杨群收 高铬铸铁与磨球(下) for 百铸网

百铸网 1 高铬白口铸铁与磨球 下 中国铸造学会质量控制及检测技术委员会 杨群收 内容摘要 前文通过对高铬白口铸铁材质的硬度 韧性 残余奥氏体 碳化物 的形态与分布 以及基体组织等综合因素对磨球抗磨性的影响的分析 本文提 出了在实际生产中 如何选择控制磨球材质的各元素含量范围 在熔炼 含变 质处理 浇注 热处理等工艺操作过程中的方法及注意事项 关键词 化学成份 金相组织 变质处理 粥状凝固 顺序逐层凝固 热处理 七 化学成分的选择 高铬铸铁化学成分的选择 将关系到铸件热处理工艺的制定 碳化物的量及形状 基体组织等 这些都直接涉及到材质的硬度和 韧性 而且生产厂家不能像科研单位那样 有很好的试验条件 拟 测手段 可以加入众多的稀有 贵重元素 生产厂家必须充分利用 我国或本地区的金属资源优势 还要考虑到易购和原材料的价格 在生产工序安排上 还要考虑到尽量减少加工工序而降低成本 1 碳 铬 影响高铬铸铁综合机械性能最大的是碳 铬两元素 一般情况 下 碳量决定碳化物的数量 而铬含量是决定碳化物的类型 碳 从磨球需要耐磨性和冲击韧性两个方面考虑 由于含碳量 决定碳化物的量 碳量越高 碳化物数量就越高 形状越粗大 硬 度高 但增加了材质的脆性 降低了韧性 碳量过低 碳化物呈晶 界状分布 对韧性和耐磨性都不利 高铬铸铁磨球通常选用亚共晶 成分 由于共晶含碳量 随含 Cr 量的增加而下降 Cr 2 时 共晶含碳量为 4 2 Cr 8 时 共晶含碳量为 3 8 Cr 15 时 共晶含碳量为 3 6 百铸网 2 Cr 17 时 共晶含碳量为 3 5 Cr 20 时 共晶含碳量为 3 2 值也可用下式求得 4 4 0 054 Cr 在高铬铸铁中 有时为了得到较好的韧性 往往不得不适当的 控制硬度而降低 C 量 从磨球的服役状况分析 含碳量选择 2 4 2 8 铬 Cr 是强烈的白口元素 能提高白口倾向和硬度 当含 Cr 量低时 得到的是 M3C Cr Fe 3C 型碳化物 其硬度 1060 1240HV 对材质的韧性和抗磨性有较大的改善 当含 Cr 量大于 12 时 得到 M7C3 Cr Fe 7C3 型组织 这种组织和 M3C 型组织相比 耐磨性和耐腐蚀性要高的多 其显微硬度可提高到 1500 1800HV 当含 Cr 量 20 在形成 M7C3 的同时 还形成一定量的 M23C6 型碳化物 这种碳化物的硬度并不比 M7C3 型高 而且在磨 损过程中较易出现裂纹 综合分析认为 Cr 含量一般控制在 14 17 另外 Cr C 是高铬的铸铁的一个重要参数 Cr C 比对高铬铸 铁的基体组织具有决定性的作用 Cr C 比的改变将引起材料组织和 性能的变化 Cr C 比的提高使 M3C 减少 M7C3 型碳化物数量增高 抗磨性提高 断裂韧性也提高 在 Cr C 比为 7 1 时 达到峰值 2 锰 锰中和硫后多余的量 起到稳定碳化物的作用 并且能提高淬透 百铸网 3 性 锰是强烈稳定奥化体的元素 通过热处理可使抗磨性能和冲击 韧性均得到提高 Mn 还有一个更可贵的作用 就是减少铸件的红脆 性 Mn 一般控制在 0 5 1 可得马 贝组织 如果欲在铸态得到 奥氏体组织 可提高到 3 5 3 硅 硅的作用与锰相反 Si 固溶于基体中 显著地降低高铬铸铁的 淬透性 Si 高 马氏体组织中易混入珠光体 所以其含量不易过高 但适量的 Si 加入量 在溶炼过程中 Si 起一定的脱氧作用 可以防 止其它元素的氧化 提高流动性以利于浇注 在高铬铸铁中 常控 制在 0 4 0 8 4 铜 Cu 增加合金的淬透性 可使厚大铸件中缓慢地转变成马氏体 有少量残奥 即使加入量少到 0 