1、本科毕业设计（论文）第 I 页摘 要高铬铸铁因其优越的性能而受到越来越广泛的重视。高铬铸铁相对合金钢有优良的耐磨性，相对一般白口铸铁有高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，所以被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。本文就高铬铸铁的铸造及性能进行了比较系统的研究，首先设计高铬铸铁的成分进行铸造，然后利用金相显微镜对试样的组织形态、化学成分、物相组成进行了分析，最后通过硬度测试，冲击实验进行性能检测。结果表明，高铬铸铁的组织主要由基体和碳化物组成，基体的相是主要奥氏体另外还有部分马氏体，而碳化物主要是Cr 7C3。高铬铸铁的硬度及耐磨性都比较高。关键词：
2、高铬铸铁；铸造；耐磨性；摩擦磨损； 本科毕业设计（论文）第 II 页AbstractBecause of its superior performance, high chromium cast iron attracted more and more attention. High chromium cast iron has more excellent wear resistance than alloy steel , relative to the general white cast iron has higher toughness, strength, at the same
3、time, it also has good resistance to high temperature and corrosion resistance, and convenient production, low cost, and is regarded as the best of contemporary anti abrasion material. In this paper, the properties of high chromium cast iron casting and compares the system, first of all the design o
4、f high chrome cast iron component for casting, then by using optical microscope, scanning electron microscope, on the sample tissue morphology, chemical composition, phase composition are analyzed, finally, hardness test friction and impact test, performance testing.The results show that, the struct
5、ure of high chromium iron is mainly composed of a base and composition of carbide, matrix phase is the main part of austenite and martensite, and the carbide is Cr7C3.The hardness of high chromium cast iron and the wear resistance is higher.Key words:high chromium cast iron; casting; wear resistance
6、; friction and wear.本科毕业设计（论文）第 III 页目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 课题的目的、意义 .11.1.1 课题的目的 .11.1.2 课题的意义 .11.2 课题背景 .11.2.1 课题背景 .11.3 文献综述 .11.3.1 高铬铸铁 .11.3.2 组织结构 .11.3.3 各元素的作用 .21.3.4 高铬铸铁的性能 .21.4 本领域存在的问题 .21.5 高铬铸铁的研究现状 .2第 2 章 实验方法 .32.1 实验材料 .32.1.1 合金成分 .32.1.2 造型工艺 .32.1.3 熔炼与浇注 .32
7、.2 实验方法 .32.2.1 热处理 .32.2.2 测试样的冲击韧度值 .32.2.3 测试样的洛氏硬度值 .32.3 断口形貌观察 .32.4 金相组织观察 .4第 3 章 实验结果及讨论 .53.1 钒对高铬铸铁组织的影响 .53.1.1 高铬铸铁的铸态组织 .53.1.2 高铬铸铁的热处理态组织 .53.1.3 结果分析 .5本科毕业设计（论文）第 IV 页3.2 断口形貌分析 .63.3 冲击韧性 .63.3.1 钒含量对冲击韧性的影响 .73.3.2 冲击韧性图 .73.3.3 结果分析 .73.4 洛氏硬度 .73.4.1 钒含量对洛氏硬度的影响 .73.4.2 洛氏硬度图 .
