高铬抗磨铸铁生产技术相关的若干原理及实践问题辨析

 ;                    祖方遒，王崇，张文进    

    合金白口铸铁主要包括Cr系、W系、V系、Mn系等。其中，Cr系白口铸铁是实际应用最广泛的一大类，又包含低Cr、中Cr和高Cr三种系列。在Cr系高合金白口铸铁中，高铬白口抗磨铸铁(以下简称高铬铸铁)通常含铬量在12%-28%之间（或含有适量其它辅助合金元素)，主要用于制造抗磨铸件；Cr>30%的一类(铁素体基体）以耐蚀或耐高温应用为主，通常不作为抗磨材料；镍硬铸铁IV (Ni5%-7%, Cr7%-11%)及其它含Ni高的高合金白口铸铁，虽用于抗磨件，但由于Ni不再是辅助元素，通常也不归属于本文所指的高铬白口抗磨铸铁范畴。自1917年高铬铸铁作为一种铁基耐磨合金 (Cr25%-30%,C1.5%-3.0%)获得**个专利以来，经过多年研究探索,如今它已成为当代应用最广泛的优秀抗磨料磨损金属材料。自20世纪70年代初，我国在高铬铸铁的应用基础与生产技术上开展了较多研究，从而高铬铸铁在国内也获得了十分广泛的应用。本文结合其相关技术原理和实践，主要对高铬铸铁的成分、组织、性能以及热处理工艺规律予以阐述和剖析。

1高铬铸铁成分-组织-性能关系

高铬铸铁是Fe-Cr-C为基的合金系，常常添加Ni、Mo、Cu等元素进一步合金化，其服役性能主要取决于其碳化物（类型和数量）以及基体组织。了解与把握髙铬铸铁成分与组织、性能关系，是合理应用和生产高铬铸铁的关键。

①C对组织和性能作用

高铬铸铁C含量影响碳化物体积比及基体中的C含量，通常控制在C 2.0%至共晶成分之间。对于生产企业，当遇到髙铬铸铁件出现破碎、剥落或抗磨性不足问题时，对应地采取适当的降碳或升碳，是主要考虑的基本措施之一。其原理及规律分析如下：共晶C含量(图中自右下至左上的 斜线)随Cr升高而降低。合金化相同时，碳化物比例随C量而增多。因此，总体上看，相同基体高铬铸铁的宏观硬度随碳化物比例而上升，而韧性则随碳化物减少而改善。若C超过共晶点，则出现粗大的初生碳化物，严重恶化韧性指标，故高铬铸铁生产中应依据Cr量取亚共晶碳量。根据上述原理，强调高硬度则碳取偏高，而希望韧性好则碳取偏低，且Cr越高则C量上限控制越低，比如:Crl4%-18%的高铬铸铁，强调抗磨性时取C2.8%-3.6%范围（强调韧性时取C2.4%-2.8%), Crl8%-23%时取 C2.6%-3.2%范围（强调韧性时取 C2.0%-2.6%),而 Cr23%-28%时取 C2.3%-3.0%范 围；另一方面，基体中C量增加，则奥氏体稳定性增强且Ms(马氏体开始转变温度)下降，不利于奥氏体向马氏体转变而影响硬度；但奥氏体含C量过低，转变为马氏体后也难以获得高的硬度。