1 时 也可提高淬透性 17 Cu 对合金基体 强化的效果 与 Ni 相似 但 Ni 的价 格贵得多 Cu 在 奥氏体的溶 解度有限 百铸网 4 过高的含 Cu 量易出现富 Cu 现象而使材质发脆 特别是大量使用回 炉料时 Cu 的遗传性很大 也易出现集累富铜现象 所以在冶炼过 程中应注意炉料配比以及回炉料的使用 通常 Cu 控制在 0 4 0 8 5 钼 Mo 分布在共晶碳化物和基体组织之中 显著提高高铬铸铁的 淬透性 对厚壁铸件可抑制珠光体的形成 并且 Cr C 比愈高 Mo 的这一效果愈大 少量的 Mo 溶于基体中 可以细化晶粒和提高碳 化物的显微硬度 即使在铸态通过情况下 由于加入 Mo 冲击韧性 也能得到提高 通过热处理 可使树枝状结晶基体的硬度降低 局 部的产生软相 以弥补部分因 Cr 高或加入 V B 等强化碳化物的元 素 而使材质过硬冲击值下降的不足 从而使冲击韧性和耐磨性显 著提高 但从经济成本与材料实用工况综合考虑 磨球的加入量可 在 05 1 5 6 钒 V 是极有效的稳定 碳化物的元素 并增加 白口深度 含量为 0 1 0 5 范围内它可 使白口组织细化 并使 粗大的柱状晶体减少 V 对硬度的影响 百铸网 5 有资料介绍 在高铬铸铁中 加入 0 05 的v 树枝状结晶 基体的淬火硬度上升 V 的加入明显提高硬度降低韧性 如果与 Mo 0 3 同时加入 0 1 的 v 对材质的综合性能是有用的 从图中看出 v 对宏观硬度影响不大 对显微硬度提高的峰值 含量在 0 05 0 15 V 对冲击韧性的影响 随着 v 加入量的增加 而冲击值急剧的下降 但是在含 Mo 0 3 的高铬铸铁中 加入 0 1 的 v 能较有效的提高材质的综 合性能 即弥补了由于加入 Mo 使树枝状结晶硬度下降的不足 V 的加入量常控制在 0 07 0 15 的范围 7 钛 Ti 在高铬铸铁中形成坚硬的 TiC 它分布于金属基体中 阻碍共晶 碳化物的长大 有细化组织的作用 另外 Ti 有净化晶界 提高基 体强度 抑制裂纹产生之作用 控制范围在 0 1 0 5 8 硫 S 是非金属元素 它基本上不溶于铁的固溶体中 而与铁生成 硫化铁 FeS 硫化铁形成低溶 985 共晶体以及其他硫化物 分布在晶界上 硫能使铁液的流动性降低 收缩量增大 使铸铁有 较大的热裂倾向 应控制在 0 05 以下 9 磷 P 是非金属元素 但磷能溶于铁水中 磷在奥氏体中的溶解度 百铸网 6 很小 由于磷的存在则生成磷共晶 磷共晶硬而脆且熔点低 在金 属开始凝固时其还是液体 在已结晶凝固金属的挤压下 形成带有 锐尖的磷共晶或以网状分布在晶界上 切割基体 使材质脆性增加 降低材质的冲击韧性及强度 应控制在 0 07 以下 在控制磨球化学成分时 应根据磨机直径的大小 转速 冲击 荷以及磨球直径大小的不同 取各化学成分的最佳值 从实用和经 济两者考虑 其化学成分控制在如下范围是可取的 C 2 4 2 8 Si 0 5 1 0 Mn 0 5 1 0 Cu 0 4 0 8 Cr 14 17 Mo 0 5 1 5 V 0 07 0 15 Ti 0 1 0 5 S 0 05 P 0 07 八 铸造工艺 1 熔炼 炉料一般采用低硅生铁 废钢 合金元素使用铬铁 从经济效益 出发 常用高碳或碳素铬铁 锰铁 硅铁 钼铁 钛铁 用钒 钛 生铁可降低成本 和电解铜 用中频电炉冶炼 以保证要求的化学 成分和温度 加料方法 先在炉底加入五分之一的铬铁 当废钢和生 铁溶化完毕后 边预热边慢慢加入余下的铬铁 锰铁 铜和钼铁可 先加入炉底 硅铁等合金 在进行脱氧 除渣后出炉 2 浇注温度 高铬铸铁有较好的流动性 浇注温度一般取液相线温度以上过 热 50 100 