中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1008-0473(2010)01-0042-05
杨 威 潘 健 黄智泉 郑州机械研究所（450052）
摘 要 用铸造方法获得超高碳高铬含量的耐磨合金材料的可操作性非常小。堆焊方法可以实现超高碳高铬合金组织研究的目的。由高铬铸铁系为基础，添加高合金材料形成的高铬铸铁药芯焊材正逐步成熟。其在水泥工业设备抗磨损方面都有应用。 关键词 高铬铸铁合金 堆焊 耐磨性
早在1892年，国外就有人研究了铁铬碳系合金，并发现在Fe-Cr-C合金中存在铬碳化物。由于高铬铸铁中含有铬碳化物，它才具有比其它白口铸铁高得多的硬度，同时铬碳化物也是影响其它性能的基本因素。到了20世纪70年代中期，对高铬铸铁合金化的理论研究进入一个系统化阶段。期间，各国初步完成了标准系列，高铬铸铁的组织及性能逐渐被人们所认识。高铬铸铁也逐渐在各种零部件中得到广泛的应用，例如高铬铸铁材质的轧辊、板锤、磨环、辊套、球磨机磨球及衬板、立磨磨辊、衬板、布料溜槽等。工程应用表明，将高铬铸铁应用到堆焊修复方面，可大幅度提高堆焊修复部件的耐磨性，增加部件的使用寿命。
近年来，对高铬铸铁系合金的应用有了长足的发展，对高铬铸铁系合金的研究也有一定的突破。由高铬铸铁系为基础，添加高合金材料形成的高铬铸铁系药芯焊材正在逐步走向成熟。其在耐磨板、水泥厂风机叶片等方面都有应用，但主要是在大型立式磨磨辊、磨盘以及煤磨辊上的应用，形成一定的产业化。因此有必要对其研究成果以及发展情况进行介绍，以便用户更加清晰地认识高铬铸铁。
1 铸造高铬铸铁的研究与发展
高铬铸铁首先应用于铸造冶金、矿山、水泥等行业设备的耐磨零部件。根据对铸造高铬铸铁的研究表明，普通高铬铸铁[1][6][7]碳含量基本都是在2％～4％之间，铬含量基本上集中于15％、20％、25％、27％等等，其中15％和20％铬含量应用较广泛，一般为亚共晶组织。其所在的相区为如图1所示的γFe相区。
图1是Fe-Cr-C三元系合金相切面相图。U1→U2，U2→U3，U3→U4三条共晶反应线分别确定合金系统中可能出现的三种共晶组织化学成分，即γ+(Cr,Fe)23C6 , γ+(Cr,Fe)7C3 , γ+(Cr,Fe)3C 共晶的成分范围。
1.1 高铬铸铁合金中的碳化物
铬的碳化物有Cr3C、Cr7C3、Cr23C6三种，三种碳化物的精细结构及形成条件已经被人们所认识[11]。
图1 Fe-Cr-C三元系合金液相面投影图[8]
按Cr含量增加以及Cr/C提高时，碳化物依次是：Cr3C、Cr7C3、Cr23C6。
Cr7C3含有9%C、91%Cr、Cr/C=10。Fe-Cr-C 系中至多可以有4个Fe原子取代Cr原子而保持M7C3（Fe4Cr3C3）的六角晶格结构。这种复合碳化物含37.5%Cr、8.65%C、Cr/C=4.3，而Cr23C6碳化物含5.68%C、94.32%Cr、Cr/C=16.6。M23C6在Fe-Cr-C系中至多可以有8个Fe原子取代Cr原子而保持M23C6面心立方晶格结构，此时，M23C6碳化物为Fe8Cr15C6，此时碳化物含5.5%C、60.1%Cr、Cr/C=10.93。
郝石坚对此有不同的解释[10]：M7C3型碳化物是铬原子溶入（置换）不稳定化合物Fe7C3
后形成的
42
（Cr,Fe）7C3。由于Cr7C3与Fe7C3的原子排列方式接近，铬与铁原子尺寸也很接近，使铬原子可以大量溶入Fe7C3而形成（Cr,Fe）7C3，由于Cr降低C在铁水中的化学位，大量铬的溶入使（Cr,Fe）7C3成为很稳定的碳化物，几乎探查不到纯Cr7C3晶体。
