shí) ,也不可能產(chǎn)生石墨化。高鉻鑄鐵的碳化物析出過(guò)程非常緩慢 ,就導(dǎo)致了凝固時(shí)形成的 A 常常過(guò)飽和 C 和 Cr ,并且非常穩(wěn)定 ,當(dāng)溫度降到 1 175 ℃ 時(shí) ,出現(xiàn)了四相包晶反應(yīng)平臺(tái) ,但在 此平臺(tái)溫度以下 ,仍然得到 A 相和碳化物相 [11]。繼續(xù)冷卻時(shí) ,Cr 的碳化物不斷從 A 中析出 ,減少了 A 中的合金含量和穩(wěn)定性。當(dāng)達(dá)到共析轉(zhuǎn)變溫度范圍 (760～ 595 ℃ ) 以下時(shí) ,不穩(wěn)定的 A 依據(jù)冷速可以轉(zhuǎn)變成珠光體、貝氏體或馬氏體。然而 ,既使在高溫時(shí)碳化物的析出也是很慢的 ,在中等冷速、室溫時(shí)仍可能有顯著數(shù)量的過(guò)飽和 A殘留。高鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織為 A + M,碳化物為菊花狀的 M7C3 型。殘余奧氏體數(shù)量較多。在組織中有許多類似夾雜物的黑塊 ,經(jīng)高倍組織觀察 ,發(fā)現(xiàn)仍然是初生的 A 相的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 ,里邊有析出的顆粒狀碳化 物 ,可能是先期轉(zhuǎn)變組織發(fā)生自回火的結(jié)果。 （ 2） 熱處理組織：高鉻鑄鐵要想獲得全 M 組織 ,只有經(jīng)過(guò)熱處理才能達(dá)到。高鉻鑄鐵的熱處理有高溫?zé)崽幚?、亞臨界熱處理等 [12]。 高溫?zé)崽幚斫M織：高溫?zé)崽幚硎菍⑵浼訜岬?A 化溫度以上保溫 ,然后空冷的熱處理。通過(guò) A 化溫度以上保溫使原轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物再回轉(zhuǎn)變成 A ,同時(shí)從 A 中析出細(xì)的次生碳化物 ,動(dòng)搖 A 的穩(wěn)定性 ,從而確保全部或大部分 A 轉(zhuǎn)變?yōu)?M 這種理想的組織。高溫?zé)崽幚淼慕M織中 ,基體組織為 M和少量殘余奧氏體 ,另布有細(xì)顆粒二次碳化物。 亞臨界熱處理組織：亞臨界熱處理為加熱到 400～ 600 ℃ 保溫 ,基體中首先析出細(xì)小的特殊碳化物 ,使 A 中 C 及其它合金元素下降 ,提高了 Ms 點(diǎn) ,在隨后的冷卻過(guò)程中 ,A 轉(zhuǎn)變佳木斯大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 為 M,產(chǎn)生二次淬硬現(xiàn)象 ,使殘余奧氏體減少 ,硬度提高。亞臨界熱處理特別適用于鑄態(tài)為 A M基體的厚大件。亞臨界熱處理后的組織中可見 A 逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?M[13]。 各元素的作用 高鉻鑄鐵的組織和性能實(shí)際上取決于鉻和碳的含量 , 高碳低鉻碳化物為 M3C, 低碳高鉻碳化物為 M23C6,碳與鉻適當(dāng)配合則可得 M7C3。 M7C3的硬度達(dá) 1200～ 1 800 HV, 六方晶系。這種碳化物孤立分布 , 呈桿狀和片狀 , 對(duì)基體的割裂作用較小 , 鑄鐵的韌性較好。 碳量決定碳化物數(shù)量。提高含碳量 , 增加碳化物數(shù)量 , 提高耐磨性。但基體中固溶合金元素減少 ,使基體得不到強(qiáng)化 , 引起淬透性降低。據(jù)馬烏利科夫等人的研究 , 高鉻鑄鐵含碳量與耐磨性的關(guān)系 （如圖 1 所示） : ① 淬火態(tài)耐磨性優(yōu)于鑄態(tài) , ② 無(wú)論是淬火態(tài)或鑄態(tài) , 耐磨性先是隨含碳量增加而提高 , 含碳量達(dá)到 3%時(shí)耐磨性最佳 , 進(jìn)一步提高含碳量耐磨性逐漸低。 圖 11 耐磨性與碳含量的關(guān)系 鉻量決定碳化物類型，高鉻鑄鐵具有優(yōu)越的耐磨性主要是顯微組織中含有較多的M7C3碳化物。在碳化物與耐磨性的關(guān)系中，耐磨性也是先隨碳化物量增加而提高，當(dāng)碳化物量增加到 30%時(shí)，耐磨性的提高就不明顯了。 