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四川大学硕士学位论文 合金元素对高铬耐磨铸铁凝固组织和 亚临界硬化行为的影响 材料学专业 研究生：王均指导老师：沈保罗教授 高铬耐磨铸铁( h i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ，a b b r h c c i ) 的显微组织是在高强 度又有良好韧性的基体上分布着高硬度的且彼此孤立分布而连不成网状的 m 7 c 3 型共晶碳化物。正是由于它的特殊的显微组织使得它具有杰出的耐磨能 力，而被广泛地应用于矿山、冶金、建材、电力和化工等行业。铸态高铬耐磨 铸铁并不具有很好的耐磨能力，一般都要经过适当的热处理才能具有很好的使 用性能。亚临界处理是一种很好的高铬耐磨铸铁热处理方法，高铬耐磨铸铁经 过亚临界处理后能获得较好的使用性能。随着工业技术的发展，人们常常在高 铬耐磨铸铁中添加一些合金元素来提高它的使用性能。为了合理而高效地利用 合金元素，研究合金元素对高铬耐磨铸铁凝固组织和亚临界处理的影响，是很 有必要的。本文正是通过一系列的对比实验和深冷处理来研究锰、铜和钒对高 铬耐磨铸铁性能的影响， 本文通过电子探针、x 衍射、s e m 、d t a 、磁性法和硬度测量法来研究了 一系列不同的成分的高铬耐磨铸铁的凝固组织和亚临界处理的时效硬化行为， 详细分析了锰、铜和钒三种合金元素对高铬耐磨铸铁性能的影响，还分析了深 冷处理对高铬耐磨铸铁亚临晃硬化行为的影响。 研究结果表明：高铬耐磨铸铁的铸态组织由奥氏体，马氏体和m 7 c 3 型碳 化物组成。在高铬耐磨铸铁中分别加入m n 、c u 、v ，基于不同的原因高铬耐磨 铸铁的铸态试样的残余奥氏体含量都增加；c u 能显著增大碳化物的数量；v 能 细化晶粒，改善组织结构和分布，提高材料的硬度。高铬耐磨铸铁在一定的亚 四门l 大学硕上学位论文 临界处理过程中会发生二次硬化效应，并且其显微组织中残余奥氏体含量越高， 二次硬化效果越明显。二次硬化的具体机制是由于在亚临界处理过程中，由于 残余奥氏体中的合金碳化物的析出使得m s 点上升而发生马氏体转变。含c u 、 v 的高铬耐磨铸铁在亚临界处理过程中要析出c u 相和v c ，使材料由于弥散 强化而硬度提高。由于c u 和v c 的析出需要一定的时间，故由它们析出引起的 二次硬化峰要迟于由于马氏体转变引起地二次硬化峰。用深冷处理后的试样进 行对比亚临界处理也证实了高铬耐磨铸铁在亚临界处理中的第一个硬化峰是由 马氏体转变引起的，并且深冷处理后，试样由于其残部分余奥氏体转变为马氏 体而硬化。 关键词：高铬耐磨铸铁亚临界处理二次硬化锰铜钒深冷处理 析出马氏体转变碳化物弥散强化 1 1 凶川大学硕士学位论文 e f f e c t so fa l l o y i n ge l e m e n t so nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n d t h es u b - c r i t i c a lt r e a th a r d e n i n gb e h a v i o ro ft h e h i g hc h r o m i u mc a s ti r o n s m a j o ri n ：m a t e r i a l ss c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：w a n gj u ns u p e r vs o r ：s h e nb a og o i nt h em i c r o s t r u c t u r e so fa s c a s th i g hc h r o m i u mc a s ti r o n s ( h c c i s ) ，t h e r ei s t h ee u t e c t i ct y p em 7 c 3c a r b i d et h a th a sh i g hh a r d n e s s ，d o e s n tj o i ni n t on e ta n di s i s o l a t e dd i s t r i b u t i o ni nt h em a t r i x ，w h i c hh a sh i g hs t r e n g t ha n dg o o dt o u g h n e s s t h e h c c i sh a v ee x c e l l e n tw e a l - r e s i s t a n c eb e c a u s ei t s p a r t i c u l a rm i c r o s t r u c t u r ea n d b e i n gw i d e l ya p p l i e di nt h em i n e ra r e a s ，m e t a l l u r g y , m a n u f a c t u r eo fb u i l d i n g m a t e r i a l s ，p o w e rp l a n ta n dc h e m i c a li