各碳化物的性质见表1 [12]。
表1 Fe-Cr-C合金系的碳化物[12]
由上述对铬碳化物的形成条件进行的分析可知，在碳化物微区Cr含量大于37.5%之后就会形成（Cr,Fe）7C3型碳化物，在碳化物微区Cr含量大于60.1%时就有可能形成（Cr,Fe）23C6型碳化物。但有文献[10]有研究表明：（Cr,Fe）7C3碳化物中最低铬含量为25.4%。
M3C为渗碳体型碳化物（Cr,Fe）3C，具有斜方晶格，其显微硬度Hv840～1 100（当铬含量增加时，显微硬度有所增加）[10]。这种碳化物只在铬含量很小时才可能形成，工业应用比较成熟的铬含量为2%～5%。这种碳化物以连续网状形式分布，从而使韧性相对较好的基体金属被碳化物分割开来，显著增加材料脆性。
与M3C不同的是，(C r,F e)7C3硬度远大于（Cr,Fe）3C，而且（Cr,Fe）7C3不同晶面硬度有很大差别。如：六方棱柱初生碳化物（Cr,Fe）7C3晶体柱状面上硬度Hv 1400左右，而与之垂直的基面（与晶格c向垂直的晶面）硬度在Hv 1700~1900范围内；且（Cr,Fe）7C3以孤立粒状分布，碳化物本身非连续性分布，对基体的割裂程度低，对材料的韧性损伤小。
有人对M3C、M7C3、M23C6进行显微硬度测定，结果[13] 显示:
（Cr,Fe）7C3，Hv1 300～1 800；
（Cr,Fe）23C6，Hv1 140左右；
（Cr,Fe）3C，Hv800～1 200。
可见，（Cr,Fe）7C3型碳化物硬度最高，且每一种碳化物的显微硬度都随碳化物中铬含量的增加而增加。
因此，在高铬铸铁中总是希望得到（Cr,Fe）7C3碳化物，以增加高铬铸铁的耐磨性。所以需要选取合适的碳以及铬成分含量以得到（Cr,Fe）7C3型碳化物。高铬铸铁中结晶碳化物类型与C%、Cr%含量的关系如图2 [11]所示。
图2 Fe-Cr-C三元系合金液相切面[11]
图2是高铬铸铁中液相凝固时产生的组织类型以及碳化物类型与高铬铸铁中的铬碳比之间的关系。由图2可见，铬碳比在3.5～10.2之间时，都会产生（Cr,Fe）7C3型碳化物。
对高铬铸铁中的碳化物数量进行研究表明，碳含量与铬含量均对碳化物数量有一定的影响，但碳元素的作用比铬元素的作用要强得多，如图3。
其中的经验公式为：碳化物数量（％）＝12.33（C％）+ 0.55（Cr％）-15.2。
图3 碳化物数量的影响因素
1.2
高铬铸铁共晶点碳、铬含量对应关系研究
43
γ与M7C3共晶组织C、Cr含量如表2所示。
1.3 铸造高铬铸铁的应用
有文献研究指出：铬含量保持15％基本不变时，随着碳含量的增加，共晶碳化物量逐渐增加，更在碳含量3.86％时出现初生碳化物M7C3，得到过共晶组织，出现初生碳化物，此时碳化物量也急剧增加，较其它成分的碳化物量高出很多。这说明过共晶组织的形成可以明显增加碳化物量，从而在组织中各相的良好相互支撑下能使耐磨性得到较大程度的提高。文献[1]在对各种成分的高铬铸铁进行的两体磨损和三体磨损试验表明低应力磨粒磨损中过共晶组织的高铬铸铁耐磨性最强，而在高应力磨粒磨损中过共晶组织耐磨性较差。这说明高铬铸铁过共晶组织有着非常优异的抗低应力磨粒磨损性能。但是目前在铸造高铬铸铁中过共晶组织应用不多，大多数高铬铸铁组织为亚共晶或共晶，相应的含碳量也较低。
在冶金备件上[6]主要研究的是Cr15系列，含碳量在2.0%左右；在破碎煤粉的球磨机磨球以及衬板上应用的高铬铸铁[9]碳含量在2.6%～2.8%、铬含量13%～17%。太阳能黑光灯
