0 引言

高铬铸铁由于硬度高已被证明是最优秀的耐磨材料之一。但高铬铸铁中脆、硬的碳化物减弱了高铬铸铁工件基体抗冲击的能力，使其在高冲击载荷下的应用受到限制，因此提高高铬铸铁的韧性一直是研究人员多年来追求的目标。围绕这个问题，国内外已做了大量的工作，其共同点在于企图改变共晶碳化物的形状，通过改变铸铁中石墨形态而带来大幅度提高铸铁韧性的效果。然而现有研究结果表明：仅改变共晶碳化物的形态，高铬铸铁的韧性仍旧不够稳定。因此，在改善高铬白口铸铁共晶碳化物形态和分布的同时，更重要的是要在细化共晶碳化物，提高晶界冶金质量，合理选择基体组织等方面下功夫，以达到高性能化的要求。笔者从影响高铬铸铁韧性的各方面因素以及合金化、热处理、变质处理、熔炼工艺等方面对高铬铸铁的强韧化影响进行了探讨。

1 影响高铬铸铁韧性的因素

影响高铬铸铁韧性的因素包括：晶粒度、夹杂物以及碳化物的形态。文献[1]指出，选择最佳的淬火温度、获得较细的晶粒可显著地提高高铬铸铁的断裂韧性K_IC。

1.1 夹杂物对韧性的影响

冶金品质差时, 铁液中含有较高的N、O和S, 形成氮化物、氧化物和硫化物等夹杂物。由于夹杂物大部分都是强度很低的相, 会降低材料的强度而增加脆裂倾向，严重地影响高铬铸铁的综合力学性能。

1.2 晶粒度和晶界状态对韧性的影响

共晶高铬白口铸铁凝固温度范围宽, 因而晶粒粗大, 高铬铁素体晶粒的粗大化，导致脆性增加。

从文献[1]了解到，由于晶粒边界两边晶粒的取向不同, 因而晶界是原子排列紊乱的地区, 当塑性变形由一个晶粒横过晶界进入另一个晶粒时, 由于晶界阻力大, 穿过晶界困难; 另外穿过晶界后滑移方向又需改变, 因此和晶内的变形相比, 这种穿过晶界而又改变方向的变形需要消耗更大的能量。塑性变形能是裂纹扩展阻力的主要部分, 裂纹扩展阻力增大, K_IC也增大。如果材料晶粒越细, 则晶界面积越大, 故在一定区域内形变进而裂纹失稳扩展所消耗的能量就越大, 即K_IC就越大, 同时细化晶粒也有强化作用。晶界净化程度、夹杂物含量、形态及分布、晶界析出相、晶界密度、晶界总周长等晶界状态对K_IC也有很大影响。很明显, 晶界状态不仅影响晶界的物化性能, 也直接影响晶粒间的结合强度和相互连接状态, 甚至直接萌生裂纹和微观缺陷。

1.3 碳化物组织对韧性的影响

碳化物是脆性相, 对裂纹扩展阻力小, 使高铬铸铁韧性降低。碳化物含量越高, K_IC越低, 但碳化物达一定量时, 对高铬铸铁K_IC起作用的是碳化物的形态和分布^[1]。

高铬铸铁中M₇C₃型碳化物是以紧密的层状或纤维状存在于奥氏体或奥氏体的转变产物中, 呈现菊花的放射状共晶团, 由于M₇C₃型碳化物不成连续网状, 不破坏基体的连续性, 裂纹就无法沿碳化物连续扩展下去，因此对K_IC的改善大有好处。通过变质、高温热处理使碳化物变成团球状均匀分布, 会使高铬铸铁K_IC进一步提高^[2]。

