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知识篇:碳、硅、锰、钼等元素对高铬铸铁有哪些影响?

碳、铬两元素是决定高铬铸铁组织、性能的主要元素。但是单纯依靠两种元素还不能使高铬铸铁完全达到对高质量抗磨铸铁铸件的性能要求。经过多年研究及生产实践,已经确认了其中多种元素的有效性。高铬铸铁中常用的合金元素有:钼、硅、锰、铜、镍、钒、铌等。

在高铬铸铁中加钼可提高γ-Fe向α-Fe转变时的形核功,降低转变时晶格重组速度,使转变孕育期加长,降低奥氏体临界冷却速率,使基体组织的淬透性提高。

在碳量相同的情况下,增加合金元素(除钴和铝)一般都会降低Ms。但是,高铬铸铁加钼能够有效地提高Ms温度,减少室温组织中的残余奥氏体量。这是因为固溶于γ-Fe中的钼能显著降低γ-Fe含碳量,碳含量降低对Ms的影响远大于钼降低Ms的影响,因而钼能有效提高Ms温度,因此认为钼是有效提高高铬铸铁硬化性元素。冷却缓慢的厚壁高铬耐磨铸铁件,加钼1%-2%就能使淬火后产生足够的马氏体组织,获得较高的淬火硬度。    

钼在高铬铸铁中主要以三种方式存在:    

①与碳结合形成钼碳化合物。加入高铬铸铁的 钼约有50%消耗于直接与碳化合形成的以Mo2C为主的碳化物。Mo2C是含钼高铬铸铁中主要的碳钼化合物。这种碳化物的硬度高于Cr7C3。Mo2C呈细小点状,多以α+Mo2C共晶形态存在。在含铬高的铁水中,钼也和碳形成(Mo、Fe)23C6,使铁液中一部分碳原子固定在化合物中。钼的碳化物都是能有效抵抗各种磨料侵蚀的硬质相,它们的存在对提高高铬铸铁耐磨性有利。   

②溶入铬碳化合物中。含钼高铬铸铁的铬碳化合物中含有一些钼元素。溶入碳化物的钼使(Fe、Cr)7C3的硬度和强度都得到改善,相应改善了材料抗磨性能。    

③固溶于奥氏体及其转变产物。钼以置换铬原子方式固溶于奥氏体及其转变产物。钼强烈推迟奥氏体的珠光体转变,使高铬铸铁连续冷却转变曲线向右推移,有效提高基体金属的淬透性。    

钼在高铬铸铁的加入量一般应根据含铬量、铬碳比和高铬铸铁件厚度而定。如果含碳量高、铸件较厚、铸件冷却较慢,则应加入较多的钼。  

   

高铬铸铁中的硅既是常存元素,也可视为合金元素。   

常存硅元素在高铬铸铁中的作用有以下两方面:

①溶于固相中,对基体产生固溶强化作用。这种固溶强化作用强于锰、镍、铬、钨、钼、钒等。硅能显著提高奥氏体及其转变产物的弹性极限、屈服强度、屈服比、疲劳强度。这些强度性质的改善,有助于提高材料的抗磨能力。   

②与铬与锰相比,硅与氧有较大亲和力。在熔炼过程中,硅有良好脱氧能力,能防止铁水氧化。特别是它保护铁水中含量很高的铬元素,避免铬过量氧化烧损。

作为合金元素的硅在高铬铸铁中的作用有:   

①固溶于γ-Fe中的硅,能减少铬和碳在γ-Fe中的溶解度。亚共晶高铬铸铁中的碳化物含铬量将会增加。   

②硅降低富铬奥氏体临界冷却速率,有利于提高高铬铸铁的淬透性。    

③硅提高高铬铸铁的Ms点。就改变Ms的效果而言,硅的能力约为钼的一倍,因而有助于增加马氏体转变量,减少铸态或淬火后的高铬铸铁中残余奥氏体量。

④硅缩小高铬铸铁共晶反应的温度范围,使共晶碳化物变得较为细小,分布变得较为弥散。    

锰    

锰是高铬铸铁中的常存元素。高铬铸铁中的锰既进入碳化物,也溶入奥氏体。锰对高铬铸铁中铬碳化合物的数量、结构没有显著影响。

溶入奥氏体的锰,主要有下面几个作用:    

①扩大基体内的γ-Fe相区,推迟珠光体转变孕育期,提高高铬铸铁的淬透性。但是没有钼和镍的作用强烈。    

②在高铬铸铁凝固过程中,锰改变初生奥氏体析出温度和凝固温度范围。含锰较高的先共晶奥氏体量增加,枝晶细化,相应地减小了共晶组织的尺寸。    

③锰促进贝氏体转变。调整高铬铸铁的铬碳比、硅锰比、控制合适的加锰量,并通过热处理可以制造出具有奥氏体-贝氏体组织的高铬铸铁。这种高铬铸铁的综合力学性能和抗磨能力都比较好。    

④降低Ac3和Ms温度。高铬铸铁中的锰有稳定奥氏体组织的作用。当高铬铸铁中锰达到较高浓度时,其奥氏体基体可直接保留至室温下。生产马氏体高铬铸铁时,铸件淬火组织中可能出现较多残留奥氏体。    

高铬铸铁中含有适量的锰元素,对于提高铸件强韧性,改善淬硬性和耐磨性都是有益的。合理加锰量与铬碳比和铸件的厚度有关。