碳化物含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可用下式估算： 碳化物含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（ %） =【 W（ C）】 +【 W（ C）】 %[14] 佳木斯大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 鉻除與碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奧氏體中提高淬透性，當(dāng)碳量不變?cè)黾鱼t量，或鉻量不變降低碳量，均能使淬透性提高。 硅： 硅是鋼鐵材料中的常存元素，從幾個(gè)方面影響高鉻鑄鐵的凝固組織。硅減少共晶反應(yīng)溫度范圍，縮小固 液兩相共存區(qū)，使共晶碳化物變得較為細(xì)化，分 布更為彌散化。含硅 2% 以上的高鉻鑄鐵，大部分共晶碳化物趨于孤立狀態(tài)。另外，硅使共晶含量降低，導(dǎo)致碳化物增加。硅固溶于奧氏體或鐵素體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。對(duì)高鉻鑄鐵中的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度測(cè)定表明 : 硅特別有助于提高馬氏體型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度。在不同的冷速下冷卻的鑄件中，基體硬度均隨含量的提高而上升。硅的固溶強(qiáng)化作用強(qiáng)于錳、鎳、鉻、鎢鉬、釩。能顯著提高奧氏體中奧氏體及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的彈性極限、屈服強(qiáng)度、屈服比以及疲勞強(qiáng)度。這些強(qiáng)度性質(zhì)的改善，對(duì)于提高材料的抗磨能力是有益的。溶于奧氏體中的硅可減少鉻的溶解量。因而，亞 共晶高鉻鑄鐵含碳量較高時(shí)，共晶碳化物的含鉻量增加。這對(duì)于既有 M7C3型碳化物，又有 M3C 型碳化物的高鉻鑄鐵來(lái)說(shuō)，將使 M3C 型碳化物增加 [15]。選用含硅量較高的高鉻鑄鐵時(shí)，還應(yīng)注意的一個(gè)問(wèn)題是 : 硅會(huì)使材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度提高。特別是制造承受沖擊載荷的零件更應(yīng)注意這個(gè)問(wèn)題。一般鉻系抗磨材料的含硅量是 % ～ %。 錳： 在高鉻鑄鐵中錳既是常存元素也是有用的合金元素，錳對(duì)高鉻鑄鐵凝固過(guò)程的主要影響是改變初生奧氏體的析出溫度和合金凝固溫度范圍。由于錳對(duì)凝固過(guò)程的這些影響，使含錳較高的高鉻鑄鐵初生奧氏體 枝晶細(xì)化，數(shù)量增加，相應(yīng)地減少了共晶組織的尺寸。錳還可以提高高鉻鑄鐵的回火抗力。隨含錳量的增加，最高回火硬度有降低的趨勢(shì)，而且達(dá)到最高回火硬度所需的時(shí)間增加。存在于奧氏體中的錳有推遲鉻原子擴(kuò)散的傾向，這說(shuō)明錳量越高達(dá)到最高回火硬度所需時(shí)間也越長(zhǎng)的原因。鉻、錳含量較高的奧氏體組織，具有較好的韌性、塑性和加工硬化性質(zhì)。在沖擊載荷或壓應(yīng)力作用下，容易誘發(fā)成馬氏體使工件表面形成硬化層，提高抗磨能力。錳推遲珠光體轉(zhuǎn)變?cè)杏?。但在一定條件下，對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變卻有促進(jìn)作用。調(diào)整高鉻鑄鐵的鉻碳比、硅錳比 ( 提高硅含佳木斯大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 量 ) 、控制 合適的加錳量，還可以通過(guò)熱處理 ( 鑄件奧氏體化后空冷 ) 手段制造出具有奧氏體－ 貝氏體組織的高鉻鑄鐵，這種高鉻鑄鐵的綜合的機(jī)械性能和抗磨能力都是很好的，故這里選取含 Mn: % ～ % 。 鑷：鎳不溶于碳化物，而無(wú)限固溶于鐵，有擴(kuò)大鐵的奧氏體相的作用，是穩(wěn)定的奧氏體的主要的合金元素。在高鉻鑄鐵中，它和銅有相似的作用，有助于降低合金的冷卻臨界冷卻速率，但同時(shí)也使 Ms 點(diǎn)降低，含鎳量越高， Ms 點(diǎn)越低，含鎳量超過(guò) % 時(shí)，鑄態(tài)組織中過(guò)冷奧氏體的存在是難以避免的 [16]。鎳降低 Ms 點(diǎn)的作用弱于錳 。鎳是比較稀貴的元素，應(yīng)該注意節(jié)約使用。一般為少量。 