含 Cr15 的高铬铸铁液相线在 1250 左右 也就是 百铸网 7 说浇注温度在 1350 1400 其出炉温度不要超过 1480 以免大 量氧化和吸气 适当的控制浇注温度 将直接关系到铸件质量 在 铸件不出现冷隔的情况下 适当采用低的浇注温度 可以得到细晶 粒组织和减少缩孔 缩松倾向 但浇注温度过低时 铸件将出现冷 隔 缺火等缺陷 浇注温度过高时 不利于逐层凝固 铸件而出现 缩孔 缩松等缺陷 另外 也将会缩短模具的使用寿命 甚至因过 烧而使铸件和模具粘结在一起 3 变质处理 尽管高铬铸铁具有较高的硬度和一定的冲击韧性 但因仍存 在着易脆裂的不足 故限制了使用范围 为解决脆裂和进一步提 高冲击韧性 国内外为此进行了大量的研究 我们知道 在高铬 铸铁中的碳化物 是对耐磨性举足轻重的一个相 它的数量 结 构 形态与分布对耐磨性和断裂韧性有着十分重要的影响 目前 比较统一的认识 就是用含稀土类等多种元素的复合孕育剂 或 以镁作载体混入钾 钠类制成的复合变质剂 对高铬铸铁中的碳 化物进行变质处理 使碳化物端部的尖变钝 使其成团球状 孤 立条块状 碎点状 分散分布以减少对基体的切割作用 达到提 高硬度和冲击韧性的目的 良好的孕育剂应具有以下二个方面 1 能够有效的改善碳化物的形态 有利于碳化物形成孤立 团球状 2 能够充分除气 脱硫 去氧 净化晶界 细化晶粒 减 少夹杂物及改变夹杂物的形态 提高铁液流动性 百铸网 8 孕育剂的合理选择以及适宜加入量的确定 须注意以下几点 a 加入量不易过多 防止过分降低铁水温度 b 在保证性能的前提下 尽量简单 便于操作 有利于推广 c 立足于国内本地区资源 尽量降低成本 易于购买 常用的变质剂有稀土 1 加入量为 0 8 1 5 和铝 0 1 0 3 Si Ca 合金或以钾 纳为主要元素的变质剂 也可以加入 0 01 0 02 的锌 1986 年 5 月份 我们用山东工业大学杨相寿老师研究的以钾纳 为主要元素的高铬铸铁变质剂 用于生产油田钻井用泥浆泵缸套的 内套 加入量为 1 5 2 0 金相组织 铸态金相组织是在奥氏体基体上有大块状 小条状 点状碳化物 并有 10 15 的团球状碳化物 个别视野的团球状碳 化物达 20 25 供试验材料的成分 C3 03 Gr14 31 随炉降温退火 为了便于取样化验 停炉后把试样放入炉内 用钢板盖上炉口 第二天取出 如图 1 HRC32 35 淬火 970 保温 2 小时 HRC63 35 图 2 铸态 HRC48 52 图 1 珠光体加碳化物 86 年 4 月 16 百铸网 9 铸态冲击韧性 1 51 1 77kg m cm2 金相组织如图 3 可 惜的是 由于时间长久 有的试验资料已丢失 为降低生产成本和 采购方便 用我们自己配制的高铬铸铁变质剂 其效果也接近于此 值 图 2 马氏体加碳化物加少量 图 3 残余奥氏体 碳化物呈段网状 铸型 鉴于高铬铸铁本身具有糊状凝固的特性 为使凝固断面的温度 变陡 使固液两相共存温度区间变窄 实现顺序逐层凝固 以把磨 球心部缩孔 缩松缺陷引入冒口 故采用金属型 高压力头补缩工 艺 对于消除晶间缩松 细化晶粒是行之有效的 九 热处理 通常情况下 高铬铸铁铸态下的金相组织是 奥氏体 马氏体 碳 化物 珠光体 为了充分发挥材质的硬度潜力和最佳耐磨性能 同时 又使材质具有最大的韧性 就需要进行热处理 通常奥氏体化温度约为 960 980 保温 2 至 4 小时 视球径 大小而定 如果加入 0 3 1 0 的 Cu 要破坏奥氏体的稳定性须保 温 6 小时以上 回火处理可在两个温度区间内进行 在较低的温度范围 200 300 进行回火 其目的是把在淬火中得到的马氏体进行回火 由 百铸网