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第六章 合金元素在铸铁中的作用及合金铸铁
  在铸铁中加入一定的合金元素可以改变铸铁的铸态或热处理后的组织，从而改变其物理性能和化学性能。我们把含有一定数量的合金元素，从而具有特定的物理或化学性能的铸铁称为合金铸铁。本章主要介绍合金铸铁中常见合金元素在铸铁中的作用及合金铸铁的组织及性能特点。 
第一节 铬在铸铁中的作用及铬系耐磨铸铁 
一、铬对铁碳相图的影响及含铬碳化物 
为了更好地了解铬在铸铁中的作用，首先介绍有关相图。图6—1是Fe-Cr二元相图。在Fe-Cr相图中，γ相区接近于环弧状，与Fe-C相图的γ相区相比，其温度范围要小一些，而成分范围更大一些。在该相图中存在着σ相区，这种相为脆性相。

图6—1 Fe-Cr二元相图
1──非平衡磁性转变线 2──平衡磁性转变线
图6—2为杰克逊（Jackson）用热分析法得到的Fe-C-Cr三元相图的液相面投影图。

6—2 Fe-C-Cr三元合金的液相面图
    该图表明，Fe-C-Cr合金凝固时，随合金成分的不同，可以析出α、γ、K1、K2、KC五种不同的相。在这五种相中，α和γ是固溶体相，其余三个相为结构不同的碳化物相，它们分别为：
K1＝(Cr,Fe)23C6
K2＝(Cr,Fe)7C3
KC＝(Cr,Fe)3C
    按照杰克逊所提出的相图，在准稳态时Fe-Cr-C三元合金有三个包共晶反应和一个包共析反应，即
1449℃时，
L＋ K1→α＋K2
1292℃时，
L＋α→γ＋K2
1184℃时，
L＋K2→γ＋KC
795℃时，
γ＋K2→α＋KC
    这三种碳化物的晶体结构类型及其溶解碳和铬的能力见表6—1。 由图6—2可以看出，铬对铁碳合金中碳化物的相结构有重要影响。当铬含量很低时，铁碳合金中的碳化物为KC；铬含量较高时，碳化物主要为K2；而只有当铬含量大于60%时，才可以在很窄的含碳量范围里析出K1相。这些碳化物可以和γ相形成共晶体，如果合金是亚共晶成分，则凝固时先析出γ相，当铁液成分达到共晶成分时，析出γ相和碳化物共晶体；如果合金是过共晶成分，则先析出碳化物，然后析出共晶体。
表6—1 Fe-C-Cr中碳化物结构类型及其溶解碳铬能力
碳化物类型
晶格结构
晶格常数
密度
溶解C、Cr的能力
(Cr,Fe)3C
斜方晶系
a=4.52
b=5.09
c=6.74
7.67
6.67%C,<20%Cr
(Cr,Fe)23C6
面心立方晶系
c=10.64
6.97
5.6%C,<59.0%Cr
(Cr,Fe)7C3
六方晶系
a=6.88
b=4.54
6.92
9%C,与α相平衡时，Cr=26.6～70%
通过γ三角区右边的斜线，可以大致估算出获得全共晶组织时铸铁中铬和碳含量的关系（见表6—2）。
表6—2 铸铁中全共晶组织时Cr—C含量（%）
Cr
C
15
3.6
20
3.2
25
3.0
图6—3为Fe-C-Cr三元相图中含铬量分别为5%、13%和25%的等铬量垂直截面图，从中我们可以了解到不同成分的Fe-C-Cr合金冷却过程中组织转变。

