新型耐磨材料含碳化物的等温淬火球墨铸铁CADI简介全

新型耐磨材料——
含碳化物的等温淬火球墨铸铁
摘要：CADI是一种新型耐磨材料，具有较高的耐磨性和较好的强韧性，广泛应
用于机械制造领域,越来越收到人们的重视。

本文详细介绍了CADI的主要元素的作用及其含量范围、等温淬火热处理工艺、CADI显微组织和性能特点，并举例
说明了CADI在矿山和农机等上面的应用。

关键词：耐磨材料 CADI 等温淬火奥铁体
1、我国耐磨材料现状
在冶金、矿山、港口、电力、煤炭、建材及军事等各个工业门中，许多工件及设备由于磨损而迅速失效。

材料磨损虽然很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。

2004年北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了世界一次能源的三分之一。

我国每年因磨损造成的经济损失在1000亿元人民币以上，仅磨料磨损每年就要消耗30多万吨金属耐磨材料，且还以每年15%的速度在增长。

高寿命耐磨材料的研制和使用，关系到国民经济的长期稳定发展。

我国常使用的耐磨材料有普通白口铸铁、高锰钢、镍硬铸铁和铬系白口铸铁，然而他们都有自己的缺点，在使用过程中常常达不到理想的效果。

普通白口铸铁韧性较低，高锰钢在低冲击载荷下加工硬化能力差，高铬铸铁在腐蚀性介质的湿磨损条件下耐磨优势不大。

但是，有一种新型耐磨材料能够克服这些缺点，而且它具有较高的强韧性、耐磨性和良好的综合力学性能。

这种新型耐磨材料就是含碳化物的等温淬火球墨铸铁，即CADI，本文对其进行了介绍。

2、CADI的制备
CADI的制备主要分为两个步骤。

第一步，要熔炼浇注出合格的球铁毛坯试样，在熔炼时要注意获得较高的球化率和一定的碳化物含量，材料的化学成分设计也十分重要。

第二步，对试样进行等温淬火热处理。

2.1 化学成分
熔炼时加入合金的目的第一是增加淬透性，能保证等温淬火时组织的均匀性。

第二是改变低碳球铁C 曲线的形状和位置，让C 曲线右移，并使其形状变为具有2 个鼻子、贝氏体转变区鼻子突出的S 曲线。

另外，与ADI相比较，CADI中
含有碳化物，所以在成分设计时要加入一些碳化物形成元素如Cr等。

各元素作用如下。

碳是稳定奥氏体元素，可以显著推迟贝氏体转变。

CADI中一部分碳形成了碳化物，一部分形成了石墨，金属液凝固时石墨化膨胀可以减少铸件缩松，因此选择碳含量应该适当的高一些。

但是，过高的碳含量会产生石墨漂浮。

综合考虑，碳的质量分数应控制在3.0%-4.0%。

适量的硅可以提高CADI冲头的耐热性。

另外，硅的石墨化能力相当于碳的1／3，强烈促进石墨化，故增硅能增加石墨球数量，细化石墨，提高石墨圆整度。

硅还能减少白亮区、细化贝氏体。

故适当的含硅量可以提高CADI的塑韧性。

但是，硅含量不宜过高。

CADI的基体上分布的碳化物能大大地提高材料的耐磨性，所以要合理地控制硅含量。

硅量过高还会导致石墨粗大和石墨漂浮。

综合考虑，Si的含量应该控制在2.0%-3.0%。

适量的铬可以提高CADI冲头的耐热性。

CADI与ADI比较最大的特点是基体中有一部分碳化物的存在，这主要是靠铬元素在液态金属的凝固过程中产生的，并且铬系碳化物比较稳定，在高温奥氏体化的过程中不易分解。

但是铬含量不能过高，以免形成体积分数过高的碳化物和大块的初生碳化物，降低材料塑韧性。

综合考虑，铬含量应该控制在0.7%-1.4%。

锰价格便宜，可以提高材质的淬透性。

但锰是严重的正偏析元素，凝固后在晶粒边界偏析，恶化组织，是产生白亮区，降低材料强度、延伸率和冲击韧性。

综合考虑，锰含量应该控制在1.0%-2.0%。

钼是碳化物形成元素，比锰更容易产生共晶碳化物。

这种碳化物非常稳定。

由于钼和锰有相同的性质，因此较高的钼对奥铁体球墨铸铁的强度和韧性都起降低作用。

但是钼具有良好的淬透性，它阻碍珠光体转变，不阻碍针状铁素体转变；另外它不延迟中间转变，但是价格比较昂贵，所以他的成分为0.2%-0.4%之间。

一般，CADI化学成分控制见表1。

表1 CADI主要元素含量（参考）
C Si Cr Mn Mo P S
3.0%-
4.0% 2.0%-3.0% 0.7%-1.4% 1.0%-2.0% 0.2%-0.4% <0.06% <0.03%
2.2 等温淬火
等温淬火是将试样加热到一定温度Ac1+70℃～100℃，保温一段时间，然后迅速淬人一定温度（200-350℃），保温一段时间。

CADI的热处理包括四个工艺参数：奥氏体化温度；奥氏体化时间；等温淬火温度；等温淬火时间。

其典型的CADI热处理工艺示意图见图1所示。

图1 CADI的典型等温淬火的示意图
由于CADI中出现了奥氏体、铁素体、石墨的共析三项区，热处理时必须保证铸态材料完全进入奥氏体化区域，因此本课题的实验材料奥氏体化温度控制在Ac1+70℃～100℃。

