铬在铸铁中地作用Word文档下载推荐.docx
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1184℃时，
L＋K2→γ＋KC
795℃时，
γ＋K2→α＋KC
这三种碳化物的晶体结构类型及其溶解碳和铬的能力见表6—1。
由图6—2可以看出，铬对铁碳合金中碳化物的相结构有重要影响。
当铬含量很低时，铁碳合金中的碳化物为KC；
铬含量较高时，碳化物主要为K2；
而只有当铬含量大于60%时，才可以在很窄的含碳量范围里析出K1相。
这些碳化物可以和γ相形成共晶体，如果合金是亚共晶成分，则凝固时先析出γ相，当铁液成分达到共晶成分时，析出γ相和碳化物共晶体；
如果合金是过共晶成分，则先析出碳化物，然后析出共晶体。
表6—1Fe-C-Cr中碳化物结构类型及其溶解碳铬能力
碳化物类型
晶格结构
晶格常数
密度
溶解C、Cr的能力
（Cr,Fe）3C
斜方晶系
a=4.52
b=5.09
c=6.74
7.67
6.67%C,<
20%Cr
（Cr,Fe）23C6
面心立方晶系
c=10.64
6.97
5.6%C,<
59.0%Cr
（Cr,Fe）7C3
六方晶系
a=6.88
b=4.54
6.92
9%C,与α相平衡时，Cr=26.6～70%
通过γ三角区右边的斜线，可以大致估算出获得全共晶组织时铸铁中铬和碳含量的关系（见表6—2）。
表6—2铸铁中全共晶组织时Cr—C含量（%）
Cr
C
15
3.6
20
3.2
25
3.0
图6—3为Fe-C-Cr三元相图中含铬量分别为5%、13%和25%的等铬量垂直截面图，从中我们可以了解到不同成分的Fe-C-Cr合金冷却过程中组织转变。
6—3Fe-C-Cr三元相图等铬量垂直截面图（点击放大）
（a）含Cr5%;
（b）含Cr13%;
（c）含Cr25%
K1─（Cr,Fe）23C6；
K2─（Cr,Fe）7C3；
KC─（Cr,Fe）3C
许多学者的研究表明，铬对Fe-C相图有以下影响：
（1）减小γ相区，并使共析点左移，γ相中碳的最大溶解度降低，当铬量达到20%时γ相区缩为一点，不再有单独的γ相存在；
（2）使δ相的稳定温度降低；
（3）使α相的稳定温度升高；
（4）随着铬含量的提高，碳化物由（Fe,Cr）3C型依次向（Fe,Cr）7C3和（Fe,Cr）23C6型转变。
由于铬对铁碳合金组织的上述影响，使铬在耐磨铸铁中得到广泛应用。
二、含铬铸铁中的初生碳化物
T.奥希德（T.Ohide）用含碳量为4.3%的过共晶铸铁研究了不同铬含量对铸铁中初生碳化物的影响。
结果表明，当含铬量为2～5%时，铸铁中初生碳化物为（Fe,Cr）3C型，试样由外表向中心逐层凝固。
随着铬含量的提高，试样体积凝固特征增强，当铬含量为20～30%时，初生碳化物为（Fe,Cr）7C3型，试样具有明显的体积凝固特征。
用扫描电镜观察初生碳化物的形貌，（Fe,Cr）3C型碳化物为表面带有沟槽的片状，而（Fe,Cr）7C3型为相互交织的六角形杆状。
在过共晶高铬铸铁中，初生碳化物常常处于共晶晶区的中心。
由此可以推断，在这种条件下，共晶转变首先在初生碳化物周围开始进行。
三、含铬铸铁中的共晶组织
在莱氏体共晶中渗碳体是领先相，而对于高铬铸铁而言，在（Fe,Cr）7C3型碳化物与奥氏体共晶中奥氏体是领先相。
高铬铸铁的共晶属于纤维状的小晶面（碳化物）──非小晶面（奥氏体）共晶，其特征是奥氏体连成一片，在奥氏体或其转变产物上分布着硬而脆的纤维状碳化物（Fe,Cr）7C3，这些碳化物有许多是空心纤维。
