高鉻合金鑄鐵化學成分的優化分析

張順

（內蒙古機電職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

隨著國民經濟的快速發展和科技的進步，對于耐磨材料的性能要求也日趨苛刻。高鉻合金鑄鐵為第三代耐磨材料，在其顯微組織中，三角晶系的硬度大于Hv1800的M7C3型碳化物被固定于馬氏體或者奧氏體的基體上，因此這種材料具有優異的耐磨性。[1]但傳統的高鉻合金鑄鐵是以加入昂貴的鉬和銅來改善其韌性的，生產成本很高。針對這些性能與成本的矛盾，本文研究了高鉻鑄鐵化學成分對硬度、耐磨性和韌性的匹配優化問題。

1 傳統高鉻鑄鐵化學成分分析

1.1 碳

碳對高鉻鑄鐵的組織和性能影響較大，隨著碳含量的提高，高鉻鑄鐵中碳化物數量增多，其硬度和耐磨性增加，而韌性下降，為了保證較高的硬度一定的韌性，傳統高鉻鑄鐵一般的含碳量為2.6-3.5%。

1.2 鉻

鉻作為高鉻鑄鐵中主要的化學成分，決定鑄鐵中共晶碳化物的類型。含量一般為14-21%。

1.3 鉬和銅

加入一定量的鉬，可以提高鑄鐵的淬透性。對于厚壁件，加入鉬提高淬透性的效果明顯，含量一般為1.4-2.2%。

銅加入高鉻鑄鐵中與加入鉬一樣可以提高鑄鐵的淬透性，特別和鉬聯合加入時這種性能會更高，同時加入鉬可以使鑄鐵具有耐腐蝕性能，木繳入量一般為0.5-1.2%。

1.4 硅、錳

硅、錳加入鑄鐵中有利于脫氧，但性能不能過高，否則會使鑄鐵的硬度降低，其含量一般不超過0.9%。

2 高鉻鑄鐵化學成分優化

2.1 碳

碳是高鉻鑄鐵中的主要組成部分之一，含碳量的多少是決定其性能的主要因素。當含碳量低于2.4%或高于共晶含碳量時，韌性較差[2]，同時含碳量的多少還決定了高鉻鑄鐵中碳化物的數量。含碳量過低，碳化物數量不夠，硬度和耐磨性得不到保證，含碳量過高，必然會引起馬氏體轉變開始溫度和淬透性下降。

綜上所述，將其含碳量控制在2.8-3.3%，以保證高鉻鑄鐵性能的穩定。

2.2 鉻

鉻作為一種強碳化物元素，在高鉻鑄鐵中，主要是用來決定碳化物的種類，輔之足夠的碳化物的數量，從而提供足夠高硬度和耐磨性。

鉻在高鉻鑄鐵中的碳化物常有M3C、M7C3和M23C6幾種，其中以M7C3硬度耐磨性最高，因而在高鉻鑄鐵中以獲得性能更好的共晶碳化物M7C3為目的。

為解決材料硬度和韌性相匹配的問題，美國在20世紀30年代后期，對含鉻量10%～30%的合金白口鑄鐵進行研究，發現含鉻量大于12%時，碳化物由滲碳體(Fe3C)轉變為Cr7C3型碳化物，它的硬度高，組織形態為菊花狀、條塊狀，因此韌性大幅度提高。但鉻含量過高會形成M23C6，同時增加殘余奧氏體量，使硬度降低，耐磨性降低。

同時，鉻含量的增加，有助于提高淬透性，以及控制珠光體的形成，增加鑄態奧氏體的量，提高韌性。

所以在保證不形成M23C6的前提下，鉻的含量應高一些。同時考慮到鉻碳比，最終將鉻含量控制在18-25%之間。

2.3 釩、鈦

傳統高鉻鑄鐵是以加入昂貴的鉬、銅改善其韌性的，生產成本很高。近年來國內外研究的共同方向是改變碳化物的種類與分布，以達到優良的力學性能，但結果并不十分理想，耐磨性和韌性在工況條件下總是不能達到良好的配合。近幾年，基于對綜合力學性能的進一步改善，細化晶粒這一手段開始扮演更著加重要的角色。同時考慮到生產成本，采用微量元素釩、鈦來取代價格昂貴的鉬、銅，來提高高鉻鑄鐵的韌性。

鈦在合金中具有細化晶粒的作用，其碳化物TiC的硬度、耐磨性很高，但加入過多時，會引起高熔點硬質相的增加及粗大，這樣不僅不能細化晶粒，反而會使碳化物析出，降低強度和韌性。故將其加入量控制在0.05%。

釩加入合金中，也可以起到細化晶粒的作用，同時在錳的作用下會使淬透性顯著提高，使合金鑄鐵硬度、韌性增加。當含量為0.6%時，HRC達到最大值。而沖擊韌性也隨釩的含量增加而增加，當達到0.8%時，達到極值，加入量略高時，沖擊韌性又開始降低。[3]故將其含量控制在0.6-0.8%之間。

2.4 硅、錳

硅在高鉻合金鑄鐵中的含量是嚴格控制的元素，硅溶入基體中，降低了碳在奧氏體中的溶解度，由于硅的溶入，過多的碳碳又和鉻形成了共晶碳化物，降低了鉻在奧氏體中的溶解度，使奧氏體變得不穩定，有促使奧氏體向屈氏體轉變的可能性。因此，硅是一種降低淬透性元素，故硅的含量應小于0.8%。

錳為常規元素，溶于基體中是提高淬透性的元素，有脫氧、除硫的作用，但它會降低馬氏體轉變開始點（MS），含量不宜大于1%，故錳量控制在0.4-1.0%

2.5 稀土

鑄鐵中加入稀土可以與鐵液中的氧和硫有較大親和力，凈化鐵液。另外，由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物擇優長大的方向上，使碳化物的生長受到抑制，從而使其變得均勻、孤立，而其他變質元素可以形成彌散分布的碳、氮化合物，阻止晶粒長大，提高碳化物的形核率，從而細化晶粒。

高鉻鑄鐵經適量的釩鈦稀土復合變質后，基體組織細化，碳化物由長條狀變為團塊狀；硬度、耐磨性、沖擊韌性都有提高，尤以沖擊韌度明顯。[4]過量的稀土會降低高鉻鑄鐵的強韌性且會形成部分雜質，故稀土的加入量取0.05-0.1%為宜。

硫、磷為有害元素，應在生產中嚴格控制其含量。

3 結論

3.1 成分為（質量分數，%）：C2.8-3.3,Cr18-25,V0.6-0.8,Ti=0.05,Si<0.8,Mn0.4-1.0,RE0.05-0.1,S<0.07,P<0.1。合理的成分選擇使顯微組織為屈氏體基體上彌散分布著M7C3共晶碳化物。

3.2 適量的釩、鈦和稀土可使高鉻鑄鐵組織細化，碳化物的形態分布改善，馬氏體含量增加，硬度、耐磨性和韌性都會有所提高。

[1]董魁光.高鉻鑄鐵譯文集[C].鞍鋼機修總廠,1981，1.

[2]譚寵予，周慶德等.鉻系抗磨鑄鐵[M].西安交通大學出版社,1986:175.

[3]劉少平，蘇丹，孫凱，劉憶.釩、鈦對高鉻鑄鐵中碳化物形態及耐磨性的影響[J].熱加工工藝,2006,(35):30-31.

[4]富利清.劉憶.稀土釩鈦高鉻白口鑄鐵襯板的研制[J].現代鑄鐵,2004，（12）:41-42.