②Cr对组织和性能作用

Cr的作用主要体现在所形成碳化物类型，进而影响产品硬度和韧性。Fe-Cr-C合金系碳化物通常为三种，即(Cr，Fe)3C型、(Cr，Fe)7C3型、(Cr,Fe)23C6M碳化物，它们的硬度(HV)范围分别是1000-2300、 1300-1800和1140左右。可见，M7C3型碳化物硬度最高，M23C6次之。随合金中铬含量的增加，碳化物类型按M3C型—M7C3型—M23C6变化。这一经典规律虽总体正确，但不够明确。最新研究表明，即使Cr量高达20%-36%的白口铸铁, 其共晶碳化物仍然为M7C3型，只是其中Cr、Fe比例随铸铁Cr量而不同，如含Cr20%、27%、36% 铸铁的共晶M7C3分别为(Cr3.37, Fe3.63)C3,（Cr4.75, Fe2.25)C3 和(Cr5.55, Fe1.45)C3。关于共晶碳化物，目前统一的认识为，在低Cr白口铁中为M3C型，中Cr范畴对应为M3C+M7C3混合型，而〇>10%的 则为M7C3型。铬系白口铸铁在淬火处理的奥氏体化、随后冷却（较慢时）以及高温回火过程中，会析出二次碳 化物。多项研究表明，随铸件铬含量提高，二次碳化物总体符合上述M3C型—M7C3型—M23C6规律。 通常，Cr>20%的高铬铸铁（如Cr25、Cr28等)，二次碳化物以M23C6为主；而Crl2%-20%情况下， 既有单纯M7C3型，也有M7C3+M23C6两种类型二次碳化物的报道，这与其它成分或工艺条件不同有 关。可以明确的是，Cr/C比越高，高铬铸铁越趋向于析出M23C6型二次碳化物，Cr/C=7-10时M23C6占主导。碳化物类型及其硬度影响抗磨铸铁宏观硬度和抗磨性，根据以上碳化物形成规律，不难理解高铬铸铁的硬度及抗磨性明显优于低铬铸铁；也不难理解，Cr25-、Cr28-髙铬铸铁抗磨性则低于15Cr及 其它Cr量相对低的髙铬铸铁，不过在具有腐蚀介质的抗磨条件下，Cr25-、Cr28-的则更具优势。就韧性而言，凝固中M3C型共晶碳化物呈连续网状分布，共晶M7C3则呈非连续块状和条状，二次碳化物多以细小块状（保温时间长则有条状）分布于基体，因此高铬铸铁的韧性明显高于低铬铸铁。

Cr的作用还在于抑制奥氏体向珠光体转变（铸态及热处理冷却过程)，增强淬透性（但不如Mo、 Ni、Mn及Cu的作用强）。同时，Ms点随奥氏体Cr量而上升，对淬硬性有利。此外，Cr提高耐蚀性。Cr和C的综合作用常以Cr/C来衡量。除Cr/C比影响高铬铸铁二次碳化物类型之外，更重要的是，高铬铸铁的淬硬性（常以淬硬为马氏体的铸件临界直径或厚度衡量）随Cr/C比显著提高。 在Cr/C偏低时，淬火后髙铬铸铁中残余奥氏体（A残余)量偏高，这对硬度和抗磨性不利，此外，服 役过程若受强冲击易发生A残余-M相变，产生的相变应力可陆续导致发生大小不一的表面剥落，使抗磨件磨耗增大。如图所示的磨球出现了表面剥落现象（严重的球体已失圆），这种情况困扰着国内许多铸球生产企业。究其原因，除可能存在热处理工艺不当外，由于价格竞争和成本因素，许多企业将Cr降到接近10% (Cr/C<5.0,过低)，结果A残余量偏高所致。图示高铬铸球表面剥落实例 (Crl0-ll%,平均 Cr/C 比≈4.08)

③其它元素对组织和性能作用

  Ni、Mo、Cu是高铬铸铁常用的辅助合金元素。它们的主要作用在于抑制珠光体组织形成，这对于铸态下使用的抗磨铸件或者以空冷方式淬火期望获得马氏体组织的产品十分有用；对于厚断面抗磨铸件，即使采用油淬或其它介质中淬火,利用这些合金成分抑制珠光体是保障厚大铸件淬透性的关键。由于交叉增强作用，这些元素结合使用比单独使用效果更显著。

