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·试验研究·碳化物在高铬铸铁高应力磨料磨损中的影响熊博文,张军,吴振卿(郑州大学材料工程学院,河南郑州450002 )摘要:对不同载荷作用下的高铬铸铁在耐磨实验机上进行了磨料磨损试验; 对在不同的碳化物对基体的保护作用与碳化物的剥离进行了相关的分析。
结果表明载荷在一定值以下磨损较为缓慢,当载荷超过一定值时,磨损急剧加剧,随着载荷的增加“尺寸较小”的碳化物首先剥离基体,当载荷继续增大时,“尺寸较大”的碳化物也剥离基体并有碎裂现象。
这要求高铬铸铁中的碳化物不仅要分布均匀,碳化物的尺寸也要合适。
关键词:高铬铸铁;高应力;磨料磨损;耐磨性中图分类号: TG14319 文献标识码: A 文章编号: 1004 - 6178 ( 2005) 06 - 0006 - 02Eff ec t of Ca rb i de on the H i gh S tre s s Gr i n d i n g A b ra s i on of H i gh C hrom ium Ca st IronX I O N G B o2w en, ZHAN G J u n, W U Zh e n 2q in g(M a teria l Eng i neering Co llege, Z h engzhou U n i versity, H e nan Z h engzhou 450002, C h i na )A b stra c t: The h ig h ch r om iu m wh ite ca st ir on wa s ca rried on wea r ab ra sion te st unde r d iffe ren t load s on the te sting m a ch i n e. The p r o tec t affec t ion of the d iffe ren t ca rb ide on m a trix and the ca rb ide su rface stripp ed wa s ana lyzed. It wa s shown tha t the wea ring wa s sl o w when the load wa s un de r a s p ec if ic va lue, bu t it grew fa st when the load is u p graded ove r a sp ec ific va lue. The s m a ll si z e ca r b i d e stripp ed fr om the su rface a t first when the load is u p graded, and the b ig size ca rb ide stripp ed and m a shed when the load kee p on i n2 c r ea s in g. It is dem a nded tha t the ca r b i de wa s d i stribu t ed we l l - p ropo r ti o na l ly and the size su i tab le.Key word s: h i g h ch r o m iu m wh i te ca s t iron, h i g h stre s s, ab r a s i o n wea r , wea r2re s istan t高铬铸铁作为一种优良的抗磨材料,近20年来已在国内外得到了广泛的应用。
低铬钛钒耐磨白口铸铁中钒钛的作用
低铬钛钒耐磨白口铸铁是一种常见的高性能材料，它主要由铸铁基体、珠光体和碳化物组成，具有良好的耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性和高温性能。
其中，钒和钛是其主要合金元素之一，对其性能具有重要作用。
1. 钒的作用：
（1）提高硬度和强度
加入适量的钒能明显提高铸铁的硬度和强度。
因为钒的加入可以促进珠光体的形成，并改善珠光体的晶格结构和分布规律，从而增强其硬度和强度。
此外，钒还可以提高铸铁的红硬度和抗腐蚀性。