n d u s t r ya n d s oo n t h ea s - c a s th c c i sh a v en o t w e l la b r a s i o nr e s i s t a n c ea n dt h e ym u s tb ep r o p e r l yh e a t - t r e a t e d ，t h e nh a st h ef i n e r w e a rr e s i s t a n c e ，c o m m o n l y t h es u b c r i t i c a lt r e a t m e n ti sa na p p r o p r i a t eh e a t t r e a t m e n tm e t h o da n dt h r o u g hi t ，t h eh c c i sh a v eg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w i t h t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yt e c h n o l o g y , t h ea l l o y i n ge l e m e n t sa r ea d d e di n t oh c c i s t oa c h i e v ef a v o r a b l ep e r f o r m a n c e t h es t u d yo nt h ee f f e c to ft h ea l l o y i n ge l e m e n to n s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r ea n dt h es u b c r i t i c a lt r e a th a r d e n i n gb e h a v i o ro fh c c i s i sn e e d e df o rr e a s o n a b l ya n da v a i l a b l yu t i l i z a t i o no ft h ep r e c i o u sa l l o yr e s o u r c e o u r t a s ki st os t u d yt h ee f f e c t so fm a n g a n e s e ，c o p p e ra n dv a n a d i u mo nt h eh c c i s t h r o u g hs o m ec o n t r a s t i v ee x p e r i m e n t i nt h i sp a p e r , t h es o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r ea n ds u b c r i t i c a lh e a tt r e a t m e n t t 四川大学硕士学位论文 h a r d e n i n gb e h a v i o ro fas e r i e so fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o nh c c i sh a sb e e nr e s e a r c h e d b yu s i n ge l e c t r o np r o b ea n a l y z e r ，x r a yd i f f r a c t i o n ，s e m ，d t a ，m a g n e t i cm e t h o d a n dh a r d n e s st e s t ，a n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o n t e n to fm a n g a n e s e ，c o p p e ra n d v a n a d i u mo nh c c i si sg o n ei n t op a r t i c u l a r t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h em i c r o s t r u c t u r eo fa s c a s th c c i si sc o m p o s e dw i m a u s t e n i t e ，m a r t e n s i t ea n dt y p em 7 c 3c a r b i d e a n dw i t ht h em a n g a n e s e ，c o p p e r , o r v a n a d i u mi sa d d e di n t oh c c i s t h er e t a i n e da u s t e n i t eo ft h eh c c i si n c r e a s e sb a s e d o nd i s t i n c tm e c h a n i s m ，r e s p e c t i v e l y c o p p