    Ni—般与Mo共同使用以提高淬透性。对于Crl2%-28%的抗磨铸件，其合理的加入范围为Ni 0.2%- 1.5%, Ni过高则因增强奥氏体稳定性则使淬火后存在大量残余奥氏体，反而对硬度和抗磨性不利。我国Ni资源贫乏价格昂贵，使用Ni更需慎重，必须用Ni时要注意上述原则，并非Ni越多越有利于抗磨。

Mo提髙淬透性作用约为Ni的三倍。对于需要优异抗磨性能的马氏体髙铬铸件，通常的加入范围为Mo0.5%-3.0%。从热处理工艺性能角度，Mo的**优点在于，提淬透性的同时并不引起奥氏体的过稳定（即不抑制A—M转变）所致残余奥氏体过多，因此对抗磨件淬硬性的改善相当显著，。Mo与Cu结合使用，加入量常为Mo0.5%-2.0%,这一成分组合对提高淬硬性十分突出，且比单纯加Mo更加经济。Cu在髙铬铸铁中不可超过1.2%,否则引起奥氏体的过稳定，对抗磨件的硬度和抗磨性不利。Mo在高铬铸铁中的作用还体现在细化组织，对韧性和硬度均有利。此外，Mo有效改进铁基合金在多种腐蚀介质中的耐蚀性，特别是对具有氯化物介质中的点腐蚀最为突出，在髙铬铸铁中也如此。

Mn可抑制珠光体转变，具有提高淬透性作用，但Mn降低MS点，在高铬铸铁中稳定奥氏体作用比Ni还强，所以Mn过髙则淬火组织中残余奥氏体会增加，降低抗磨性。高铬铸铁中Mn通常控制 在0.5%-1.5%范围，在油淬工艺下因奥氏体化保温后冷却快，Mn量取偏低为好；若铸件不进行淬火处理而仅以亚临界处理来提高硬度，为避免铸态珠光体，可适当提高Mn量（同时降Si)。在髙铬铸铁中，Si促进珠光体转变，降低淬透性，因此需谨慎控制其Si量，美国材料学会建议 高铬抗磨铸铁Si的上限为1.0%。若配料允许，高铬铸铁Si量应尽可能低。但对于同时存在较多Mo、Ni等元素而淬透性有保障情况下，因Si可提高MS点，反而有利于A转变，则提高Si对抗磨性有益。

2脱稳处理及其与高铬铸铁成分的关系

高铬铸铁的铸态基体组织通常是珠光体、马氏体和铸态奥氏体的不同比例组合，或其中某种单一基体类型，这与成分和铸件冷却条件有关。作为抗磨件，希望获得马氏体基体，所以髙铬铸铁件通常要进行淬火热处理。将高铬铸铁加热到奥氏体化温度，使奥氏体中C及Cr以二次碳化物形式析出，从而奥氏体稳定性下降，有利冷于却过程中马氏体转变，这一过程称为脱稳处理。脱稳处理是制取马氏体高铬铸铁的重要过程，其奥氏体化温度及其保温时间至关重要。当然，奥氏体化之后的淬火冷却方式及速度对二次碳化物析出过程及奥氏体稳定性也有不可忽略的影响。限于篇幅，本文暂不涉及奥氏体化保温时间及其后淬火冷却方式，主要讨论奥氏体化温度作用与选择。通常情况下，高铬铸铁的奥氏体化温度在950°-1000°C范围。但许多企业对高铬铸铁奥氏体化温度（所谓淬火温度）的选取往往存在盲目性，因为不明白其中原理和规律。对常规高铬铸铁，奥氏体化温度越高，则淬火冷却过程中奥氏体稳定性越高，最终残余奥氏体量越高，因此产品硬度就越低。但温度过低，则二次碳化物析出过多，奥氏体碳量过低，虽然利于马氏体转变，其中 C量过低也不利于获得髙硬度。因此，硬度有一个**值范围, 对应**的奥氏体化温度。**奥氏体化温度取决于铸件中C、Cr量及其它合金元素含量，当然与保温时间也有关联。Cr/C比增大，奥氏体化温度应随之提高。Cr<20%的高铬铸铁通常应取950-1000°C 范围，而Cr23%-28%的高铬铸铁取1000-1100 °C范围。

