浅析等离子表面重熔对高铬板锤、耐磨铸铁组织

高铬铸铁、耐磨材料的发展经过了普通白口铸铁、高锰钢、镍硬铸铁、铬系白口铸铁等几个阶段。上述耐磨材料各有利弊,都在不断完善,但总的趋势是向着提高材料的性价比方向发展。铬系白口铸铁源于20世纪初期,但广泛使用却始于20世纪中后期、电炉普及后。
近几十年来国内外铸造工作者对铬在白口铸铁中的作用进行了大量的实验研究,使铬系白口铸铁性能得到不断提高,生产工艺逐渐简化。目前铬系白口铸铁已在一些领域取代耐磨锻钢、中锰球铁和低合金钢等材质做磨球,在矿山、建筑、冶金、火力发电等行业得到应用,成为国内外公认的、优良的抗磨材料。


目前,国内铸造工作者关于铬系白口铸铁的研究主要集中在化学成分选择、热处理工艺确定、变质剂选择、良好碳化物类型的获得及磨损机理研究等领域。国外铸造研究人员更致力于高铬铸铁微观组织结构、耐磨机理及新制备工艺开发的研究,关于低铬铸铁和中铬铸铁的研究较少。 对高铬铸铁进行的热处理工艺除了常规淬火处理外,还有很多表面技术,例如等离子表面重熔技术。
等离子表面重熔技术是采用等离子束等这些高密度能量将工件表面层或涂敷在工件表面上的合金化材料熔化后再冷却凝固成硬化层(涂层)。 
由于加热速度极快, 所以整个基体的温度在加热过程中可以不受影响,且由于冷速也较快, 从而又可形成微晶、非晶及其它一些奇特的、 热平衡相图上不存在的亚稳合金, 从而赋予材料表面特殊的性能和功能。 另外表面重熔还具有无变形、 不影响光洁度、 能直接装配使用的特点 以、高铬铸铁和各类合金钢为代表的第三代耐磨材料,为解决材料硬度和韧性相匹配的问题,20世纪30年代后期,美国对含铬量10%~30%的合金白口铸铁进行研究,发现含铬量大于12%时,碳化物由渗碳体(Fe3C)转变为Cr7C3型碳化物,它的硬度高,组织形态为菊花状、条块状,因此韧性大幅度提高。
高铬板锤高铬铸铁所含主要元素为C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo、Cu。碳是影响高铬白口铸铁韧性最大的元素。由于碳与铁、铬、钼等元素形成碳化物为高硬度相,如果它们呈网状分布,更会加剧脆性, 因此, 高铬抗磨铸铁的韧性主要取决于组织中的碳化物数量、形态、分布、大小。增加碳量, 可增加碳化物的数量,但会降低韧性和淬透性, 热裂倾向增大。因此碳不能过高,一般认为Cr/ C 为4~ 8时, 耐磨性较好。 高铬板高铬铸铁含铬量大于11%,铬、碳含量比值超过3.5。在这种条件下,高硬度型M7C3碳化物几乎全部代替了M3C型碳化物。
型碳化物呈六角形杆状及曲面板条状,分布在基体中。相对于普通白口铸铁或低铬铸铁而言,可以认为高铬铸铁中的碳化物是不连续相,而基体是连续相。也就是说碳化物对基体的破坏作用大大减小,因而高铬板锤高铬铸铁的韧性优于普通白口铸铁和低铬铸铁。M7C3型碳化物的硬度很高,其显微硬度HV1300-1800,而M3C型碳化物的显微硬度只有HV800-1200,因此M7C3型碳化物的形成赋予了铸铁以高的硬度。通过添加其他合金元素以及适当的热处理,高铬铸铁可以获得不同的基体组织,以满足各种不同工况对抗磨材料提出的性能要求。 高铬铸铁是一种比较复杂的多元合金。影响其组织与性能的因素很多。采用多元合金化可以改善组织,提高高铬铸铁的硬度和韧性。
钼可溶于碳化物和基体中, 溶入基体的钼能极大地提高淬透性,对厚壁铸件可抑制珠光体的形成。加钼能增加相当数量的M7C3相, 并形成高硬度的Mo2C。锰既能进入碳化物又溶解于金属基体中。锰、钼联用能改变钼在碳化物和基体中的分配比,显著提高淬透性。但锰强烈降低Ms点,稳定奥氏体。因此,锰含量不宜过多, 一般小于1%。硅是非碳化物形成元素,它降低淬透性, 有可能出现铁素相, 过多的硅将使韧性下降,并且在磨损过程中出现剥落现象。但硅可以提高Ms点, 减少残余奥氏体量, 并起到脱氧作用,故硅一般被控制在0.3%~ 0.8%。铜可提高淬透性。特别是当铜、钼共存时,提高淬透性效果更显著。铜能使碳化物变细和不连续,使基体的被割裂现象减轻,韧性提高。但铜稳定奥氏体, 延迟二次碳化物的析出。由于铜是非碳化物形成元素, 铜的加入量过多时,会在枝晶富集析出,反而对韧性产生不利影响。 此外,硫与磷一般被控制在较低水平。 高铬铸铁在许多领域得到广泛应用,如球磨机衬板、磨球、反击破碎机板锤等。在高铬铸铁发展的同时,各类合金钢由于其高韧性、低成本及良好的耐磨性而得到快速发展。在低冲击或无冲击条件下,高铬铸铁和合金钢以卓越的性能价格比取代了高锰钢。
以磨机衬板为例,20世纪60年代之前均采用高锰钢。70年代后即被合金钢和高铬铸铁所代替。 工业实践表明: 煤矿机械、 电力机械、 建材机械、农业机械中许多易磨损件改用高铬耐磨铸铁后寿命成倍延长, 获得显著的社会效益和经济效益。目前,高铬铸铁已经是世所公认的优良抗磨材料, 在采矿、水泥、 电力、 铁路机械、 耐火材料等方面应用十分广泛。高铬白口铸铁具有优良的抗磨料磨损能力, 冲击韧性也优于其它合金白口铸铁, 这是它成为当代最佳抗磨材料的基本原因。它的优良抗磨能力和冲击韧性主要决定于其特有的组织, 高铬白口铸铁含铬量大于11%, 铬、 碳含量比值超过3. 5。在这种情况下, 高硬度 M7C3 型碳化物几乎全部代替了 M3C型碳化物。
M7C3 型碳化物基本上是以孤立的条状形态存在, 与呈网状连续分布的 M3 C 型碳化物相比,大大增强了基体的连续性, 因而整体材料的韧性显著提高。而且由于基体中富含有铬元素,有较好的淬透性, 经过适宜的热处理可获得抗磨能力优良的金属组织。 高硬度的不连续碳化物要与硬的基体配合才能表现出高的耐磨性,高铬板锤高铬铸铁中各基体组成体的显微硬度是:铁素体HV70~200,珠光体HV300~460,奥氏体HV300~600,马氏体HV500~1000,所以马氏体高铬铸铁是最常用的高铬板锤高铬铸铁。并且,M7C3与奥氏体一起形成的共晶组织比莱氏体韧性好,能够进行机械加工。


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高铬板锤 耐磨铸铁

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