e rc a ni n c r e a s et h ea m o u n to fc a r b i d e w h e ni tb e e na d d e di n t oh c c i sa n dv a n a d i u mc a nf i n et h em i c r o s t r u c t u r eo fh c c i s t h a tc a nb r i n go nh c c i sh a r d e n i n g h c c i sw i l la p p e a rs e c o n d a r yh a r d e n i n gi nt h e s u b c r i t i c a lt r e a t m e n t ，a n dt h em o r ea u s t e n i t ec o n t e n th c c i sh a v e ，t h em o r eo b v i o u s t h ep h e n o m e n o ni s t h em e c h a n i s mo fs e c o n d a r yh a r d e n i n gi st h a tw i t ht h e p r e c i p i t a t i o no fc a r b i d ef r o ma u s t e n i t e ，t h em sp o i n to fh c c i si n c r e a s e ，a n do c c u r s m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o na n dh a r d e n i n gi nt h ec o u r s eo fc o o l i n g t h eh c c i s c o n t e n t e dc o p p e ro rv a n a d i u mw i l lp r e c i p i t a t i o nt h e 一c up h a s eo rv c ，r e s p e c t i v e l y , i nt h ep r o c e s so fs u b c r i t i c a lt r e a t m e n t ，w h i c hw i l ll e a dt od i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g a n dh c c i sh a r d e n i n g ，b e c a u s et h ep r e c i p i t a t i o no f - c uo rv cw i l ll a s tl o n g e rt i m e ， t h es e c o n d a r yh a r d e n i n gp e a ko w i n gt ot h a tw i l lp o s t e r i o rt ot h ef i r s th a r d e n i n g p e a k d u et om a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n t h r o u g he x p e r i m e n tw i t ht h ec r y o g e n i ct r e a t e d s a m p l ea l s oc o n f i r mt h a tt h ef i r s th a r d e n i n gp e a ko fh a r d e n i n gc u r v er e s u l t sf r o m m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n a n dt h r o u g hc r y o g e n i ct r e a t m e n t ，t h eh a r d n e s so fh c c i s a u g m e n t sa sar e s u l to f r e t a i n e da u s t e n i t ec h a n g e di n t om a r t e n s i t e k e yw o r d ：h c c i s u b c r i t i c a lt r e a t m e n t s e c o n d a r yh a r d e n i n g m a n g a n e s ec o p p e r v a n a d i u m c r y o g e n i ct r e a t m e n tp r e c i p i t a t i o n m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nc a r b i d e d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g v p q 川i 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一。