基本介紹
- 中文名：鉻鑄鐵
- 外文名：Chromium cast iron
- 性質：一類鉻與鐵的合金
- 分類：低、中、高鉻鑄鐵
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鉻鑄鐵簡介
鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵發展起來的第三代白口鑄鐵。高鉻白口鑄鐵含鉻量大於11%，鉻、碳含量比值介於4~8之間。在這種條件下，高硬度的M7C3型碳化物幾乎全部代替了M3C型碳化物。M7C3型碳化物基本上是以孤立的中空六角形存在，與呈網狀連續分布的M3C型碳化物相比，大大增強了基體的連續性，因而整體材料的韌性顯著提高。高鉻鑄鐵已經是世所公認的優良的耐磨材料，在採礦、水泥、電力、築路機械、耐火材料等方面套用十分廣泛。
鉻鑄鐵
低鉻鑄鐵
為了提高鑄鐵的抗磨性，防止在鑄鐵中出現石墨組織，向鑄鐵中添加一定數量的碳化物形成元素鉻從而形成了低鉻鑄鐵。低鉻鑄鐵的含鉻量通常在(質量分數)2%～5%範圍內，為避免出現石墨，矽量應作限制。此外，為了調整低鉻鑄鐵的組織，進一步提高抗磨性，也可向低鉻鑄鐵中添加一定數量的Mo、Cu、Ni等合金元素。
由於鉻及其它合金元素的添加量較少，因此低鉻鑄鐵的組織與普通白口鑄鐵差別不大，圖2為含鉻量(質量分數)為2%的Fe-C-Cr平衡相圖，可見鉻的加入並未在相圖中增加新的組成相，只是一些特徵點的位置相對於不含鉻的Fe-C相圖發生了一些改變。
圖2含鉻2%的Fe-C-Cr平衡相圖
與普通白口鑄鐵相比，低鉻白口鑄鐵的碳化物為含有少量鉻的合金滲碳體(Fe、Cr)3C，維氏硬度也由840～1100HV增加到1000～1230HV。碳化物形貌也略有所改善，而基體組織則根據熱處理狀態的不同而不同，可以是珠光體、索氏體、馬氏體或它們的混合組織，同時可能伴隨有少量的奧氏體。隨低鉻鑄鐵中含碳量提高，組織中碳化物數量增加，鑄鐵的硬度略有增加。低鉻鑄鐵的鑄態組織通常為共晶碳化物+珠光體。
低鉻鑄鐵的化學成分根據零件使用的工況條件，可作相應的調整。隨含碳量增加，低鉻鑄鐵的碳化物數量增加(而且呈網狀形態存在於基體中)，硬度提高，韌性降低，衝擊較大的使用工況(如直徑較大的球磨機等用低鉻鑄鐵鑄球)易產生破碎現象，其含碳量應適當降低，圖3是低鉻鑄鐵的碳含量與硬度和相對耐磨性的關係。此外，隨鉻含量的增加，碳化物的形態和分布有所改善，使衝擊韌性、硬度以及疲勞抗力和衝擊磨損抗磨性有所增加，圖4為鉻對低鉻鑄鐵性能的影響。
圖3 低鉻鑄鐵的碳含量與硬度和相對耐磨性的關係
由於組織中大量碳化物的存在，低鉻鑄鐵的韌性與普通白口鑄鐵相當，但抗磨料磨損的抗磨性比之有較大的提高。因此，低鉻鑄鐵主要套用於球磨機磨球。
圖4 含鉻量對低鉻鑄鐵性能的影響
低鉻鑄鐵一般採用鑄態去應力處理，其基體組織為珠光體，即將鑄態鑄件在中、低溫度保溫適當時間以減少應力。為進一步提高低鉻鑄鐵的硬度，亦可進行高溫保溫一定時間後空冷並低溫回火的方式，獲得一定數量的馬氏體基體組織，此時為提高淬透性可添加一定數量的Mo、Cu或Ni等元素。
低鉻鑄鐵既可用沖天爐熔煉，亦可用電爐熔煉，還可用沖天爐與電爐雙聯熔煉。但用沖天爐熔煉時應注意控制鐵液的含碳量。通常低鉻鑄鐵鐵液在爐前採用稀土矽鐵進行孕育處理以提高綜合性能。稀土元素有改善碳化物形態、細化晶粒、脫氧、脫硫和淨化鐵液的作用。低鉻鑄鐵在爐前加入質量分數1%左右的稀土矽鐵合金，將對改善低鉻鑄鐵的衝擊韌性和抗磨性有一定的作用。
低鉻鑄鐵的鑄造性能基本與普通白口鐵相當，鑄造收縮率在1.6%～1.8%之間。
中鉻鑄鐵