6—3 Fe-C-Cr三元相图等铬量垂直截面图（点击放大）
(a) 含Cr5%; (b)含Cr13%; (c)含Cr25%
K1─(Cr,Fe)23C6；K2─(Cr,Fe)7C3；KC─(Cr,Fe)3C
    许多学者的研究表明，铬对Fe-C相图有以下影响：
（1）减小γ相区，并使共析点左移，γ相中碳的最大溶解度降低，当铬量达到20%时γ相区缩为一点，不再有单独的γ相存在；
（2）使δ相的稳定温度降低；
（3）使α相的稳定温度升高；
（4）随着铬含量的提高，碳化物由(Fe,Cr)3C型依次向(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C6型转变。由于铬对铁碳合金组织的上述影响，使铬在耐磨铸铁中得到广泛应用。 
二、含铬铸铁中的初生碳化物 
T.奥希德（T.Ohide）用含碳量为4.3%的过共晶铸铁研究了不同铬含量对铸铁中初生碳化物的影响。结果表明，当含铬量为2～5%时，铸铁中初生碳化物为(Fe,Cr)3C型，试样由外表向中心逐层凝固。随着铬含量的提高，试样体积凝固特征增强，当铬含量为20～30%时，初生碳化物为(Fe,Cr)7C3型，试样具有明显的体积凝固特征。用扫描电镜观察初生碳化物的形貌，(Fe,Cr)3C型碳化物为表面带有沟槽的片状，而(Fe,Cr)7C3型为相互交织的六角形杆状。在过共晶高铬铸铁中，初生碳化物常常处于共晶晶区的中心。由此可以推断，在这种条件下，共晶转变首先在初生碳化物周围开始进行。 
三、含铬铸铁中的共晶组织 
在莱氏体共晶中渗碳体是领先相，而对于高铬铸铁而言，在(Fe,Cr)7C3型碳化物与奥氏体共晶中奥氏体是领先相。高铬铸铁的共晶属于纤维状的小晶面（碳化物）──非小晶面（奥氏体）共晶，其特征是奥氏体连成一片，在奥氏体或其转变产物上分布着硬而脆的纤维状碳化物(Fe,Cr)7C3，这些碳化物有许多是空心纤维。高铬铸铁所具有的这种组织特征使其韧性有一定程度的提高。 
共晶转变的温度区间对铸铁的共晶组织形貌有影响。当共晶转变温度区间较小时，共晶晶区的外形较平坦，碳化物尺寸较小，而且均匀。铬含量对高铬铸铁共晶转变温度区间有影响，图6—4为实测铬含量与共晶转变温度区间的关系。从中可以看出，含铬30%时共晶转变区间最小，只有20℃左右；含铬15%时，共晶转变温度区间最大，大约为65℃。

6—4 共晶转变温度与铬含量的关系 
四、铬系耐磨铸铁 
按照含铬铸铁的组织结构和使用情况，铬系铸铁可以分为三大类：
第一类为具有良好高温性能的铬系白口铸铁。这种铸铁含铬量为33%，其组织多数为奥氏体和铁铬碳化物，有时也出现铁素体。这种合金除具有一定的耐磨性外，在温度不高于1050℃的高温工作条件下，具有良好的抗氧化性能，也适用与在低腐蚀条件下工作。
第二类为具有良好耐磨性的铬白口铸铁（简称高铬铸铁）。这种铸铁中除含有12～20%的铬外，还含有适量的钼。这类铸铁凝固后的组织为(Fe,Cr)7C3型碳化物和γ相。在随后的冷却过程中，γ相可部分或全部转变为马氏体。当基体全部为马氏体时，这种合金的耐磨性能最好。如果基体中存在部分残余奥氏体，则在载荷作用下，在磨损过程中仍会有一些残余奥氏体转变为马氏体。为了获得良好的耐磨性能，希望这种合金中的奥氏体全部转变为马氏体。但在铸态下，这种转变往往是不充分的，因此这种合金通常要进行热处理。
第三类为低铬合金白口铸铁。与普通白口铸铁相比，这种铸铁中碳化物的稳定性更好。这是因为在这种合金的凝固过程中，铬可以完全溶入碳化物中，而使凝固后得到的碳化物相稳定而不分解。
目前在高合金白口铸铁中使用最广泛的是高铬铸铁，下面详细介绍这种铸铁。
1.高铬铸铁的化学成分与组织
高铬铸铁中的主要合金元素是铬。铬含量在10%以上时才能可靠地得到(Fe,Cr)7C3型碳化物。铬除形成碳化物外，还有一部分固溶于γ相中，提高其淬透性。高铬铸铁的淬透性与铬和碳的含量有关，随铬碳比的增加，淬透性提高，高铬铸铁的铬碳比通常为4～8。
高铬铸铁的性能与其碳化物的含量有直接关系，提高碳化物含量，可以提高其抗磨性，但韧性和淬透性降低。高铬铸铁中碳化物的含量与其碳和铬的含量有关，其定量关系可由下式表示
K%＝11.3C%+0.5Cr%－13.4
由上式可见，提高碳和铬的含量，可提高碳化物的百分含量(K%)，其中碳的作用比铬大得多。
为了提高高铬铸铁的淬透性，往往在高铬铸铁中加入一定的合金元素，这些元素通常是钼、镍、铜等。有时高铬铸铁中还含有少量的钒、硼等元素，其中钒可以使碳化物球化，并细化高铬铸铁的组织，从而使其韧性提高；硼可促进碳化物的形成，并固溶于金属基体中，提高其显微硬度。
高铬铸铁的成分可参见表6—3。 
表6—3 美国Climax钼公司高铬铸铁成分及硬度 
表中15-3是指Cr15%-Mo3%，15-2-1是指Cr15%-Mo2%-Cu1%，20-2-1是指Cr20%-Mo2%-Cu1%。在15-3牌号中，高铬铸铁又按碳的高低分为四类，其中低碳的韧性好但硬度低，适合于冲击载荷比较大的工况，高碳的硬度高，但韧性相对较差，适合于冲击载荷较小的场合。
2. 高铬铸铁的铸造性能
高铬铸铁的铸造性能较差，表6—4为几种含铬铸铁的铸造性能，由于高铬铸铁的导热性低，塑性差，收缩大，其热裂和冷裂的倾向都比较大。
表6—4 几种含铬铸铁的铸造性能
3. 高铬铸铁的热处理
要获得具有理想的金相组织和良好的耐磨性的高铬铸铁，热处理是十分重要的环节。图6—5为一种高铬铸铁的等温转变曲线。