自从人类使用机器代替手 工劳动以来，如何延长机器的使用寿命，减少零件的磨损，始终是人们关心的 问题之一，许多人为此进行了长时间的探索和研究。 统计资料表明删：在失效的机械零件中，大约有7 5 8 0 是金属磨损。 供给机器的能量大约有3 0 5 0 消耗在摩擦和磨损中。据估计，仅磨粒磨损， 每年就使工业国家损失国民生产总值的l 4 ，而其中据艾尔( t s e y e r ) 估计，磨粒磨损在整个磨损中占5 0 嘲，零件磨损失效后，不但需要耗费人力、 物力去更换配件，也使设备在更换零件期间不能生产产品，影响设备固有能力 的发挥。由此可见金属磨损是关系到国民经济的重要问题。在科技高速发展 的今天，国民经济的各个部门都对机械设备的耐用性、可靠性和精度提出了更 高的要求。因此，研究金属材料磨损现象，探讨影响磨损的各种因素，提高金 属的抗磨能力，研制新型抗磨合金，早已成为科技工作者面前的重要课题。 本文主要研究高铬耐磨铸铁的成分、组织、亚临界处理及其处理后的机械 性能和耐磨性，着重分析讨论了合金元素对高铬耐磨铸铁组织、性能的影响。 1 2 耐磨金属材料 1 2 1 碳钢和合金钢 退火或正火状态的碳钢不是合适的抗磨料磨损材料，但是，由于价格较低， 韧性良好，仍有一定的应用场合【6 1 。低碳钢抗磨零件一般都要经过表面改性处 理，例如采用渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、表面喷焊工艺提高表面组织的抗 磨能力。中、高碳钢零件可通过表面淬火，或表面喷焊硬质金属材料等工艺措 施来提高抗磨性【7 1 。 农业机具通常是与土壤、农作物、畜类皮毛等磨料相作用的。这些机具的 抗磨零件常常采用高、中碳钢以及低合金钢。这主要由于磨料硬度相对较低， 碳钢零件价格低廉，碳钢耐磨件具有合适的性能价格比【引。 1 2 2 耐磨合金钢 1 四川人学碗士学位论文 在抗磨料磨损场合应用的合金钢，一般是锰系合金钢和铬系合金钢。由于 基本合金元素对钢的力学性能和抗磨能力的作用，常被另外一些合金元素所增 强 9 - 1 1 1 。合金元素对抗磨合金钢的有益作用，主要表现在以下两方面：一是通 过不同的方式强化固溶相和改变固溶相的过冷转变性质；二是形成坚硬耐磨的 化合物，这些化合物在组织中能起抗磨损的骨架作用【1 2 - ”】。 1 2 2 1 锰系耐磨钢 锰对于钢的组织、工艺性能、力学与物理化学性能都有明显的影响。由于 锰住地球上储存广泛，资源丰富，所以它在抗磨合金中已经成为主要的合金元 素之一。 常用的低碳锰系酬磨钢有0 9 m n v 较广泛 1 4 - 15 】。中碳锰系合金钢有4 0 m n 1 2 m n v 等牌号，在煤矿机械中应用比 5 0 m n 2 ，4 2 m n 2 v ，4 5 m n b 等1 1 6 - 1 7 】。 1 2 2 2 铬系耐磨钢 铬是抗磨钢铁材料中应用很广泛的合金元素，铬钢在热处理后可以获得较 高的硬度和强度，硬化层较厚，抗磨性能很好；但是在钢中加铬，作用不如铬 和钼或铬、镍、钼复合加入是好。镍价格较高，因此铬钼钢、铬钼硅锰钢、铬 锰钼钢目前在国内外应用比较广泛i l “”j 。在铬钼钢中加入少量钒，可以得到细 晶粒的合金钢，抗磨性能有所提高，更重要的是提高了钢的强度和韧性，铬钼 钒钢在重要的磨料磨损场合用得较多。 1 23 高锰钢 工业应用的高锰钢具有单一的奥氏体组织，这种钢强度、韧性和塑性很好， 在受到强烈冲击及压力时，受力面及近表层组织硬度显著提高，表现出优异的 抗磨料磨损能力，而零件整体仍保持固有的机械性能【2 0 2 5 1 。制造高锰钢零件时。 一般要采用水韧处理。处理后的高锰钢成为单相奥氏体组织，使其达到应具备 的各项性能。当高锰钢承受大的磨料冲击或压力时，受力表面会发生塑性变形， 而塑性变形会诱发奥氏体向马氏体的转变，这样就提高了钢的强度和硬度，表 现出很好的抗磨料磨损能力。而零件整体由于内部为单相奥氏体组织，所以仍 保持良好的机械性能。 2 四川大学硕士学位论文 但是，高锰钢难于机械加工，所以一般只有制造不加工的铸件，这又限制 了它的使用。而且，高锰钢的优良耐磨性能主要由于它具有良好的加工硬化性 能，因此，在冲击力或压力较低的工况下，高锰钢加工硬化产生的抗磨潜力不 能充分发挥，其抗磨能力并不特别优越，甚至不强于调质中碳钢2 6 1 。 1 2 4 镍硬铸铁 镍硬铸铁是在2 0 世纪3 0 年代开始发展应用的合金白口铸铁。镍硬铸铁 的问世，是抗磨料磨损材料发展历史上的一个重要转折，合金白口铸铁开始代 替非合金白口铸铁。由于镍硬铸铁可以用冲天炉熔炼，不需要电炉熔炼，故得 到广泛的应用。 镍硬铸铁的显微组织由呈网状分布的m 3 c 型共晶碳化物、初生奥氏体及共 晶奥氏体转变产物组成【2 7 。黜。这种铸铁含镍量高，铸态下奥氏体即可转变为马 氏体，但因m s 温度低于室温，残余奥氏体含量高达3 0 6 0 。镍硬铸铁一般 不在铸态下直接使用，均需经过2 0 0 3 0 0 c 较长时间回火，使残留奥氏体向下 贝氏体转化。回火后材料的强度和抗冲击能力增加5 0 8 0 ，抗磨能力提高 1 2 9 1 。 镍硬铸铁中含有较多的镍，而镍的价格昂贵，供应困难( 特别是在我国) ， 故应采用其它材料来代替它。镍硬铸铁已经逐渐被高铬铸铁所取代。