8、73.4.3 结果分析 .7结论 .11致谢 .12参考文献 .13佳木斯大学本科毕业设计（论文）第 1 页第 1 章 绪论1.1 课题的目的、意义高铬铸铁是本世纪三十年代发展起来的一种新型耐磨材料，因含有较高的铬，因此它具有较高的硬度和较小的硬度梯度、高的耐磨性、高的回火稳定性和抗腐蚀性。目前已广泛应用于冶金、建材和电力等行业，并取得了显著的效果，在矿山行业也显示了诱人的应用前景。所以提高高铬铸铁的硬度和冲击韧性一直是各位学者的工作方向。 1.1.1 课题的目的本课题根据钒能改变共晶碳化物的类型、改善碳化物形态，从而使铸铁韧性及耐磨性提高为依据，设计和制订了热处理工艺。为使高铬铸铁具有优越的
9、性能，研究热处理工艺与成分、冷却速度与组织、硬度和冲击韧性之间的关系，并在理论上给予一定的分析。1.1.2 课题的意义高铬铸铁在磨损场合具有重要的优越性，已经在国民经济的各个行业中得到了重要的应用。这主要是因为高铬铸铁在经过适当的热处理工艺和合金变质处理以后获得强韧的基体组织和高硬度的 M7C3 碳化物（HV=13001800 ）.国内外许多单位开始选用高铬铸铁作为建筑机械搅拌机衬板材质。但高铬铸铁属于脆性材料，韧性较差。因此如何获得高硬度的 M7C3 碳化物并使高铬铸铁的硬度和韧性达到良好的配合，提高耐磨性，一直是国内外研究的主要课题。本课题主要研究在控制高铬铸铁基本成分的基础上，通过加入不
10、同量的钒元素，经适当的热处理工艺后，高铬铸铁中碳化物的形态、数量、分布硬度以及耐磨性能与组织结构之间的关系。佳木斯大学本科毕业设计（论文）第 2 页1.2 课题背景1.2.1 课题背景高铬铸铁是继普通白口铸铁镍硬铸铁发展起来的第三代耐磨材料。由于高铬铸铁自身组织的特点，使得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的韧性、高温强度、耐热性和耐磨性等性能。高铬铸铁已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，并日益得到广泛应用。高铬铸铁的良好的耐磨性主要取决于其基体组织和碳化物的类型及分布特点。高铬铸铁是以Fe，Cr，C 为基本成分的多元合金。刚凝固下来的高铬铸铁中基体是奥氏体，这种奥氏体在加热至较高的温度下才是稳定的
11、， 而且被C 、Cr 等元素所饱和。当温度降低时， 奥氏体将发生转变。通常条件下，高铬铸铁呈现以奥氏体为主的多相组织，这种组织的铸铁在高温下使用，更能发挥材质本身的潜能。高铬铸铁是含铬量在12%-28%之间的铬系白口铸铁， 由于铬的大量加入使得白口铁中的M 3C 型碳化物变成M 7C3 型碳化物。这种合金碳化物很硬，赋予了高铬铸铁良好的耐磨性。另一方面，在凝固过程中M 7C3 型碳化物呈杆状孤立分布，使得高铬铸铁的韧性有了一定程度的改善。1.3 文献综述1.3.1 高铬铸铁高铬白口抗磨铸铁（以下简称高铬铸铁）是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。它以比合金钢高得多的耐磨性，和比一般白口铸铁高
12、得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。 高铬铸铁属金属耐磨材料、抗磨铸铁类铬系抗磨 铸铁的一个重要分支，是继普通白口铸铁、镍硬铸铁而发展起来的第三代白口铸铁。早在 1917 年就出现了第一个高铬铸铁佳木斯大学本科毕业设计（论文）第 3 页专利。高铬铸铁一般泛指含 Cr 量在 11-30%之间，含 C 量在 2.0-3.6%之间的合金白口铸铁。我国抗磨白口铸铁国家标准（GB/T8623）规定了高铬白口铸铁的牌号、成分、硬度及热处理工艺和使用特性。其典型成分及工艺如下表：表 1-1 高铬铸铁的牌号及化学成分（ GB/
13、T 8623）% 6牌号 C Mn Si Ni Cr Mo Cu P SKmTBCr12 2.0-3.3 2.0 1.5 2.5 11.0-14.0 3.0 1.2 0.10 0.06 KmTBCr15Mo2.0-3.3 2.0 1.2 2.5 11.0-18.0 3.0 1.2 0.10 0.06 KmTBCr20Mo2.0-3.3 2.0 1.2 2.5 18.0-23.0 3.0 1.2 0.10 0.06 KmTBCr26 2.0-3.3 2.0 1.2 2.5 23.0-30.0 3.0 1.2 0.10 0.06 佳木斯大学本科毕业设计（论文）第 4 页表 1-2 高铬铸铁的硬度（
14、GB/T 8623）铸态或去应力处理 硬化态或硬化态去应力处理 软化退化态 牌号 HRCHBW HRC HBW HRC HBWKmTBCr12 46 450 56 600 41 400 KmTBCr15Mo46 450 58 650 41 400 KmTBCr20Mo46 450 58 650 41 400 KmTBCr26 46 450 56 600 41 400 表 1-3 高铬铸铁件热处理规范（GB/T 8623） 7 牌号 软化退火处理 硬化处理 去应力处理 KmTBCr12 920-960C 保温 1-8h,缓冷至 700-750C 保温 4-8h,冷至 600C以下出炉空冷或炉冷
