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      高鉻合金鑄鐵化學(xué)成分的優(yōu)化分析

      2011-12-30 15:19:37張順
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2011年14期
      關(guān)鍵詞:淬透性含碳量鑄鐵

      張順

      (內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

      隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)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(yōu)異的耐磨性。[1]但傳統(tǒng)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(chǎn)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(xué)成分對硬度、耐磨性和韌性的匹配優(yōu)化問題。

      1 傳統(tǒng)高鉻鑄鐵化學(xué)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(shù)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(tǒng)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(xué)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(lián)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(xué)成分優(yōu)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(dāng)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(shù)量。含碳量過低,碳化物數(shù)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(zhuǎn)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(wěn)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(shù)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(fā)現(xiàn)含鉻量大于12%時,碳化物由滲碳體(Fe3C)轉(zhuǎn)變?yōu)镃r7C3型碳化物,它的硬度高,組織形態(tài)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(tài)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(yīng)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(tǒng)高鉻鑄鐵是以加入昂貴的鉬、銅改善其韌性的,生產(chǎn)成本很高。近年來國內(nèi)外研究的共同方向是改變碳化物的種類與分布,以達到優(yōu)良的力學(xué)性能,但結(jié)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(xué)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(chǎn)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(zhì)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(dāng)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(dāng)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(wěn)定,有促使奧氏體向屈氏體轉(zhuǎn)變的可能性。因此,硅是一種降低淬透性元素,故硅的含量應(yīng)小于0.8%。

      錳為常規(guī)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(zhuǎn)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(yōu)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(zhì)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(jīng)適量的釩鈦稀土復(fù)合變質(zhì)后,基體組織細化,碳化物由長條狀變?yōu)閳F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?xí)档透咩t鑄鐵的強韌性且會形成部分雜質(zhì),故稀土的加入量取0.05-0.1%為宜。

      硫、磷為有害元素,應(yīng)在生產(chǎn)中嚴格控制其含量。

      3 結(jié)論

      3.1 成分為(質(zhì)量分數(shù),%):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(tài)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(xué)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(tài)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(xiàn)代鑄鐵,2004,(12):41-42.

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