英国工业 标准b s 4 8 4 4 已经将这一规格取消。 1 2 5 锰白口铸铁和铬锰白口铸铁 由于我国锰资源丰富，价格低廉，工业上就想用它来代替那些昂贵而短缺 的合金元素，于是就研究出了锰白口铸铁和铬锰白口铸铁。 1 2 5 1 锰白口铸铁 锰白口铸铁是以铁和锰的碳化物为抗磨骨架相的白口铸铁，它的碳化物呈 莱氏体形态或呈离异状态存在于组织中。一般以网状分布，包围着初生及共晶 奥氏体转变产物p ”“。碳化物数量较少时，部分碳化物被基体组织分割。锰白 口铸铁中容易产生马氏体，并伴有较多的残余奥氏体【3 2 l 。 锰白口铸铁由于其韧性较差，不适于在较大的冲击载荷工况下使用。在有 3 四川大学硕士学位论文 ，r z 重冲击力的工况下使用时，容易发生表面剥落或脆性断裂口0 1 。 1 2 5 2 铬锰白口铸铁 在含铬6 8 ，含碳2 2 3 2 的白口铸铁中加入3 5 的锰，铸 态下可获得近似镍硬铸铁的组织，即碳化物+ 马氏体+ 残余奥氏体组织3 2 1 。其中 大部分碳化物仍为渗碳体型，少量碳化物呈孤立的板条状。铸态硬度h r c 5 4 5 6 。 铬锰白口铸铁可在铸出后进行2 5 0 2 8 0 。c 回火，回火可以消除大部分的相 变应力，而硬度不会显著下降1 6 j 。 1 2 6 钨系白口铸铁 钨系合金白口铸铁以抗腐蚀磨损即抗冲蚀磨损能力强而著称。这种抗磨料 材料适用于制造砂泵、杂质泵即水力输送物料装置的易磨损件【3 3 l 。 钨系白口铸铁的硬度一般都在h r c 6 0 以上，但由于其中碳化物对基体的 分割严重，因而冲击韧性较差【3 3 。 1 2 7 铬系白口铸铁 由于铬能有效地改变白口铸铁的组织和性能，显著提高材料的抗磨能力， 从世界范围来说，铬资源并不匮乏，价格适中，与其他合金白口铸铁相比，铬 系合金白1 3 铸铁的性价比颇具吸引力，因此已经成为目前国内外广泛应用的抗 磨料磨损材料2 2 1 。 根据碳化物形态的不同，铬白口铸铁可以分为低铬白口铸铁和高铬白1 3 铸 铁。 1 2 7 1 低铬白口铸铁 所谓低铬白1 3 铸铁，一般是指含铬2 t 肛5 、含有渗碳体型碳化物的铬白口 铸铁，其合金渗碳体是硬度较高( 不低于h v l l 0 0 ) 的脆性相，可以作为抗磨损 的骨架，但是它的连续分布状态使韧性较好的基体被分割开，削弱了材料的韧 性【6 】a 低铬铸铁的淬透性优于不含合金元素的普通白1 3 铸铁。低铬铸铁淬硬时开 4 四川i 大学硕士学位论文 裂倾向比较严重，并且抗冲击能力差，在冲击载荷较大的场合下使用，零件容 易脆裂。具有屈氏体和索氏体基体组织的低铬铸铁可用于抵抗较软磨料的场合 【3 4 _ 3 6 1 1 2 7 2 高铬白口铸铁 高铬白口铸铁含铬量大于1 1 ，铬碳比超过3 5 。在这种条件下，高硬度 m 7 c 3 型碳化物全部代替了m 3 c 型碳化物。m 7 c 3 型碳化物基本上是以孤立的条 状存在，与呈网状连续分布的m 3 c 型碳化物相比，大大增强了基体的连续性， 因而整体材料的韧性显著提高。 高铬白 2 1 铸铁含有大量的铬及其它合金元素，制造成本高于其它合金铸铁， 但当它的组织和性能调整到适合于其特定工况时，它的性价比远高于其它抗磨 材料，经济效益十分显著 3 7 - 3 8 , 】。 1 3 高铬白口铸铁组织及其形成 本论文研究的高铬耐磨铸铁的主要成分控制在1 2 2 0 c r ，1 3 - 3 8 c 范围， 在此基础上做适当的调整，基本上是亚共晶区，即在f e c r - c 系三元合金液面 投影中细麻点区域( 见图1 1 ) 。由图1 1 可见，在凝固过程中，该合金液先结晶 出奥氏体枝晶，继续冷却时即由剩余的枝晶间液体同时析出奥氏体和碳化物所 组成的共晶体【j 。 图1 1 f e c r _ c 系液面相图口9 l f ig 1 1t h ej q u i dp h a s eg r a p ho ff e c r cs y s t e m 四川大学硕士学位论立 f i g 1 1t h eii q u ；dp h a s eg r a p ho ff e c r _ cs y s t e m 高铬白口铸铁的优良抗磨能力和冲击韧性主要取决于其特有的组织。这种 铸铁的组织为奥氏体、马氏体和碳化物组成m 9 ，8 列( 见图1 2 ) 。其中碳化物主要 为m 7 c 3 型，硬度很高，多数以条状形态存在，和m 3 c 型碳化物相比，减少了 对基体的分割，使基体保持了较好的强度。又由于基体中富含铬元素，有较好 的淬透性，经过适宜的热处理，可获得抗磨能力优良的金属组织。 图1 2 典型高铬耐磨铸铁铸态显微组织 ( 2 8 8 c - 1 6 4 2 r - 2 6 h n ) f i g 1 2t h et y p i c a ia s c a s tm i c r o s t r u c t u r eo f ak in do fh i g hc h r o m il h 3 1a ii o y ( 2 8 8 c 一16 4 2 c r - 2 6 洲n ) 1 3 1 高铬铸铁中的碳化物 工业应用的高铬铸铁含碳量一般为2 4 ，含铬量为l l 2 5 。凝固组织 中可能出现的初生碳化物和共晶碳化物有m 7 c 3 、m c 、m 2 3 c 6 和m 3 c 。