文献[10]介绍工业上采用的高铬铸铁成分12%～15%、18%～22%、25%～30%，相应的铬碳比为4.5～6.5、7～9、9～10。据此计算出的碳含量范围为2%～3%之间，碳含量较低。
综上所述，铸造高铬铸铁的碳以及铬含量都较低，而且由于得到的都是亚共晶或者共晶组织，组织中碳化物量较低，抵抗低应力磨粒磨损的性能肯定不如过共晶组织。
要得到过共晶组织，就要提高高铬铸铁中的碳含量，但是这样会产生如下问题[10]：（1）碳含量超过3%的高铬铸铁高温浇注并补充不充分时，会出现大量肉眼就可看到的针状晶体，晶体之间有显微空隙，与疏松类似。这些部分在磨损中容易从本体脱落，造成磨损加剧。（2）高铬铸铁会在铸造中产生很大的铸造应力，甚至产生热裂纹。在厚大铸件中会产生热应力，导致铸件变形或开裂。
2 高铬铸铁系合金在堆焊方面的研究与发展
由前文论述可知：用铸造方法获得超高碳高铬含量的耐磨合金材料的可操作性非常小。而堆焊中由于堆焊合金要求的是良好的耐磨性，只要保证堆焊金属与母材的结合性使堆焊合金不脱落或者剥落，则在堆焊过程中高铬铸铁堆焊金属产生垂直于焊缝的裂纹是允许的，而且这样的裂纹是应力释放裂纹，可以减少堆焊合金断裂脱落的可能性。故用堆焊的方法可实现超高碳高铬合金组织研究的目的。
2.1 高铬铸铁堆焊焊条的研究
高铬铸铁堆焊合金常采用过共晶组织。过共晶组织中有大量的初生碳化物硬质耐磨相，能够起到骨干抗磨作用。
对高铬铸铁堆焊合金的研究，目前多数集中在对高铬铸铁堆焊焊条堆焊合金的组织性能研究上。国家标准中给出的高铬铸铁堆焊焊条牌号、成分如表3[2][3][4][5]所示。高铬铸铁堆焊合金具有非常高的抗低应力磨粒磨损性能。一般的高铬铸铁堆焊合金成分为：C=1.5%～5.0%、Cr=15%～32%，并适量加入Ni、Si、Mn、B、Co、Mo、Cu等。合金的基体组织为残余奥氏体+共晶碳化物，且合金组织中含有大量的初生碳化物。
初生碳化物（Cr,Fe）7C3形态与生成条件有关（C，Cr的含量），过共晶成分液相中析出的初生碳化物晶体一般呈六方棱柱状（又称纤维杆状），断面为六方形，中心常有孔洞。共晶碳化物与初生碳化物一样都趋向于体积凝固[15]。
对于堆焊合金，也有资料显示[15][16]过共晶组织高铬铸铁堆焊合金中初生碳化物（Cr,Fe）7C3的不同位向的显微硬度值不同，如表4所示。
堆焊时希望堆焊合金中初生碳化物（Cr,Fe）7C3的横断面作为耐磨面。此时，堆焊层耐磨性比用初生碳化物（Cr,Fe）7C3纵断面作为耐磨面时的耐磨性要高出很多。由于初生碳化物为纤维杆状结构，就要求初生碳化物以垂直于堆焊面生长。
王智慧等[16]对Fe-Cr-C系堆焊合金初生碳化物（Cr,Fe）7C3生长方向的研究表明：碳含量增加时，堆焊合金中初生碳化物M7C3越来越多，初生碳化物生长方向随碳含量的增加越来越趋向垂直于耐磨
堆焊合金表面。
M7C3型初生碳化物（Cr,Fe）7C3生长方向的机理为[16]：（1）碳当量很高时，液相中初生碳化物形核与长大的速度都较快。以联生结晶生长方式生长的初生碳化物在碳当量很高时，联晶生长的某些
表2 γ-Cr7C3共晶的C、Cr的含量[10][7]（质量分数，%
）
44
45
生长方向受到抑制，主要的生长方向变为垂直于等温线，造成碳含量很高时，堆焊合金中初生碳化物（Cr,Fe）7C 3沿垂直于堆焊层耐磨表面生长；（2）M 7C 3型初生碳化物（Cr,Fe）7C 3联生结晶时，最易生长的方向与堆焊焊缝散热最快的方向（温度梯度最大的方向）一致，而焊缝最快的散热方向垂直于等温线，所以碳化物生长方向垂直于耐磨表面；（3）过冷度越大，原子扩散越受到限制，