高铬铸铁所具有的这种组织特征使其韧性有一定程度的提高。
共晶转变的温度区间对铸铁的共晶组织形貌有影响。
当共晶转变温度区间较小时，共晶晶区的外形较平坦，碳化物尺寸较小，而且均匀。
铬含量对高铬铸铁共晶转变温度区间有影响，图6—4为实测铬含量与共晶转变温度区间的关系。
从中可以看出，含铬30%时共晶转变区间最小，只有20℃左右；
含铬15%时，共晶转变温度区间最大，大约为65℃。
6—4共晶转变温度与铬含量的关系
四、铬系耐磨铸铁
按照含铬铸铁的组织结构和使用情况，铬系铸铁可以分为三大类：
第一类为具有良好高温性能的铬系白口铸铁。
这种铸铁含铬量为33%，其组织多数为奥氏体和铁铬碳化物，有时也出现铁素体。
这种合金除具有一定的耐磨性外，在温度不高于1050℃的高温工作条件下，具有良好的抗氧化性能，也适用与在低腐蚀条件下工作。
第二类为具有良好耐磨性的铬白口铸铁（简称高铬铸铁）。
这种铸铁中除含有12～20%的铬外，还含有适量的钼。
这类铸铁凝固后的组织为（Fe,Cr）7C3型碳化物和γ相。
在随后的冷却过程中，γ相可部分或全部转变为马氏体。
当基体全部为马氏体时，这种合金的耐磨性能最好。
如果基体中存在部分残余奥氏体，则在载荷作用下，在磨损过程中仍会有一些残余奥氏体转变为马氏体。
为了获得良好的耐磨性能，希望这种合金中的奥氏体全部转变为马氏体。
但在铸态下，这种转变往往是不充分的，因此这种合金通常要进行热处理。
第三类为低铬合金白口铸铁。
与普通白口铸铁相比，这种铸铁中碳化物的稳定性更好。
这是因为在这种合金的凝固过程中，铬可以完全溶入碳化物中，而使凝固后得到的碳化物相稳定而不分解。
目前在高合金白口铸铁中使用最广泛的是高铬铸铁，下面详细介绍这种铸铁。
1.高铬铸铁的化学成分与组织
高铬铸铁中的主要合金元素是铬。
铬含量在10%以上时才能可靠地得到（Fe,Cr）7C3型碳化物。
铬除形成碳化物外，还有一部分固溶于γ相中，提高其淬透性。
高铬铸铁的淬透性与铬和碳的含量有关，随铬碳比的增加，淬透性提高，高铬铸铁的铬碳比通常为4～8。
高铬铸铁的性能与其碳化物的含量有直接关系，提高碳化物含量，可以提高其抗磨性，但韧性和淬透性降低。
高铬铸铁中碳化物的含量与其碳和铬的含量有关，其定量关系可由下式表示
K%＝11.3C%+0.5Cr%－13.4
由上式可见，提高碳和铬的含量，可提高碳化物的百分含量（K%），其中碳的作用比铬大得多。
为了提高高铬铸铁的淬透性，往往在高铬铸铁中加入一定的合金元素，这些元素通常是钼、镍、铜等。
有时高铬铸铁中还含有少量的钒、硼等元素，其中钒可以使碳化物球化，并细化高铬铸铁的组织，从而使其韧性提高；
硼可促进碳化物的形成，并固溶于金属基体中，提高其显微硬度。
高铬铸铁的成分可参见表6—3。
表6—3美国Climax钼公司高铬铸铁成分及硬度
表中15-3是指Cr15%-Mo3%，15-2-1是指Cr15%-Mo2%-Cu1%，20-2-1是指Cr20%-Mo2%-Cu1%。
在15-3牌号中，高铬铸铁又按碳的高低分为四类，其中低碳的韧性好但硬度低，适合于冲击载荷比较大的工况，高碳的硬度高，但韧性相对较差，适合于冲击载荷较小的场合。
2.高铬铸铁的铸造性能
高铬铸铁的铸造性能较差，表6—4为几种含铬铸铁的铸造性能，由于高铬铸铁的导热性低，塑性差，收缩大，其热裂和冷裂的倾向都比较大。
表6—4几种含铬铸铁的铸造性能
3.高铬铸铁的热处理
要获得具有理想的金相组织和良好的耐磨性的高铬铸铁，热处理是十分重要的环节。