这些碳 化物都是硬质相，对合金的抗磨能力起主要的作用 4 1 4 4 。 高铬铸铁中的碳化物的数量、性质、尺寸、分布状态以及基体组织的性质 都对其抗磨能力产生明显影响。碳化物的类型与成分有关，更确切地说，与合 金中铬、碳含量的比值有关。当合金中含铬量大于1 l ，铬碳比大于3 5 时， 组织中出现m 7 c 3 型碳化物。随着铬碳比的提高，m 7 c 3 型碳化物将被m 2 3 c 6 型 6 四川太学硕士学位论文 碳化物所取代。合金成分越接近共晶反应投影线，初生相份量越少，共晶体在凝固 组织中占有的比例越高。高铬耐磨铸铁中的碳化物( 见图1 3 ) 呈点状或块状， 对基体的分割较小。 图1 3典型高铬耐磨铸铁的碳化物 f ig 1 3t h et y p i c a ic a r b i d eo fak i n do f h i g hc h r o m i u ma ii o y 高铬铸铁中的m 7 c 3 一般写为f e 7 c 3 。这种碳化物是铬原子溶入铁碳系的不 稳定碳化物f e 7 c 3 形成。f e 7 c 3 晶体是一个六方点阵结构，每一个碳原子与相邻 的六个铁原子紧密接触( 见图1 4 ) 。c r 7 c 3 晶体属于斜方晶系，c r 7 c 3 中的铬原 子与f e 7 c 3 中的铁原子排列方式很接近( 见图1 5 ) ，铁原子与铬原子的尺寸也很 接近，为铬原子大量取代铁原子而形成( f e ，c r ) 7 c 3 提供了条件。另外，铬元素 可以降低碳在铁中的化学位，使( f e ，c r ) 7 c 3 成为稳定的化合物。高铬铸铁中 m 7 c 3 型碳化物的含铬量根据合金含铬量、铬碳比不同而有变化，对大量试样的 测定表明，最低铬含量为2 5 4 ( 重量百分数) ，几乎探查不到铬、碳原子比为 7 ：3 的纯碳化铬晶体。在含铬比较低的铬铸铁中，经常出现渗碳体型碳化物。 这种碳化物中的铁原子部分被铬原子所取代。m 2 3 c 6 碳化物常被称为t 相。是以 铬为主的间隙碳化物。t 相晶体具有面心立方点阵。( f e ，c r ) 2 3 c 6 含碳量极限 值为5 5 ，最高含铬量为5 9 ；而c r 2 3 c 6 的含铬量为9 4 3 ，这说明( f e ，c r ) 2 3 c 6 中的含铁量是很高的。 7 四j i i 大学硕士学位论文 ( f e ，c r ) 7 c 3 的硬度为h v l 2 0 0 1 8 0 0 ，( f e ，c r ) 2 3 c 6 的硬度为h v l 0 0 0 1 1 0 0 ， 均较渗碳体硬度( h v 8 4 0 1 1 0 0 ) 高。硬度增高除与化合物点阵结构的变化有关外， 一般认为也与碳铬原子间键结合强度高于碳和铁原子键结合强度有关。试验表 明，随着铬溶入量的增加，碳化物硬度相应提高。具有密排六方点阵的晶体是沿螺 旋位错提供的生长台阶在光滑的固液界面上生长的。在晶体点阵中c 轴晶向 生长较快，形成的晶体大多数是六方棱柱或是六方棱锥形状。c 轴晶向大致平行 于散热较快的方向。棱柱( 锥) 晶体侧面比较平直，很少显现分枝迹象。 图1 4c r ，化合物原子电阵 f i g 1 4t h ea t o m ss rr a yo ft y p e0 r 7 c 3 图1 5f e ，c s 化合物原子电阵 f i g 1 5t h ea t o m sa rr a yo ft y p ef e t c 3 高铬铸铁中共晶碳化物与初生碳化物的形态显然不同。前者是在较高的应 力场中成簇生长，这将导致其中存在较多晶体缺陷。层错缺陷就是其中的一种。 层错扩展的方向与晶体点阵结构有关。由于层错扩展方向大多平行于六方晶体 棱柱面导致( f e ，c r ) 7 c 3 晶体不同取向上的硬度有所不同。对( f e ，c r ) 7 c 3 晶体的显微硬度测定结果表明：棱柱横断面硬度约为h v l 7 0 0 1 9 0 0 ，棱柱侧面硬 度一般只有h v l 4 0 0 左右。碳化物的形态、类型和数量对于高铬铸铁的抗磨能 力和力学性能都有影响。 1 3 2 共晶组织 。 由于奥氏体的固一液界面是微观粗糙界面，而铁、铬的碳化物凝固时产生 8 四i i 大学硕七学位论文 微观光滑固一液界面，因此，两者形成的共晶组织一般呈现复合形态。 在( c r ，f e ) 7 c 3 型碳化物与奥氏体的共晶中，奥氏体是领先相。高铬铸铁 的共晶属于纤维状的小晶面( 碳化物) 组织形态为在奥氏体( 或其转变产物) 一非小晶面( 奥氏体) 共晶。其代表性 的基体上分布着纤维状的碳化物。 对于亚共晶高铬铸铁而言，共晶碳化物的分布、形态取决于初生奥氏体的 数量。当初生奥氏体生长发育充分时，在凝固组织中几乎观察不到典型的共晶 混合物，碳化物只沿晶界生长。当共晶碳化物含量达到2 0 3 0 时，碳化 物与奥氏体构成的共晶团呈柱状或锥体状，共晶团的生长方向大体上与散热方 向平行1 7 , 3 9 1 。 1 3 3 铸态奥氏体组织及其形成 铸态奥氏体是指在铸态下存在于室温组织中的奥氏体( 见图1 6 ) ，其形成 的基本条件是：铸件冷速高于避免共析转变合贝氏体转变的临界速度；马氏体的 开始转变温度( m s ) 低于室温m 啦”。 