中鉻鑄鐵的含鉻量(質量分數)在5%～10%之間，其共晶碳化物中既有(Fe、Cr)7C3又有(Fe、Cr)3C。通常中鉻鑄鐵的鉻含量(質量分數)選在8%～10%間。中鉻鑄鐵的化學成分根據基體情況不同而有所不同。以珠光體狀態使用時，一般選擇(質量分數)C：2.5%～3.6%，Si：0.5%～2.2%，Mn：0.5%～1.0%，Cr：7%～11%；當以馬氏體狀態使用時，還應加入Mo：0%～2%和Cu：0%～2%，以提高基體的淬透性。欲獲得符合使用要求的組織和性能，需要綜合考慮Cr/C和Si/C。提高Cr/C和Si/C，(Fe、Cr)7C3型碳化物量相對增加，碳化物硬度和形態相應得到增加和改善，鑄鐵韌性與抗磨性提高。另一方面，高的含Si量會降低鑄鐵的淬透性，低的含C量又會減少碳化物量，降低鑄鐵抗磨性，故需綜合考慮C、Si元素的影響。中鉻鑄鐵通常通過高溫空淬+低溫回火處理，獲得馬氏體+(Fe、Cr)7C3+(Fe、Cr)3C+殘餘奧氏體的金相組織。
空淬回火處理的中鉻鑄鐵是為減少使用Ni資源而開發出為取代鎳硬Ⅳ型鑄鐵的一種鑄鐵材料。中鉻鑄鐵的鑄造性能介於低鉻鑄鐵和高鉻鑄鐵之間且接近於高鉻鑄鐵，由於合金元素含量偏高，因而導熱性較差、收縮較大，因此在鑄件鑄造工藝設計時應給予足夠的注意。中鉻鑄鐵由於含鉻量較低鉻鑄鐵高，因此具有一定的抗蝕性，可用於中等衝擊載荷的磨料磨損和沖蝕磨損的工況。
高鉻鑄鐵
高鉻鑄鐵是指含鉻量(質量分數)大於12%的白口鑄鐵，它是國內外使用最為廣泛的抗磨鑄鐵之一。
高鉻鑄鐵是繼普通自口鑄鐵、鎳硬鑄鐵發展起來的第三代白口鑄鐵。已開發國家在60年代，我國在80年代初為滿足生產的需要並在感應爐的套用逐漸普及的前提下，高鉻鑄鐵才進入了較廣泛的實用階段。由於高鉻鑄鐵金屬組織的特點使得高鉻鑄鐵比普通鑄鐵具有高得多的韌性、高溫強度、耐熱性和耐磨性等，已被譽為21世紀最優良的抗磨料磨損材料，並得到廣泛套用。對於在常溫和高溫衝擊磨損條件下套用，高鉻鑄鐵更具有實用價值。
經典的高鉻鑄鐵是Cr15M03。隨著生產發展，按Cr含量控制範圍，通常採用Cr15、Cr20、Cr25三個系列。為滿足不同工況要求，除調整含碳量外，還輔以其他合金元素，如鎳、鎢、鉬等，形成多元合金高鉻鑄鐵。
高鉻鑄鐵的鑄態基體相似於耐熱鋼，為奧氏體型。這種組織的鑄鐵在高溫下使用，更能充分發揮材質本身的潛能。根據需要，通過熱處理，高鉻鑄鐵可獲得馬氏體基體或多相複合的基體組織。
各種不同成分範圍的高鉻鑄鐵都具有各自的性能和相應的使用範圍，只有當材料性能滿足特定的工藝要求時，才能發揮其潛力，取得最好的使用效果。
高鉻鑄鐵在各種條件下的各種性能、變化趨勢具有一定的規律，但由於影響因素較多，在試驗中採取多種固定條件，變化一種因素來進行研究，但這種固定與變化的做法只能是相對的，因此會在局部範圍內出現一些不太規律的變化。另外，高鉻鑄鐵所包含的鉻、碳範圍較寬，可供選擇的Cr/C區間較大，而不同選擇所引起的敏感性又較強，因此必須充分考慮工況條件，以利於選擇適當的研究範圍和取得最佳的套用效果。由於高鉻鑄鐵加工性能很差，也限制了試驗研究的數量和範圍。
在實際生產中，各種耐磨備件受到塊狀燒結礦、塊礦、焦炭及其他磨料的磨損時，滑移、劃傷、切削、研磨甚至鑿削是相互疊加在一起的。使用工況條件不同，衝擊力、溫度、冷卻條件等因素也對材料的磨損有較大影響，因此，材料的磨損過程是比較複雜的。複雜的工況條件對材料提出了多種要求，特別是冶金備件，經常是同時要求耐熱、耐磨和耐衝擊，因此應針對這些要求開發相適應的高鉻鑄鐵。為充分合理地利用鉻、碳及其他合金元素的作用，開發、完善和規範高鉻鑄鐵在冶金備件上的套用，必須對不同材料的高鉻鑄鐵的組織、結構、各種力學性能以及熱處理工藝進行系統的研究，以便獲得在高溫衝擊磨損條件下套用高鉻鑄鐵的基本概念、參數和多因素相互作用規律的結論；加深對合金元素套用的基礎條件的理解，以使得高鉻鑄鐵套用得以合理
推廣。備件在不同的工況條件下使用，選擇的高鉻鑄鐵材質也不同，要充分考慮壽命和成本的相互關係，以最合理的材質、最低限度的成本來取得最好的使用效果，以消除因使用高鉻鑄鐵而提高了成本、提高了一次性投入的不利因素，這樣才使高鉻鑄鐵具有實際的推廣套用價值。