（2）改善韧性
补充足够的钒可以增强铸铁的韧性，并使其具有更好的抗冲击性。
这是因为钒能够防止珠光体的分解和碳化物的溶解，提高其热稳定性和韧性。
（1）精化组织
钛具有强烈的化学亲和力和活性，能与其他元素形成含钛化合物，从而促进珠光体的生长和晶格结构的精细化。
因此，钛的加入可以有效地提高铸铁的耐磨性和抗冲击性，同时改善其塑性和热稳定性。
（2）提高高温性能
铸铁在高温环境下易出现脆性断裂或氧化腐蚀等问题。
但是，钛具有很好的高温稳定性和抗氧化性能，可以抑制铸铁的氧化和烧损，从而提高其高温性能和使用寿命。
综上所述，低铬钛钒耐磨白口铸铁中的钒和钛是其性能的重要组成部分，它们对提高铸铁的硬度、强度、韧性、耐磨性和高温性能具有重要作用。
同时，在铸铁的生产和应用过程中，合理控制钒和钛的添加量和成分配比也是至关重要的。
抗磨白口铸铁化学成分自关联性分析何希杰;劳学苏【摘要】研究了抗磨白口铸铁化学成分灰色自关联性.利用灰色理论对抗磨白口铸铁中碳C,铬Cr,钼Mo,硅Si,锰Mn,钒V和铜Cu等7种化学元素含量的7组数据,21种组合的灰色关联度进行了分析.通过大量计算,得到了这21种组合的关联度及自关联矩阵.计算结果表明,在21种组合中,CCu组合关联度最高,说明C和Cu之间有较强的关联性,SiV组合关联度最低,说明他们之间关联性最弱,其余19种组合介于它们之间.文中首次提出抗磨白口铸铁化学成分灰色关联性及其计算公式的新概念、新思路和新方法.对研究抗磨白口铸铁化学元素最佳组合、性能优化以及现有产品改造提供了重要理论基础.本方法也适用其他工程技术研究与分析.%The grey relation of the chemical elements of wear resisting white cast iron is researched .Grey relational grades of 21 sets between the elementsC,Cr,Mo,Si,Mn,V and Cu of wear resisting white cast iron are analysed by using grey theory .The grey relational grades and ordering of those sets are obtained after a lot of calculation.The calculating results show that grey relational grade between C and Cu is the highest of those sets, it is said that C bears strong relation to Cu ,one between Si and V the lowest ,it is said that Si weak relation to V, one of other 19 sets are between them successively.The new concept,thinking and method of the grey relational grade and its calculating formulae of the chemical elements of cast iron brought forward first in this paper.The theory basis provided for research on the performances optimizing , the best sets chemical elements and renovation product of the cast iron.【期刊名称】《中国铸造装备与技术》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】4页(P58-61)【关键词】抗磨白口铸铁;化学成分;关联度;新方法;灰色理论【作者】何希杰;劳学苏【作者单位】石家庄杂质泵研究所,河北石家庄 050035;石家庄杂质泵研究所,河北石家庄 050035【正文语种】中文【中图分类】TG143.1抗磨白口铸铁化学成分自关联性分析何希杰，劳学苏（石家庄杂质泵研究所，河北石家庄 050035）摘要：研究了抗磨白口铸铁化学成分灰色自关联性。