图6—5为一种高铬铸铁的等温转变曲线。
图6—5高铬铸铁等温转变曲线
成分（%）：
C2.45%Cr20.2%Mo1.52%
（a）未去稳定处理（b）去稳定处理1000℃/20min
图中所示去稳处理是指升温至奥氏体化温度，析出二次碳化物，使奥氏体中的碳及其它合金元素含量有所降低，从而使奥氏体的稳定性也有所降低的处理过程。
若把珠光体转变鼻子在时间轴上的位置称为珠光体时间，则珠光体转变时间（τ珠）与合金成分的关系可用下式计算：
lgτ珠＝2.61－0.51C+0.05Cr+0.37Mo，s
此式适用于下述成分的合金：
C1.95～4.31%,Cr10.8～25.8%,Mo0.02～3.80%。
对于连续冷却过程可以采用连续冷却转变曲线（CCT曲线）。
图6—6为一种高铬铸铁的连续冷却转变曲线，由该图可以预计不出现珠光体的临界试棒尺寸。
对于不同成分的高铬铸铁，不出现珠光体的临界试棒尺寸可用下式估算（D）：
lgD＝0.32＋0.158（Cr/C）＋0.385Mo,mm
图6—6高铬铸铁的连续冷却转变曲线
奥氏体化处理：
1000℃/20min
化学成分%
15-3
15-2-1
20-2-1
超高碳
高碳
中碳
低碳
C
3.6～4.3
3.2～3.6
2.8～3.2
2.4～2.8
2.8～3.5
2.6～2.9
Cr
14～16
18～21
Mo
2.5～3
1.9～2.2
1.4～2.0
Cu
－
0.5～1.2
Mn
0.7～1.0
0.5～0.8
0.6～0.9
Si
0.3～0.8
0.4～0.8
0.4～0.9
S
＜0.05
P
＜0.10
＜0.06
空冷时不析出
珠光体的最大
断面，mm
70
90
120
200
＞200
硬度HRC
铸态
51～56
50～54
44～48
50～55
淬火
62～67
60～65
58～63
60～67
退火
40～44
37～42
35～40
38～43
表6—3美国Climax钼公司高铬铸铁成分及硬度
表中15-3是指Cr15%-Mo3%，15-2-1是指Cr15%-Mo2%-Cu1%，20-2-1是指Cr20%-Mo2%-Cu1%。
铸铁
温度，℃
密度
g/cm3
收缩,％
流动性
（1400℃）
mm
热裂倾向等级
液相线
固相线
线收缩
体收缩
Ni-Hard2
1278～1235
1145～1150
7.72
2.0/
（1.9～2.2）
8.9
400/
（310～500）
1/（1～2）
高铬白口铸铁（C2.8，Cr28，Ni2）
1290～1300
1255～1275
7.46
1.94/
（1.65～2.2）
7.5
350/
（300～400）
3/（3～4）
高铬白口铸铁（C2.8，Cr17，Ni3，Mn3）
1280～1300
1240～1265
7.55～7.63
（370～500）
珠光体白口铸铁
1340～1290
7.66
1.8
7.75
240/
（230～260）
＜1
高铬白口铸铁（C2.8，Cr12，Mo1）
1280～1295
1220～1225
7.63
1.83/
（1.8～1.85）
7.8
530/
（500～560）
2/（2～3）
高铬白口铸铁（C2.3，Cr30，Mn3）
1270～1280
1.7～1.9
375～400
注：
1.表中分数的分子为平均值；
2.热裂倾向值越小，热裂倾向越大；
3.铸铁化学成分为％
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