15、920-980C 保温 2-6h，出炉空冷 200-300C 保温 2-8h，出炉空冷或炉冷 KmTBCr15Mo 920-960C 保温 1-8h,缓冷至 700-750C 保温 4-8h,缓冷至600C 以下出炉空冷或炉冷 920-980C 保温 2-6h，出炉空冷 200-300C 保温 2-8h，出炉空冷或炉冷 KmTBCr20Mo 960-1020C 保温 2-6h，出炉空冷 KmTBCr26960-1000C 保温 1-8h,缓冷至 700-750C保温 4-10h,缓冷至600C 以下出炉空冷或炉冷 960-1060C 保温 2-6h，出炉空冷 200-300C 保温 2-8h，
16、出炉空冷或炉冷 美国高铬铸铁执行标准为 ASTMA532M，英国为 BS4844，德国为 DIN1695，法国为 NFA32401。俄罗斯在前苏联时期曾研制了 12-15%Cr、3-5.5%Mn ，壁厚达 200mm 的球磨机衬板，现执行 OCT7769标准 8。特别值得一提的是在近一个世纪里，曾为抗磨白佳木斯大学本科毕业设计（论文）第 5 页口铸铁做出了卓越贡献的美国克莱梅克斯（Climax）钼业公司。1928 年该公司首先发明了镍硬铸铁，把抗磨铸铁科技推向了一个空前高度。1974 年为纪念国际 GIFA，在杜赛尔多夫展览会上展示了名为“神秘 1 号” 和“神秘 2 号” 9。即经典的高铬抗
17、磨铸铁153（Cr15Mo3）和 1521（Cr15Mo2Cu），现如今克莱梅克斯公司执行高铬铸铁标准如下：表 1-4 美国 Climax 钼公司规定的高铬铸铁成分（质量分子数） %15-3成分 牌号 12-1超高碳 高碳 中碳 低碳 15-2-1 20-2-1 C 3.0-3.5 3.6-4.3 3.2-3.6 2.8-3.2 2.4-2.8 2.8-3.5 2.6-2.9Cr 11-14 14-16 14-16 14-16 14-16 14-16 18-21Mo 0.5-1.0 2.5-3.0 2.5-3.0 2.5-3.0 2.4-2.8 1.9-2.2 1.4-2.0Cu 1.0 -
18、- - - 0.5-1.2 0.5-1.2Mn 0.5-0.8 0.7-1.0 0.7-1.0 0.5-0.8 0.5-0.8 0.6-0.9 0.6-0.9Si 0.5-0.8 0.3-0.8 0.53-0.8 0.3-0.8 0.3-0.8 0.4-0.8 0.4-0.9S 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05P 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.06 0.06空冷时不出现珠光体的最大断面(mm2)- 70 90 120 200 200铸态 51-56 50-54 44-48 50-55 50-54淬火 62-67 60-65 58-63
19、 60-67 60-67硬度HRC退火 60-6740-44 36-42 35-40 40-44 38-43注：碳含量为下限时，大断面中可能出现贝氏体。 1.3.2 组织结构普通白口铸铁的共晶组织一般为莱氏体形:A - Fe3C ,渗碳体在A 的枝晶间的孔隙中发佳木斯大学本科毕业设计（论文）第 6 页芽生长,形成了以渗碳体为基础的蜂窝状的莱氏体组织。高铬铸铁组织中,随Cr 含量的增加,片状的(Fe ,Cr) 3C 向三角形的(Cr ,Fe) 7C3 转变,引起了共晶团形态发生了根本的变化。共晶A 在共晶区域(A + M7C3 + L) 内以共晶碳化物M 7C3 为领先相,以初生A 为结晶界面成
20、核长大,并保留了碳化物晶体的锥体形状,最终组织为Cr 的碳化物以紧密的层状或纤维状分布在A 或A 的转变产物中,呈现菊花的放射状共晶团构成 10。 （1）铸态组织：高铬铸铁在铸态时组织为(Cr ,Fe) 7C3 和金属基体组成,由于成分和冷却速度的不同,金属基体可以是铁素体、奥氏体或马氏体以及它们的混合组织。高铬铸铁中含Cr 高,使碳化物非常稳定,即使在十分缓慢的冷却时,也不可能产生石墨化。高铬铸铁的碳化物析出过程非常缓慢,就导致了凝固时形成的A 常常过饱和C 和Cr ,并且非常稳定,当温度降到1 175 时,出现了四相包晶反应平台,但在此平台温度以下,仍然得到A 相和碳化物相 11。继续冷却
21、时,Cr 的碳化物不断从A 中析出 ,减少了A 中的合金含量和稳定性。当达到共析转变温度范围(760595 ) 以下时,不稳定的A 依据冷速可以转变成珠光体、贝氏体或马氏体。然而,既使在高温时碳化物的析出也是很慢的,在中等冷速、室温时仍可能有显著数量的过饱和A残留。高铬铸铁的铸态组织为 A + M,碳化物为菊花状的M 7C3 型。残余奥氏体数量较多。在组织中有许多类似夹杂物的黑块,经高倍组织观察,发现仍然是初生的A 相的转变产物,里边有析出的颗粒状碳化物 ,可能是先期转变组织发生自回火的结果。（2）热处理组织：高铬铸铁要想获得全M 组织,只有经过热处理才能达到。高铬铸铁的热处理有高温热处理、亚临界热处理等 12。高温热处理组织：高温热处理是将其加热到A 化温度以上保温,然后空冷的热处理。通过A 化温度以上保温使原转变的产物再回转变成 A ,同时从A 中析出细的次生碳化物,动摇A 的稳定性,从而确保全部或大部分A 转变为M 这种理想的组织。高温热处理的组织中,基体组织为M和少量残余奥氏体,另布有细颗粒二次碳化物。亚临界热处理组织：亚临界热处理为加热到400600 保温,基体中首先析出细小