图1 6 高铬耐磨铸铁的铸态奥氏体 ( 2 8 c - 5 o m n - 1 8 o c r 一15 m o ) f i g 1 6t h ea s c a s tr e t a i n e da u s t e n i r eo f ak i n do fh i g hc h r o m i u r na l l o y ( 2 8 c - 5 0 m n 1 8o c r 一1 5 m o ) 高铬铸铁凝固组织中的奥氏体富含碳、铬，为形成铸态奥氏体基体组织提 供了良好的条件，铬对于奥氏体相变行为的影响是明显的，铬能延长奥氏体等 9 四川大学硕上学位论文 温转变的孕育期，使c 曲线移向右方，珠光体转变曲线移向较高温度，贝氏体 转变曲线移向较低温度，导致两条曲线分开( 见图1 7 ) ，同时铬使m s 点和m f 点下降，如果合金的铬碳比足够高，奥氏体可能全部保留到室温f j 。 在合金中加入锰、钼等元素，有助于铸态奥氏体的生成，即使含碳量高达 3 0 ，含锰量3 3 的合金也能获得铸态奥氏体基体组织。钼对提高奥氏体的 稳定性，避免共析反应也是有明显的作用的。 u t 燃 憩 图1 7 铬对奥氏体转变曲线的影响【7 1 f i g 1 7t h ei n f i u e n c oo na u s t e n i t es o t h e r m a t r a n s f o r m a t i o nc u r v eo fc h r o m iu r t l 1 3 4 马氏体组织的形成 马氏体有很高的硬度，抗磨能力很强。为了获得马氏体组织，铸件冷速应 高于珠光体转变和贝氏体转变的临界冷速，在连续冷却条件下，马氏体转变5 0 的温度至少应高于室温。 高铬铸铁在较高温度进行等温处理时，碳与铬可由奥氏体中脱溶，形成弥 散分布的二次碳化物。由于二次碳化物中的碳铬浓度远高于固溶体，碳化物析 出后，奥氏体中的碳铬浓度相应降低，m s 点得以升高，而奥氏体的铬浓度仍足 以维持较低的临界速度，高铬铸铁经过等温处理后，空冷就可以获得以马氏体 为主体的基体组织 4 5 - 4 6 】。 由于高铬铸铁中奥氏体的碳铬含量较高，形成的马氏体一般都是片状马氏 体【3 9 】。 1 0 蝴渤差耋栅姗蛳。 四川人学硕士学位论文 1 4 高铬铸铁中的合金元素 为了改善高铬铸铁的组织、工艺性能和力学性能，除了调整铬、碳含量外， 在生产上还常需要添加一些辅助合金元素，如钼、铜、镍、钒等。硅和锰在一 定条件下也能起到辅助合金元素的作用。辅助元素在产生抗磨组织方面所起的 作用是不可低估的。这些元素有些可以以碳化物形式直接成为抗磨相，有些则 能改变奥氏体的相变性质，使基体组织的抗磨能力大大提高。高铬铸铁能够成 为工业上应用最广泛的优良抗磨材料是与辅助合金元素的作用分不开的。 1 4 1 钼 众所周知，钼是能够有效地提高钢铁材料淬透性的合金元素。对于抗磨金 属材料，淬透性是材料的重要工艺性质。为了改善抗磨能力，高铬铸铁应能在 避免产生裂纹的情况下充分硬化。因此，高铬铸铁件( 特别是厚壁零件) 往往 需要添加钼。 在高铬铸铁中铝以三种方式存在。即固溶于奥氏体及其转变产物中；溶入 铬碳化合物中或与碳形成碳铝化合物。钼在熔体凝固过程中的平均分配系数为 0 4 o 4 5 。在亚共晶合金中，基体含钼量约为合金总含钼量的1 0 2 5 ，钼 在基体组织中的分配比例与合金含碳量及铬碳比有关。含碳量较高，铬碳比较 低时基体含钼量较低。高铬铸铁的含铝量总是远高于淬透性近似的合金钢。 在高铬铸铁中，钼碳化合物有多种结构，主要的碳化物有m o c 、m 0 2 c 、 ( m o ，f e ) 2 3 c 6 和( m o ，v e ) 6 c 。钼碳化合物硬度高，存在于高铬铸铁中能有效地提高 抗磨料磨损能力。 钼在铁中的室温溶解度约为4 ，当铁中溶有铬时，钼的溶解度下降。锯对 高铬铸铁基体组织的相变性质有明显影响，( 见图1 8 ) 。主要是强烈推迟奥氏体 的珠光体转变，使高铬铸铁连续冷却转变曲线向右推移1 7 3 9 】。 铝能够有效地提高m s 温度，减少室温组织中的残余奥氏体量1 4 9 5 0 j 。这是 由于固溶于y f e 中的钼能显著地降低碳的溶解度，而减少y f e 碳含量对 m s 的影响远大于钼溶入y f e 的影响，因而钼能有效地提高m s 温度。 研究指出【4 9 1 ，在铬碳比相同的情况下，增加含钼量可使空冷获得马氏体 的高铬铸铁件当量厚度增加。这一点在实际生产中是重要的，特别对厚大的铸 阴川人学硕士学位论文 件更为重要。因为高铬铸铁含有2 0 以上的碳化物，若以较快的速率冷却时 工件的整体热应力与基体的相变应力极易使铸件破裂。而空气冷却则可大大降 低开裂倾向。因而，制造马氏体高铬铸铁时，选择适当的加铝量是很重要的【7 1 。 - r 一一 。_ k 1 一i z f ：- ；_ ! 图1 8 镍铜钼对1 2 c r 高铬铸铁奥氏体等温转变动力学的影响7 1 f i g 1 7t h ej n f l u e n c eo n1 2 c r h i g hc h r o m i u ma u s t e n i r ei s o t h e r m a t r a n s f o r m a t i o n a ld y n a m i c so fn i c k e c o p p e ra n di i y b d e n u m 1 4 2 锰 在高铬铸铁中锰既是常存元素也是有用的合金元素。