68铸钢•铸铁Vol.70 No.1 2021钛含量对高铬铸铁耐磨性能的影响刘夙伟1,季峰2,张艳2，郭宇航2(1.江阴职业技术学院机电工程系，江苏江阴214405; 2.江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003)摘要：研究了含0.1 %、0.6%、丨.1%、1.6%钛的高铬铸铁的硬度和耐磨性能与组织之间的关系。
通过金相组织图、XRD测试、EDS分析以及磨损试验，发现钛的添加对高铬铸铁的耐磨性能有显著影响，形成的TiC对（C r,Fe)7C i,碳化物有明显的细化作用，但是过多的钛会导致TiC团聚并减少基体组织中的含碳量，对高格铸铁的耐磨性能造成负面影响。
当钛含量为1.6%时，高铬铸铁硬度达到HRC 63,有着最佳的耐磨损性能，其热处理工艺为1020 T保温2h,油淬，再经250丈保温4 h,空冷。
关键词：高铬铸铁；M7C，碳化物；耐磨性能；碳化钛作为新材料领域的核心，耐磨材料对高新技术的发展起着重要的支撑作用〜1。
高铬铸铁作为继普通白口铸铁、镍硬铸铁之后第三代耐磨材料'自20世纪80年代开始就进行了大量理论和实际应用研究，为我国抗磨材料的发展做出了很大贡献14~。
研究表明，适量的钛添加到髙铬铸铁中可以有效细化共晶碳化物，增加高铬铸铁的耐磨性能|7〜。
然而，由于钛是强碳化物形成元素且化学性质活泼，作为微量元素添加到高铬铸铁中会与碳、氮等非合金元素发生多种反应因此少量或过量的钛都可能会造成负面影响。
本试验研究不同钛含量高铬铸铁的硬度以及耐磨性能与组织结构之间的关系，希望通过揭示钛在高铬铸铁中的作用机理，提高高铬铸铁的耐磨性能。
作者简介：刘夙伟（1981-),女，博士,讲师，主要从事金属摩擦及热处理研究工作。
E-mail: justlsw@中图分类号：T G I63文献标识码： A文章编号：1001-4977(2021) 01-0068-06收稿曰期：2020-07-03收到初稿，2020-08-24收到修订稿。
D2钢强韧化热处理工艺的研究材料2班陈志虎摘要：研究了深冷处理对D 2 钢冷冲模具金相组织，硬度和红硬性冲击韧性及耐磨性的影响。
试验和实践结果表明，深冷处理不仅细化D 2 冷作模具钢的显微组织，提高其室温硬度和红硬性而且明显改善冷冲模具钢的冲击韧性延长冷作模具的使用寿命。
关键字：D2钢深冷处理使用寿命等前言：模具的冲击韧性和耐磨性决定了其生产效率和使用寿命，深冷处理作为一个改善金属材料综合力学性能的有效途径而且具有成本低设备简单不消耗能源以及无污染等优点正逐步被人们重视。
模具材料经深冷处理后可有效地提高其冲击韧性和耐磨性，从而延长其使用寿命。
这对于广大热处理工作者模具制造者和模具使用者是一个好消息。
据文献报道经深冷处理后工模具的平均使用寿命提高了1 6 倍[1 4]，如果通过深冷处理能使模具使用寿命提高50% ，无疑将使社会节约不少的资源创造可观的经济效益。
D2 钢被广泛应用于冷冲模具，由其制作的冷冲模具由于碳化物呈网状分布完整且堆积严重，热处理后进行机械加工时，容易发生开裂使用时刃口容易崩。
因此对D2 钢冷冲模具深冷处理工艺进行研究意义重大。
1材料分析：电子探针分析D2钢基体成分的变化，x射线衍射法确定D2钢中存在着三种类型的碳化物相，用电子显微镜观测D2钢中各种相的型貌，D2钢在奥氏体化时．某些碳化物固溶于奥氏体中，使材料得到一次强化；经高温回火，残余奥氏体转变成马氏体．马氏体析出二次碳化物使材料得到二次强化。
富钒的二次碳化物对材料的硬度和耐磨性影响最大。
而残余奥氏体对其有很大不利影响。
D2钢是属于高碳高铬空淬冷作模具钢。
D2钢被广泛用作模压、冷成型冲头和模具。
该钢的平均成分(％)：C 1．5，Mn 0．4，Si 0．35．Cr12，Mo 1．0，V0．80。
它的铸造组织为莱氏体。
D2钢具有商的硬度和耐磨性，足够的韧性，热处理基本不变形。
当锻造充分破碎共晶网状结构时，细小球状碳化物分布在原始晶粒基体中，粗大的被打碎的一次碳化物通常沿纵向(加工方向)分布。