图6—5 高铬铸铁等温转变曲线
成分（%）：C2.45% Cr20.2% Mo1.52%
(a) 未去稳定处理 (b) 去稳定处理1000℃/20min
图中所示去稳处理是指升温至奥氏体化温度，析出二次碳化物，使奥氏体中的碳及其它合金元素含量有所降低，从而使奥氏体的稳定性也有所降低的处理过程。若把珠光体转变鼻子在时间轴上的位置称为珠光体时间，则珠光体转变时间（τ珠）与合金成分的关系可用下式计算：
lgτ珠＝2.61－0.51C+0.05Cr+0.37Mo，s
此式适用于下述成分的合金：C1.95～4.31%, Cr10.8～25.8%,Mo0.02～3.80%。
对于连续冷却过程可以采用连续冷却转变曲线（CCT曲线）。图6—6为一种高铬铸铁的连续冷却转变曲线，由该图可以预计不出现珠光体的临界试棒尺寸。对于不同成分的高铬铸铁，不出现珠光体的临界试棒尺寸可用下式估算（D）：
lgD＝0.32＋0.158 (Cr/C)＋0.385Mo, mm

图6—6 高铬铸铁的连续冷却转变曲线
成分（%）：C2.45% Cr20.2% Mo1.52%
奥氏体化处理：1000℃/20min
化学成分%
15-3
15-2-1
20-2-1
超高碳
高碳
中碳
低碳
C
3.6～4.3
3.2～3.6
2.8～3.2
2.4～2.8
2.8～3.5
2.6～2.9
Cr
14～16
14～16
14～16
14～16
14～16
18～21
Mo
2.5～3
2.5～3
2.5～3
2.4～2.8
1.9～2.2
1.4～2.0
Cu
－
－
－
－
0.5～1.2
0.5～1.2
Mn
0.7～1.0
0.7～1.0
0.5～0.8
0.5～0.8
0.6～0.9
0.6～0.9
Si
0.3～0.8
0.3～0.8
0.3～0.8
0.3～0.8
0.4～0.8
0.4～0.9
S
＜0.05
＜0.05
＜0.05
＜0.05
＜0.05
＜0.05
P
＜0.10
＜0.10
＜0.10
＜0.10
＜0.06
＜0.06
空冷时不析出
珠光体的最大
断面，mm
－
70
90
120
200
＞200
硬度HRC
铸态
－
51～56
50～54
44～48
50～55
50～54
淬火
－
62～67
60～65
58～63
60～67
60～67
退火
－
40～44
37～42
35～40
40～44
38～43
表6—3 美国Climax钼公司高铬铸铁成分及硬度 
    表中15-3是指Cr15%-Mo3%，15-2-1是指Cr15%-Mo2%-Cu1%，20-2-1是指Cr20%-Mo2%-Cu1%。在15-3牌号中，高铬铸铁又按碳的高低分为四类，其中低碳的韧性好但硬度低，适合于冲击载荷比较大的工况，高碳的硬度高，但韧性相对较差，适合于冲击载荷较小的场合。
铸铁
温度，℃
密度
g/cm3
收缩,％
  流动性
（1400℃）
mm
热裂倾向等级
液相线
固相线
线收缩
体收缩
Ni-Hard 2
1278～1235
1145～1150
7.72
2.0/
(1.9～2.2）
8.9
400/
(310～500）
1/(1～2)
高铬白口铸铁（C2.8，Cr28，Ni2)
1290～1300
1255～1275
7.46
1.94/
（1.65～2.2）
7.5
350/
(300～400）
3/(3～4)
高铬白口铸铁（C2.8，Cr17，Ni3，Mn3)
1280～1300
1240～1265
7.55～7.63
2.0/
(1.9～2.2）
7.5
400/
(370～500）
3/(3～4)
珠光体白口铸铁
1340～1290
1145～1150
7.66
1.8
7.75
240/
(230～260）
＜1
高铬白口铸铁（C2.8，Cr12，Mo1)
1280～1295
1220～1225
7.63
1.83/
（1.8～1.85）
7.8
530/
(500～560）
2/(2～3)
高铬白口铸铁（C2.3，Cr30，Mn3)
1290～1300
1270～1280
－
1.7～1.9
－
375～400
－
表6—4 几种含铬铸铁的铸造性能
注：1.表中分数的分子为平均值；
    2.热裂倾向值越小，热裂倾向越大；
    3.铸铁化学成分为％

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