关于髙铬铸铁淬火处理上述奥氏体化温度的影响，有一重要的认知至今尚未引起人们重视，即含 Cr范围不同，温度影响的规律是相反的，这一点对实际生产工艺十分关键。为说明问题,先阐明Fe-C-Cr 相图中奥氏体溶解度（C量）与温度的关系。笔者通过考察国内外文献中发表的各种相图，所得到的结论是，对于Cr<20%的髙铬铸铁，如Crl3、Crl5、Crl7等Fe>C相图，随温度上升奥氏体溶解度是增大的，而对于Ci23%-28%的髙铬铸铁，随温度上升奥氏体中C的溶解度是降低的。据此，笔者推论：对于Cr23%-28%的髙铬铸铁，适度范围内提髙奥氏体化温度，由于降低了奧氏体中的含碳量，可明显地提髙产品最终硬度；而对于Cr<20%的髙铬铸铁，合适降低奥氏体化温度则有利于硬度提髙。笔者的上述观点，通过大量实验数据得到了验证，并在多例产品的工艺实 践中取得了显著效果。下面举两个实例予以说明。

实例1:某企业生产的混凝土搅拌机叶片，其材质属含Cr范围为23%-28%的髙铬铸铁，采用油淬处理工艺，原先淬火奥氏体化温度为980-1000°C范围，产品本体硬度HRC为56-58。用户普遍反映磨损严重情况，要求提髙产品硬度，否则不再接受供货。根据上述原理并 通过实验室数据，凯发登录为该生产企业拟定了奥氏体化温度为1050-1080°C范围内的淬火新工艺，结果产品本体硬度HRC可稳定在62-64,满足了使用要求。

实例2:某企业生产的端衬板材质属含Cr<20%的髙铬铸铁（含有少量辅助合金元素)，产品图纸供货指标要求为：HRC≥58-60, ak≥7J/cm2。企业以1000°C上下的奥氏体化温度反复调整油淬处理工艺，但产品本体硬度HRC始终在50以下。通过现场考察及解剖产品分析内在组织，当即为企业提出了技术整改方案，除了对稳定奥氏体化元素微量调整和热处理操作细节以外，尤其是将淬火加热温度降低到970°C上下适时保温（奥氏体化温度区间的加热方式也做了特殊调整以保障韧性)，结果一次成功，现场检测本体平均硬度HRC达63.8,且韧性得以提髙并满足要求。其原因为原工艺二次碳化物析出很少（温度偏髙)，工艺改进后二次碳化物（细小颗粒和点状）析出较多，本身一定程度提高硬度，同时导致奥氏体碳量减少而稳定性 降低淬火后马氏体转变彻底，故硬度显著提高。此外，因特殊奥氏体化加温方式使得一次碳化物棱角更加钝化，从而韧性改善。

上述两例均说明，对高铬铸淬火铁热处理，若生产中利用奥氏体化温度调整产品硬度，不同含Cr 范围其作用规律是完全相反的，若不懂得脱稳处理温度对奥氏体稳定性的作用原理以及相应的不同规 律，则效果会适得其反。