碳化物形核几率越大，碳化物越不易长大。故而冷却方式增加过冷度时，碳化物数量增加，尺寸较小，大小也比较均匀。
提高堆焊合金中碳含量就可使初生碳化物沿垂直于堆焊层耐磨面生长。提高堆焊熔敷金属凝固时的过冷度，会使堆焊合金中的碳化物的尺寸变小，得到细化的碳化物，更能增加碳化物分布均匀性，并使碳化物数量增加。因此在堆焊过程中提高冷却速度对堆焊合金的组织及性能有益。
2.2 高铬铸铁堆焊中的初生碳化物数量及硬度
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在耐磨堆焊中，低应力磨料磨损主要依靠表面的高硬度硬质层来达到高耐磨性的要求。因此，我们研究高铬铸铁耐磨堆焊合金，必须研究高铬铸铁
堆焊合金的硬度以及硬度的影响因素。根据文献[17]中立磨磨辊及磨盘堆焊方面的论述可知，承受剧烈的低应力磨粒磨损部件在进行耐磨堆焊材料的选择时，要求堆焊材料含有大量的合金碳化物以提高低应力磨粒磨损的磨损抗力。高铬铸铁过共晶组织堆焊合金中有大量的（Cr,Fe）7C 3初生碳化物，这些初生碳化物是堆焊层具有较高硬度的直接原因。（Cr,Fe）7C 3初生碳化物也是过共晶合金堆焊层的主要耐磨相。
文献[16]及[14]对不同碳含量的高铬铸铁堆焊焊条的堆焊组织进行的研究见图4。
图4及其与表5相对应的成分表明，随着碳含量的逐渐增加，初生碳化物数量明显增加。
qq空间登录网站碳在堆焊合金中的含量，对堆焊层硬度影响非常大。这是因为过共晶组织中，碳是形成初生碳化物相的主要元素，碳含量增多，初生碳化物数量也增多，而初生碳化物作为主要的硬质相，其数量的增加必引起堆焊层宏观硬度的增大[14]。图5是硬度（HRC）与碳含量的关系。由图5可知，随碳含量增加堆焊层硬度剧烈增加。3 结束语
高铬铸铁堆焊合金的组织研究，主要包括：初生碳化物垂直堆焊表面生长的机理研究及其微观组织分析；碳含量变化时初生碳化物的数量研究及堆焊合金的硬度变化规律；初生碳化物（Cr,Fe）7C 3不同位向的显微硬度分析，研究可知初生碳化物横断面的显微硬度最高；高铬铸铁堆
焊合金的组织研究。
表3 高铬铸铁堆焊焊条熔敷金属成分(质量分数,%)
表4 初生碳化物(Cr ，Fe)7C 3
不同位向显微硬度
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表5 堆焊合金成分[14][16]（%）
图5 高铬铸铁堆焊合金的碳含量与堆焊层硬度的关系[14]
郑州机械研究所特种焊接材料研究室对此项目进行专项研究并取得了阶段性的研究成果，目前已经形成了系列产品：ZD901-O以及ZD902-O。该系列焊丝在矿渣立磨以及原料立磨上应用非常广泛，效果
显著。
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高铬铸铁堆焊合金与铸造高铬铸铁在研究的方向上基本相同，在不断的研究中可以相互借鉴，但是从研究的结论看堆焊高铬铸铁合金具有铸造高铬
铸铁不可比拟的优越性，可以随意增加碳以及铬元素的含量形成不同的组织。因此我们可以广泛地对
堆焊高铬铸铁进行研究，从而有更多发现。
图4 不同碳含量时堆焊合金微观组织
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水下滑翔机
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（收稿日期：2009-10-20）
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