锰对高铬铸铁凝固过 程的主要影响是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固温度范围 7 , 3 9 , 8 1 】。高铬铸 铁的初生相及共晶析出温度随含锰量提高而下降【3 9 】( 见图1 9 ) 。 锰在一定程度上影响碳化物形态。含锰较高的合金组织中，可以看到许多 层片状的碳化物，这些碳化物是溶有少量锰的f e 7 c 3 碳化物。锰对高铬铸铁中铬 碳化合物的数量、结构没有显著影响。碳化物中固溶少量锰后，硬度稍有增加。 锰扩大y 相区，降低共析区临界转变速率，降低地点温度【8 l j 。当锰含量超 过某一临界值时，可使奥氏体直接过冷到室温以下。因而锰是奥氏体稳定元素。 还有一些文献报导了高铬铸铁形成过冷奥氏体基体与锰量的关系。冈本平等人 的实验表明：1 2 c r 铸铁中添加4 4 锰，铸态可获得全奥氏体基体，加锰量6 时，材料性能下降1 7 j 。a b a s a k 等人研究了2 3 0 一2 7 c 、1 0 1 2 c r 、 1 s i 铸铁中锰的作用。研究结果表明：在0 5 1 络q 4 0 范围内，随着含锰量的提高， 四川i 大学硕士学位论文 铸态基体组织由全部细珠光体改变为珠光体+ 奥氏体，最终成为全部奥氏体组织 【7 1 。铸态组织中奥氏体量随着含锰量的增加而增加，两者的关系还取决于合金 的含碳量，如果合金含铬量相同，则取决于铬碳比。 图1 9 高铬铸铁初生相析出温度及共晶析出温度”1 和含锰量的关系( 1 5 c r - 3c ) f i g 1 9t h er e i a t i o no fh i g hc h r o m i u ma ii o yp r i m a r yp h a s e a n de u t e c tcp h a s ep r e cpt a r et e m p e r a t u r e w i t hm a n g a n e s ec o n t e n t e d ( 1 5 c r 一3c ) 锰提高高铬铸铁的回火抗力。随含锰量增加，最高回火硬度有降低的趋势， 而且达到最高回火硬度所需的时间增加 8 1 】。提高锰量似乎不能明显地改变回火 析出碳化物的活化能。但是存在于奥氏体中的锰有推迟铬原子扩散的倾向。这 说明了锰量越高达到最高回火硬度所需时间越长的原因【5 “。 铬、锰含量较高的奥氏体组织，具有较好的韧性、塑性和加工硬化性质。 在冲击载荷或压应力作用下，容易诱发生成马氏体使工件表面形成硬化层，提 高抗磨能力。 1 4 3 硅 由于硅和氧的亲和力大于锰、铬、钒等，在熔炼过程中，它可以减少这些 合会元素的氧化损失。硅是强烈的石墨化元素，当材料含硅量高而碳化物形成 元素相对较低时，铸态组织中可能有石墨析出【5 2 , 8 1 】。 1 3 四i i 大学硕士学位论文 硅从几个方面影响高铬铸铁的凝固组织。硅减小共晶反应温度范围，缩小 固液两相共存区，使共晶碳化物变得较为细小，分布更为弥散化。含硅2 以 上的高铬铸铁，大部分共晶碳化物趋于孤立状态。 硅固溶于奥氏体或铁素体中，产生固溶强化作用。对高铬铸铁中奥氏体转 变产物的硬度测定表明：硅特别有助于提高马氏体型转变产物的硬度。在不同 的冷速下冷却的铸件中，基体硬度均随含硅量的提高而上升。 硅固溶强化作用强于锰、镍、铬、钨、钼、钒。能显著提高奥氏体及其转 变产物的弹性极限、屈服强度、屈服比以及疲劳强度1 7 】。这些强度性质的改善， 对于提高材料的抗磨能力是有益的。溶于奥氏体中的硅可减少铬的溶解量。因 而，亚共晶高铬铸铁含硅量较高时，共晶碳化物的含铬量增加。由于硅对基体 和碳化物两者的硬度都有影响，因而，提高硅量会使铸件宏观硬度提高p j 。 溶入碳化物中的硅量很少，绝大部分硅都存在于固溶体中i v 。硅对于富铬 奥氏体的临界冷却速率有影响，减少高铬铸铁试样的全部发生马氏体转变的半 冷却时间。 固溶于y f e 中的硅，能减少碳在 r f e 中的溶解度，从而提高m s 温度， 减少铸态或淬火后的高铬铸铁中残余奥氏体量【8 ”。就提高m s 的效果而言，硅的 能力约为钼的一倍【3 9 】。选用含硅较高的高铬铸铁时，还应该注意一个问题是： 硅会使材料的脆性转变温度提高。一般铬系抗磨材料中含硅量的范围是 0 6 - - i 5 。但是在含铬量小于4 时，为了防止石墨析出，选用1 以下的含硅 量是适宜的1 7 j 。 1 4 4 铜 铜在铁碳系中有扩大y 相区的作用，铜与碳不能形成化合物，但固溶于铁 中的铜原予，可以存在于铁碳或铁碳铬的化合物中。铜使奥氏体向珠光体和贝 氏体转变的孕育期延长。但是，一些研究m 9 壤明：在高铬铸铁中单独加铜，并 不能显著提高材料的淬透性，而且对高铬铸铁c 曲线的形状和 l s 点几乎没有什 么影响。 铜作为提高淬透性的辅助合金元素，常和铝复合加入高铬铸铁。复合加入 时在推迟奥氏体转变孕育期，提高材料的淬透性方面，比单独加钼有更好的效 果。美国c l i m a x 铝公司的研究结果表明，铜促进钼发挥提高淬透性的作用是明 1 4 四川大学硕士