高铬合金铸铁化学成分的优化分析

张顺

（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

随着国民经济的快速发展和科技的进步，对于耐磨材料的性能要求也日趋苛刻。高铬合金铸铁为第三代耐磨材料，在其显微组织中，三角晶系的硬度大于Hv1800的M7C3型碳化物被固定于马氏体或者奥氏体的基体上，因此这种材料具有优异的耐磨性。[1]但传统的高铬合金铸铁是以加入昂贵的钼和铜来改善其韧性的，生产成本很高。针对这些性能与成本的矛盾，本文研究了高铬铸铁化学成分对硬度、耐磨性和韧性的匹配优化问题。

1 传统高铬铸铁化学成分分析

1.1 碳

碳对高铬铸铁的组织和性能影响较大，随着碳含量的提高，高铬铸铁中碳化物数量增多，其硬度和耐磨性增加，而韧性下降，为了保证较高的硬度一定的韧性，传统高铬铸铁一般的含碳量为2.6-3.5%。

1.2 铬

铬作为高铬铸铁中主要的化学成分，决定铸铁中共晶碳化物的类型。含量一般为14-21%。

1.3 钼和铜

加入一定量的钼，可以提高铸铁的淬透性。对于厚壁件，加入钼提高淬透性的效果明显，含量一般为1.4-2.2%。

铜加入高铬铸铁中与加入钼一样可以提高铸铁的淬透性，特别和钼联合加入时这种性能会更高，同时加入钼可以使铸铁具有耐腐蚀性能，木缴入量一般为0.5-1.2%。

1.4 硅、锰

硅、锰加入铸铁中有利于脱氧，但性能不能过高，否则会使铸铁的硬度降低，其含量一般不超过0.9%。

2 高铬铸铁化学成分优化

2.1 碳

碳是高铬铸铁中的主要组成部分之一，含碳量的多少是决定其性能的主要因素。当含碳量低于2.4%或高于共晶含碳量时，韧性较差[2]，同时含碳量的多少还决定了高铬铸铁中碳化物的数量。含碳量过低，碳化物数量不够，硬度和耐磨性得不到保证，含碳量过高，必然会引起马氏体转变开始温度和淬透性下降。

综上所述，将其含碳量控制在2.8-3.3%，以保证高铬铸铁性能的稳定。

2.2 铬

铬作为一种强碳化物元素，在高铬铸铁中，主要是用来决定碳化物的种类，辅之足够的碳化物的数量，从而提供足够高硬度和耐磨性。

铬在高铬铸铁中的碳化物常有M3C、M7C3和M23C6几种，其中以M7C3硬度耐磨性最高，因而在高铬铸铁中以获得性能更好的共晶碳化物M7C3为目的。

为解决材料硬度和韧性相匹配的问题，美国在20世纪30年代后期，对含铬量10%～30%的合金白口铸铁进行研究，发现含铬量大于12%时，碳化物由渗碳体(Fe3C)转变为Cr7C3型碳化物，它的硬度高，组织形态为菊花状、条块状，因此韧性大幅度提高。但铬含量过高会形成M23C6，同时增加残余奥氏体量，使硬度降低，耐磨性降低。

同时，铬含量的增加，有助于提高淬透性，以及控制珠光体的形成，增加铸态奥氏体的量，提高韧性。

所以在保证不形成M23C6的前提下，铬的含量应高一些。同时考虑到铬碳比，最终将铬含量控制在18-25%之间。

2.3 钒、钛

传统高铬铸铁是以加入昂贵的钼、铜改善其韧性的，生产成本很高。近年来国内外研究的共同方向是改变碳化物的种类与分布，以达到优良的力学性能，但结果并不十分理想，耐磨性和韧性在工况条件下总是不能达到良好的配合。近几年，基于对综合力学性能的进一步改善，细化晶粒这一手段开始扮演更着加重要的角色。同时考虑到生产成本，采用微量元素钒、钛来取代价格昂贵的钼、铜，来提高高铬铸铁的韧性。

钛在合金中具有细化晶粒的作用，其碳化物TiC的硬度、耐磨性很高，但加入过多时，会引起高熔点硬质相的增加及粗大，这样不仅不能细化晶粒，反而会使碳化物析出，降低强度和韧性。故将其加入量控制在0.05%。

钒加入合金中，也可以起到细化晶粒的作用，同时在锰的作用下会使淬透性显著提高，使合金铸铁硬度、韧性增加。当含量为0.6%时，HRC达到最大值。而冲击韧性也随钒的含量增加而增加，当达到0.8%时，达到极值，加入量略高时，冲击韧性又开始降低。[3]故将其含量控制在0.6-0.8%之间。

2.4 硅、锰

硅在高铬合金铸铁中的含量是严格控制的元素，硅溶入基体中，降低了碳在奥氏体中的溶解度，由于硅的溶入，过多的碳碳又和铬形成了共晶碳化物，降低了铬在奥氏体中的溶解度，使奥氏体变得不稳定，有促使奥氏体向屈氏体转变的可能性。因此，硅是一种降低淬透性元素，故硅的含量应小于0.8%。

锰为常规元素，溶于基体中是提高淬透性的元素，有脱氧、除硫的作用，但它会降低马氏体转变开始点（MS），含量不宜大于1%，故锰量控制在0.4-1.0%

2.5 稀土

铸铁中加入稀土可以与铁液中的氧和硫有较大亲和力，净化铁液。另外，由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物择优长大的方向上，使碳化物的生长受到抑制，从而使其变得均匀、孤立，而其他变质元素可以形成弥散分布的碳、氮化合物，阻止晶粒长大，提高碳化物的形核率，从而细化晶粒。

高铬铸铁经适量的钒钛稀土复合变质后，基体组织细化，碳化物由长条状变为团块状；硬度、耐磨性、冲击韧性都有提高，尤以冲击韧度明显。[4]过量的稀土会降低高铬铸铁的强韧性且会形成部分杂质，故稀土的加入量取0.05-0.1%为宜。

硫、磷为有害元素，应在生产中严格控制其含量。

3 结论

3.1 成分为（质量分数，%）：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。合理的成分选择使显微组织为屈氏体基体上弥散分布着M7C3共晶碳化物。

3.2 适量的钒、钛和稀土可使高铬铸铁组织细化，碳化物的形态分布改善，马氏体含量增加，硬度、耐磨性和韧性都会有所提高。

[1]董魁光.高铬铸铁译文集[C].鞍钢机修总厂,1981，1.

[2]谭宠予，周庆德等.铬系抗磨铸铁[M].西安交通大学出版社,1986:175.

[3]刘少平，苏丹，孙凯，刘忆.钒、钛对高铬铸铁中碳化物形态及耐磨性的影响[J].热加工工艺,2006,(35):30-31.

[4]富利清.刘忆.稀土钒钛高铬白口铸铁衬板的研制[J].现代铸铁,2004，（12）:41-42.