万方数据矿冶工程第３０卷由稀土硅铁（含２２％ＲＥ，４４％Ｓｉ），硅钙（含５０％Ｓｉ）组成的复合变质剂，变质熔体静置５ｒａｉｎ后，采用消失模浇铸成大小为８００ｍｍ×６００ｍｍ×１００ｍｍ的试样，实验样品采用线切割取心部样品。
表１白口铸铁的成分（质量分数）／％用于热处理的样品尺寸为２０ｍｍ×２０ＩＴｌｍ×１１０ｍｍ，为了防止氧化与表面脱碳，热处理在氮气保护条件下进行。
所有样品均经９８０℃，７ｈ退火。
将样品分别在８００，８２０，８５０，８８０，９００，９５０，１０００，ｌ０５０ｏＣ中保温２．５ｈ，采用一种醚类有机淬火液淬火，研究淬火温度对白口铸铁组织和性能的影响。
将经８５０ｏＣ淬火处理后的样品分别在２５０，３５０，４５０，５５０℃下回火２ｈ，研究不同回火温度对材料性能的影响。
硬度测试在６９一ｌ型布洛维光学硬度计上测量，所加载荷为１５０ｋｇ。
冲击试样采用２０ｍｍ×２０ｒａｉｎ×１１０ｍｍ的无缺口冲击试样，冲击实验在３０／１５冲击试样机上进行，冲击韧度值取３根冲击试样的平均值。
摩擦磨损实验在ＭＧ一２０００销盘式摩擦磨损试验机上进行。
将摩擦样品加工成们０ｌｎｌＴｌ×１０ｍｉｌｌ的圆盘，所使用的对磨销钉为硬质合金，直径为６ｍｍ。
实验过程中所使用的载荷为２００Ｎ，摩擦行程为６ｋｍ。
金相显微组织在ＰＬＯＹＶＡＲＭＥＴ金相显微镜下观察，断口形貌及摩擦磨损实验后样品表面形貌分析在ＭＡＲＹＫＹＫＹ一２８００扫描电镜上进行。
２试验结果及分析２．１低铬白口铸铁的铸态组织与性能图ｌ为低铬白口铸铁的铸态组织。
由图１可见，未经变质处理的试样中碳化物呈粗大的连续网状分布，经变质处理后，共晶碳化物的连续部位出现断开，所形成的网状碳化物变得不再连续，并以孤立块状存在，网状结构基本被破碎，同时碳化物的尺寸变得更加孤立细小。
图ｌ低铬白口铸铁铸态组织（ａ）未经变质处理；（ｂ）经变质处理变质处理可以大大改善白口铸铁的铸态组织，原因是稀土等低熔点元素的加入，使得变质处理后，白口铸铁的初晶结晶时间和凝固时间缩短，同时稀土会吸附在碳化物和奥氏体晶粒的生长前沿，在碳化物的不同晶面上进行选择性吸附，优先吸附在位能较高及生长较快的晶面上，降低了碳化物在择优长大方向的长大速度，使得碳化物由长条状有方向性的生长向短条状、团块状无方向性转化，从而达到了使网状碳化物破碎和细化的目的。
未经变质处理的低铬白口铸铁的ＨＲＣ硬度为３７．２，冲击韧度值为３．４Ｊ／ｅｍ２；经变质处理的低铬白口铸铁的ＨＲＣ硬度为３８．５，冲击韧度值为４．８Ｊ／ｅｍ２。
由此可以看出，经过变质处理后的低铬白口铸铁，硬度稍有上升，而冲击韧度值有较大的提高，原因可能是白口铸铁经复合变质处理后，初生相和共晶团晶粒都得到细化，分布也更均匀，具有细晶强化效果，从而提高铸铁的硬度与韧性。
而冲击韧度值大幅度提高的另一个重要原因是由于经过变质处理后网状碳化物的断裂及在熔炼过程中加入了稀土进行变质处理，而稀土可以起到脱氧与去除Ｐ、ｓ等杂质的作用。
２．２低铬白口铸铁的退火组织及其性能在进行淬火处理前，低铬白口铸铁在９８０℃下退火７ｈ。
进行高温退火可以减少蜂窝状的共晶莱氏体组织，使其溶人基体中，提高材料在淬火回火后的使用性能，并且随着网状碳化物不断溶人基体，可以有效地降低在淬火过程中裂纹形成倾向。
退火后白口铸铁组织如图２所示。
由图２可见，经复合变质处理的低铬白口铸铁经高温退火后，连续的网状碳化物大大减少，碳化物呈孤立块状分布并且大部分融人基体中，并且在随后的炉冷过程中形成珠光体和细小的二次碳化物。
经过９８０ｏＣ退火７ｈ后，白口铸铁的硬度为（ＨＲＣ）２８．７，冲击韧底值为１８．２Ｊ／ｅｒａ２。
图２低铬白１３铸铁的经９８０℃退火７ｈ后组织２．３不同淬火工艺下低铬白口铸铁的组织与性能淬火温度的变化，会影响碳化物的溶入和二次碳化物的析出，引起共晶碳化物、二次碳化物、基体的变化，从而引起铸铁宏观硬度的变化。
确定适宜的淬火温度不仅可以保证工件在淬火后具有良好的硬度，而万方数据第２期王伟等：变质低铬白口铸铁的强韧化及耐磨性研究且可以降低工件在淬火过程中裂纹的形成倾向。
本文研究了低铬铸铁分别在８００，８２０，８５０，８８０，９００，９５０，１０００，１０５０℃下保温２．５ｈ后淬火的组织与性能。
经不同的淬火工艺处理后，材料的硬度值（ＨＲＣ）如图３所示，材料的显微组织如图４所示。
由图３可以得出，在８００一ｌ０５０℃的温度范围内，淬火后样品的ＨＲＣ值先随着淬火温度的升高而升高，在８５０℃时达到极大值，随着淬火温度的进一步升高，ＨＲＣ值下降。