3高铬铸铁的亚临界处理

通常，高铬铸铁在淬态下或附加低温回火（200-250°C消除应力）后服役，但在一些情况下，可对高铬铸铁进行亚临界处理。高铬铸铁的亚临界处理,专指将其铸件加热到珠光体转变温度区间以下某一温度进行一定时间保温的特殊回火工艺。其最常见的方法是，在480-550°C范围选取合适温度保温5-12h。无论出于什么目的，需要了解亚临界处理过程中高铬铸铁组织及性能发生变化的规律及其原理，方能达到预期目标,若淬火后高铬铸铁基体主要为马氏体（残余奥氏体A残余很少），亚临界处理的组织变化则只是产生马氏体回火。体心立方的M正方度(c/a)有所降低，硬度稍有降低，消除或大大降低了淬火后过髙的残余应力，这对于厚大、复杂铸件至关重要，可防止服役过程中的零件发生破断。如果温度偏高及时间延长，出现亚稳的ε碳化物，甚至可能出现稳定碳化物长大，M正方度降低过大，则硬度下降更大， 这对抗磨性能不利。若温度过高，则将出现所不希望的珠光体转变。

如果淬火后高铬铸铁基体含有较多A残，亚临界处理过程析出二次碳化物，A残的C及合金元素下降从而稳定性降低，致使A残一M转变发生。这不仅消除了应力，而且因二次碳化物及M转变双重硬化作用提高了硬度，即所谓二次硬化。对此，存在合适的处理温度和保温时间，温度或时间不足, 则二次硬化效果有限，超过**温度或时间范围，则二次硬化效果又开始下降，甚至发生软化（M碳量过低)。这与A 残含量及其中碳过饱和度、以及合金元素等有关，A 残越多、碳过饱和度越大或碳化物形成元素含量越高，则达到**二次硬化效果的温度也越高，所需时间也越长。

对于大平板类及壁厚或结构复杂的高铬铸铁铸件，淬火处理存在的**问题是零件容易变形或开裂。对铸态零件采用单纯的亚临界处理工艺，不仅可以避免铸件高温热处理时的开裂和变形，并具有减少能耗、缩短周期等优点。其原理是通过亚临界处理析出二次碳化物，同时降低铸态A的稳定性, 致使发生A—M转变，双重作用达到提高硬度的目的。根据这一原理，单纯亚临界处理有效提高铸件硬度的基本前提是，铸态基体组织中无珠光体或比例很低，即存在较大比例的铸态奥氏体(其余是M)。 此外，硬化程度（硬度提高幅度）随A—M的转变量而不同，这些都是实际生产中必须注意的。该情况下，处理温度和时间的作用规律与上段阐述的相同。根据上述分析，亚临界处理可在多种情况下灵活运用，以解决高铬铸铁实际生产所遇到的难题， 这里举三方面的例子：（1)当厚大及结构复杂的高铬铸铁件服役中易发生断裂或破碎时，通过对淬火铸件附加亚临界处理消除应力，是最有效的措施（材质本身韧性没问题且无其它铸造缺陷)；（2)若淬火后高铬铸铁的硬度尚未达到指标要求，虽然重新调整工艺再进行淬火最为常见，但运用亚临界处理予以补救，是一种既简便又经济的方法。企业实践证明，合适的处理温度和时间，易于在淬态硬度基础上再提髙HRC4-8; (3)若淬火处理中零件容易变形或开裂，通常可采取降低热处理升温速度（厚大件650°C以下甚至低于30°C/h)、控制零件堆垛方式及出油温度等措施。若所有措施仍无法解决淬火变形或开裂问题，则单纯亚临界处理或许是最合适的方法（避免高温处理弊端)，但需注意铸态基体组织类别和比例，并据此选取合适工艺参数，方能获得预期硬度值，必要时还需考虑调整铸件成分。在铸态组织合适且亚临界处理工艺得当条件下，可在铸态硬度基础上再提高HRC5-10。

4结束语

在髙铬抗磨铸铁的材质选用及生产中，只有明确掌握其成分对组织、性能的作用原理和规律，才能够更有效地获得所期望的硬度、韧性及抗磨性能。脱稳处理和亚临界处理是调整高铬铸铁组织和性 能的主要工艺方法，理解并把握工艺参数对其组织和性能的作用机制和控制原则，技术实践中才能针对具体情况合理地选择方法和参数并获得预期效果。更多时候，应结合成分及工艺的两方面调整，以获得**抗磨性能。