高鉻鑄鐵的性能 只有碳化物得到的基體強(qiáng)有力支撐不剝落，軟的基體剝落后，硬的質(zhì)點(diǎn)起到抗磨作用，這種組織才能耐磨。 表 15 淬火溫度與硬度的關(guān)系 處理方式 宏觀硬度（ HRC） 微觀硬度（ HV） 基體 碳化物 未變質(zhì)＋ 950℃ 淬火 56 761 未變質(zhì)＋ 1000℃ 淬火 789 未變質(zhì)＋ 1050℃ 淬火 57 766 變質(zhì)＋ 950℃ 淬火 782 變質(zhì)＋ 1000℃ 淬火 63 818 變質(zhì)＋ 1050℃ 淬火 61 791 從上表可以看出變質(zhì)處理后 1000℃ 淬火時(shí)，硬度值最高。淬火溫度較低時(shí)，二次碳化物析出較多，平衡奧氏體中 C 和 Cr 含量較少，淬成馬氏體時(shí)馬氏體較軟，硬度較低；淬火溫度過(guò)高時(shí)，奧氏體達(dá)平衡時(shí)的 C 和 Cr 含量較高，使 C 曲線右移，空淬時(shí)有部分奧氏體殘留，從而使硬度降低；只有淬火溫度適中，空淬時(shí)才能全部淬成馬氏體，得到較高的硬度值。 佳木斯大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 表 16 1000℃ 時(shí)淬火試樣的硬度和韌度 回火溫度 /℃ 250 350 450 550 硬 度（ HRC） 64 61 59 韌度 /Jcm2 由表 16 看出回火溫度可維持到 450℃ 左右，之后硬度便開始下降。淬火后的高鉻鑄鐵具有很高的抗回火性能，這是因?yàn)樵?450℃ 馬氏體分解導(dǎo)致硬度明顯下降；同時(shí)馬氏體及殘留奧氏體中析出碳化物，并有部分殘余奧氏體分解，導(dǎo)致硬度升高。二者共同作用致使硬度下降不明顯。沖擊韌度在 450℃ 回火時(shí)最好， 450℃ 之前回火轉(zhuǎn)變以馬氏體分解為主，從而表現(xiàn)為韌度值增加。 450℃ 之后回火轉(zhuǎn)變以殘留奧氏體的分解為主，韌性下降[17]。 高鉻 鑄鐵有著廣泛的應(yīng)用： 高鉻鑄鐵在球磨機(jī)上的應(yīng)用。 球磨機(jī)是水泥、電力、礦山等行業(yè)研磨工序的主要設(shè)備，磨球是球磨機(jī)主要易損件之一。磨球既要有高的耐磨性，又要有高的韌性。它的耐磨性能高低對(duì)生產(chǎn)起著極為重要的作用。因此提高其硬度、抗沖擊性、耐磨性能極為重要。長(zhǎng)治鋼鐵（集團(tuán)）公司為了改進(jìn)鑄鐵球的致密度，減少熱裂，通過(guò)加入不同的稀土元素，來(lái)改善鑄鐵球的化學(xué)成分和均勻性。并成功用于生產(chǎn)水泥用的球磨機(jī)中，顯著提高了磨球的耐磨性。中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司檢廠已研制成功并投入生產(chǎn)了一種磨球，它是用自行研制的特高鉻耐磨合金鑄鐵制成，由 于其具有良好的耐磨性及韌性，用它制作的磨球應(yīng)用在該公司氧化鋁廠原料車間球磨機(jī)上，獲得了很大的成功。這種耐磨材料制成的磨球的應(yīng)用創(chuàng)造出了很好的經(jīng)濟(jì)效益，具體可表現(xiàn)為加球量比原來(lái)少了一半。安徽理工大學(xué)與淮化集團(tuán)公司熱電廠合作制作的高鉻鑄鐵磨球在淮化集團(tuán)熱電廠 球磨機(jī)使用，停機(jī)開倉(cāng)檢查無(wú)明顯破碎變形磨球，破碎率小于 %，使用效果良好 [1]。在使用高鉻鑄鐵磨球時(shí)，必須考慮到實(shí)際工況條件。尤其是與之相配的襯板必須有足夠的硬度，否則磨損過(guò)快。如何處理好磨球硬度與韌性、淬透性與合金元素含量這兩對(duì)矛盾一佳木斯大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 直是實(shí)際 生產(chǎn)中未解決的難題，通常是硬度高則韌性低，破碎率高；合金元素含量高使淬透性提高，但成本增加。 高鉻鑄鐵在渣漿泵上的應(yīng)用。 渣漿泵在礦山、冶金、火力發(fā)電、煤炭、化工和環(huán)保等工礦部門廣泛應(yīng)用于輸送高濃度渣漿，其四大過(guò)流件如蝸殼、葉輪、前護(hù)板和后護(hù)板等在工作過(guò)程中不但承受物料的沖刷磨損，而且還承受漿料的腐蝕作用，運(yùn)行工況極其惡劣，因此其過(guò)流部件成為冶金礦山行業(yè)常見的易損件。國(guó)內(nèi)外渣漿泵過(guò)流部件所用材料主要有不銹鋼、高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵。高鉻鑄鐵是渣漿泵過(guò)流件的理想候選