图３低铬铸铁的ＨＲＣ硬度值与淬火温度曲线图４低铬白口铸铁在不同温度条件下淬火后显微组织（ａ）８００℃；（ｂ）８５０℃；（ｃ）１０５０℃低铬白口铸铁在８００℃下淬火，硬度（ＨＲＣ）只有５５．４，这是由于淬火温度过低，在保温过程中，奥氏体中析出的二次碳化物较多，使得奥氏体中碳和铬的含量较低，在淬火后所形成的马氏体中，碳及其它合金元素的含量较低，导致基体硬度不高。
８５０℃下淬火时，在保温过程中，碳化物溶入与析出过程的综合作用使得奥氏体中具有最合适的碳含量和合金含量，这种含量既能保证足够多的奥氏体转变成马氏体，使得淬火后的残余奥氏体含量较少，又能保证马氏体有高的碳含量及合金含量，从而得到高的淬火硬度。
随着淬火温度的进一步升高，由于在保温过程中，奥氏体中所溶入的碳含量和铬含量较高，使得奥氏体的稳定性增加，淬火后残余奥氏体含量增加，并且淬火后马氏体粗大，而导致材料的硬度降低。
因此，可以８５０ｏＣ为本材料的适宜的淬火温度。
２．４不同回火工艺下低铬白口铸铁的组织与性能将经８５０℃淬火后的低铬白口铸铁在不同的温度下回火２ｈ，残余奥氏体和马氏体在回火时会发生回火转变，引起组织与性能的变化，其硬度与冲击韧性值如图５所示。
由图５可见，随着回火温度的升高，低铬白口铸铁的硬度降低，其相应的冲击韧度值提高。
经过２５０℃回火后，残余奥氏体部分分解，基体为回火马氏体与残余奥氏体的混合组织，基体的硬度高，但是脆性大；经过３５０ｏＣ或４５０ｏＣ回火后，淬火马氏体转变为回火屈氏体，残余奥氏体已经基本分解完毕；低铬白口铸铁经过５５０℃高温回火后，得到回火索氏体，其冲击韧度好，但是硬度较低。
图６为低铬白口铸铁品分别在２５０ｏＣ和５５０℃下回火的断口形貌。
由图６可知，经过２５０℃回火后，冲击断口局部有少量的撕裂棱，并且撕裂棱较平整，大量的裂纹沿晶内扩展，其对应的冲击韧度值较低；当样晶经过５５０℃回火后，撕裂棱数量增加，断口凹凸不平，有明显的撕裂痕迹，体现出较高的断裂韧度值。
回火温度／＇ｃ图５低铬白口铸铁的ＨＲＣ硬度值与冲击韧度值与回火温度关系曲线图６低铬白口铸铁在经不同温度下回火的冲击断口形貌（ａ）２５０℃；（ｂ）５５０℃因此，为了得到较好的硬度与冲击韧度的综合性能，低铬白口铸铁适宜的回火工艺为３５０℃，回火２ｈ。
２．５低铬白口铸铁的耐磨性能将经过８５０℃淬火，３５０℃回火的低铬白口铸铁样品、Ｍｎｌ３高锰钢和４０ＣｒＭｏ合金钢进行摩擦磨损对比实验，结果如表２所示。
万方数据矿冶工程第３０卷褒２不同样品的摩擦磨损失重值样品名称摩擦磨损失ｉｌｔ／ｇ低铬白Ｅｌ铸铁ｌ－ｌｎｌ３高锰耐磨钢４０ＣｒＭｏ合金钢０．０５７８Ｏ．０８７１０．０５６２由表２可知，经过变质及热处理后的低铬白口具有较好的耐磨损性能，其抗磨性能与４０ＣｒＭｏ合金钢相当而优于ｌＶｌｎｌ３高锰钢。
摩擦磨损实验后样品表面形貌如图７所示。
由图７可见，ｌＶｌｎｌ３高锰耐磨钢的表面摩擦后所形成的犁沟较深，并且较粗糙，而低铬白口铸铁和４０Ｃｒｌｏ合金钢所形成的磨痕较浅，这是由于高锰钢的硬度较低，在载荷较高（２００Ｎ）的条件下，法向力使得摩擦销钉在高锰钢表面形成较深的压痕，切向力使得销钉运动，由于形成的压痕较深，因此所形成的犁沟较深。
而经过强韧化处理后的低铬白口铸铁，虽然其塑韧性不及高锰钢与合金钢，但由于具有高的硬度和一定的韧性，并且碳化物分布较均匀，因此在摩擦过程中，销钉所压入深度较浅，特别是由于其韧性的相对提高及大块网状碳化物的减少，摩擦过程中的微观剥落特别是大块碳化物的剥落减少，因此具有较好的抗磨性能，可以在某些场合替代合金钢甚至中高铬铸铁的使用。
图７经过摩擦磨损后样品的表面形貌（８）低铬自口铸铁；（ｂ）ｌ－ｌｎｌ３高锰钢；（ｃ）４０ＣｒＭｏ合金钢３结语１）经过变质处理，可以有效改变低铬白口铸铁的碳化物分布与形态。
２）变质低铬白口铸铁经８５０℃淬火及３５０ｏＣ回火热处理后，可以获优良的综合力学性能，其硬度值为５６．５ＨＲＣ，冲击韧度值为１１．０Ｊ／ｅｒａ２。
３）经过强韧化处理后低铬白口铸铁具有优良的耐磨性。
其耐磨性优于１Ｖｌｎｌ３高锰钢，与４０ＣｒＭｏ合金钢相当。
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