需要注意的是CADI中含有一定数量的碳化物，在热处理的过程中需要保留一部分碳化物不被分解。

一般，对于奥氏体化温度的确定应该综合考虑各种因素，较高的奥氏体化温度利于组织的转化与均匀化，提高残余奥氏体的含量，提高韧性；但是过高的奥氏体化温度会使奥氏体晶粒粗大，反而降低了材料的性能；同时兼顾CADI中保留一定量的碳化物。

奥氏体化时间受多个因素的影响，与奥氏体化加热的温度有关系，也与热处理设备，工件大小以及CADI中碳化物的分解速率等有密切关系。

此外，文献认为925℃以下加热奥氏体化基本不会出现奥氏体长大现象。

等温淬火温度过低，转变孕育期延长，碳的扩散速度大大降低，很难形成高碳奥氏体从而导致残余奥氏体不稳定，从盐浴温度到室温空冷的过程中低碳不稳定的奥氏体容易变成马氏体，从铁素体中析出的碳不易扩散，只好停留在铁素体内，使室温组织中残余奥氏体的量增大，延伸率提高，而硬度下降。

等温淬火温度过高，碳的扩散速度明显加快，富碳奥氏体中的碳元素在奥氏体晶界及铁素体的周围聚集而形成碳化物，导致其力学性能急剧下降。

随等温温度的降低,贝氏体的形态发生双重变化，即从单一的上贝氏体组织向上贝氏体和下贝氏体混合组织转化直到最后全部转为单一下贝氏体组织,同时,贝氏体形态逐渐由粗大变细小,随着等温温度的降低,残余奥氏体含量逐渐变少。

捷克的E.Dorazil等人提出了盐浴等温转变曲线如图2所示。

第一阶段，奥氏体中含碳量随着铁素体形核和长大而逐渐增高。

由于转变时间较短，此时奥氏体中的含碳量较低，室温时很不稳定，极易在随后的空冷过程中形成马氏体。

随等温时间的延长，铁素体量增加，残余奥氏体的含碳量也越来越高，稳定性越来越强。

第二阶段，转变速度相对较慢，铁素体开始侧向长大，此阶段奥氏体的含碳量也达到最高，室温的稳定性也最强。

第三阶段，转变速度再次加快，富碳的残余奥氏体开始分解成铁素体、渗碳体的混合组织，形成传统意义中的贝氏体。

图2 等温转变动力学曲线
以上三个阶段基本概况了等温转变的整个过程，保温时间过短与过长对材料的性能都不利，最佳时间是在第二阶段完成，第三阶段还未开始时出炉，以获得较好的性能。

3、CADI的组织和性能特点
图3为CADI的典型金相组织图，可以看出组织由四个相所组成，即石墨球、碳化物以及奥氏体与针状铁素体的混合组织（称为奥铁体）。

石墨球较圆整，对基体的割裂程度降低到了最低，使基体的有利作用发挥到了最大。

CADI的基体组织为奥铁体，具有较好的强韧性。

组织中含有一定量的碳化物，提高了材料的硬度和耐磨性。

另外，在工作过程中CADI材料表面的一些残余奥氏体会受力诱变成马氏体，表皮硬度增大，提高了材料的耐磨性，在实际生产中具有重要意义。

图3 CADI金相组织
CADI是一种新型耐磨材料，其强度高，韧性好，硬度高，耐磨性好，具有优良的综合力学性能，而且CADI冲击载荷下加工硬化能力好，比重小，成本低，适应于多种工况条件。

4、CADI的应用
由于CADI高的强韧性、高的硬度、好的耐磨性以及优良的综合力学性能，它在冶金、矿山、建材及农机等多个领域得到了广泛的应用。

磨球是冶金矿山行业消耗最多的金属料，我国每年冶金矿山磨球消耗量约为120多万吨。

刘金海等人研究了新型耐磨材料CADI磨球，使得磨球的使用寿命提高了1倍，在使用过程中加工硬化效果明显，越用越耐磨，节能，对衬板泡花作用减小，降低了成本，提高了生产率。

除磨球外, 衬板也是球磨机中消耗较大的部件。

利用铸造余热激冷等温淬火热处理工艺, 可获得性能优异的CADI 衬板, 硬度达到55 HRC, 冲击韧度12 J/cm2以上, 用于φ2.2 m 水泥熟料球磨机衬板, 使用寿命比高锰钢提高1倍以上。

CADI在农业机械零件上应用也较多。

CADI 在农机犁铧上获得成功应用, 其硬度为53～58 HRC, 冲击韧度为11～28 J/cm2, 实际装机试验表明, CADI 犁铧的使用寿命是低合金钢犁铧的3 倍以上, 而生产成本却降低了20%, 具有很好的技术经济效益。

由于CADI 具有优良的强韧性和耐磨性, 已成为21 世纪人们关注的热点材料和技术之一。

CADI 的性能特点已被人们逐渐认识并加以利用, ADI 的生产工艺技术条件和相应的热处理设备也逐渐被人们所掌握, CADI 的应用领域将不断拓宽, 其产量将有较大幅度的提高, 生产技术水平也将逐渐提高。