高铬白口铸铁的化学成分控制与生产工艺！

华哥yu 2020-12-23

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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（α）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%

Cr=17%时共晶含碳量为3.5%

Cr=20%时共晶含碳量为3.2%

（α）值也可用下式求得：

α=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，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：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%

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。

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