2 提高高铬铸铁韧性的工艺方法 2.1 多元微合金化处理

微合金化处理高铬铸铁可改善共晶组织，提高其韧性。文献[3]报道了铜、铝加到质量分数（下同）为2.9 %C、0.6 %Si、0.8 %Mn、1.7 %Cr和0.4 %Mo的合金中，共晶碳化物有被细化和呈断续孤立状分布的趋势。这是因为铜、铝均为非碳化物形成元素，在不同程度上使铸铁中碳以石墨化析出，限制了共晶碳化物数量及其粗化。另外，铝脱氧作用强，易与铁水中的氧和氮生成高熔点氧化铝和氮化铝，弥散分布于铁水中形成大量结晶核心。由于奥氏体先行析出，不但细化了奥氏体晶粒，同时也阻止了后来的共晶碳化物长大和连续，所有这一切为提高铸铁韧性创造了条件。加入0.8 %Cu和0.4 %Al的高铬铸铁比处理前冲击值提高75.0 %，耐磨性提高68.4 %。许利民^[4]等人依据经典的高铬铸铁理论, 即在含碳量一定的条件下, 欲得到分布形态好、硬度高的M₇C₃型碳化物, Cr/C控制在5.0以上，并适量加入了合金元素。通过实验得到化学成分(%)控制范围在2.5 ~2.9C、14 ~16Cr、0.5 ~0.9Si、0.7 ~1.2Mn、1.2 ~ 1.8Mo、0.3~0.5V、0.1~0.3Ti、0.8~1.2Cu的高铬铸铁合金制造的破碎机锤头比高锰钢寿命提高了4倍。文献[5]报道了铌对高铬铸铁组织和性能的影响，铌在高铬铸铁中主要以NbC形式存在，显微硬度(HV)为2 400，对抗磨粒磨损更有效。铁水凝固过程中，弥散的NbC作为异质形核核心，加速了奥氏体的凝固，使共晶反应加快。文献[6]表明，铬系白口铁组织细化与凝固速度有关，凝固速度越大组织越细小，碳化物直径也越小。此外，铌的加入还起着分散、固定硫杂质的作用，从而改善铸铁的韧性。用含铌高铬铸铁制作杂质泵过流部件，比不加铌时其寿命可提高47.4 %。

2.2 除气处理

铬合金铸铁材料在熔炼过程中存在着氮气和氢气，用吹氩、吹氮及加钛等方法除气可提高冲击韧性，吹氩的效果比吹氮好，因为吹氩能同时除去氮气和氢气，而吹氮却只能除去氢气。加0.2 %Ti时，韧性增加，但加0.5 %Ti时，韧性反而下降，这是由于组织中出现了不少颗粒状的钛氮化物。由于除气使铬铸铁变得更加致密，其韧性随之提高。

文献[5]提出向铁液中通人20 min氩气后，其冲击韧性A_k值由8 J/cm²提高到10 J/cm²。

文献[7]提到德国容科公司对抗磨高铬铸铁的“沸腾”精炼，结果使金属液中的气体和夹杂物减少，流动性增加，凝固后晶界净化，使合金的质量及性能大为改善。文献[8]对高铬铸铁采用新工艺进行熔炼与铸造，包括精炼除气、除夹杂物、细化奥氏体及碳化物的结晶组织，在保证具有同样硬度的前提下，大大提高了高铬铸铁的韧性。

2.3 变质处理

变质处理是一种有效提高高铬铸铁韧性的方法，常用的变质剂元素有:Mg、Al、P、Zn、K、Na、B、V、Ti、RE、Ba与Ca等，其主要作用是改变碳化物形态，从而达到提高韧性目的。稀土是应用较广的变质剂。文献[9]报道了稀土对含2.8 %C、4.0 %Cr、0.72 %Si和0.85 %Mn铸铁韧性的影响。结果表明，加入0.9%稀土后韧性最好，同未变质相比，铸铁铸态和热处理态的冲击值分别提高45.7 %和50 %。稀土元素的特点是熔点低，原子半径大，在Fe-Cr-C合金中是强过冷元素，同时又是非碳化物形成元素。因此，在凝固过程中就会通过溶质再分配而富集在初生奥氏体结晶前沿熔体中，造成成分过冷，使初生奥氏体枝晶细化。稀土元素在生长的共晶碳化物上活化吸附，促使共晶过冷度加大和共晶凝固范围增大，导致共晶碳化物形成大量形核。偏聚在共晶碳化物择优长大方向成长前沿熔体上的稀土元素，阻止熔体中铁、铬、碳原子正常进入共晶碳化物晶体中，降低了共晶领先相碳化物择优长大方向上的长大速度，导致碳化物的分散化，从而促使碳化物均匀分布。正是由于碳化物形貌的改善，使脆性断裂时裂纹扩展路径受到阻碍，因而提高了冲击韧性。

文献[10]报道了加铝变质处理对高铬铸铁组织和性能的影响。结果表明，铝对碳化物的形态、大小及分布起明显的改善作用，加入0.2 %~0.3 %Al可大幅度提高力学性能，同未变质相比，弯曲应力σ_w提高20.2 %，A_K提高35.3 %，最高达9.2 J/cm²。

文献[11]指出含钨白口铸铁经Ce、K和Na变质处理后铸态组织中碳化物网状分布基本消失, 孤立化程度明显改善, 碳化物也明显细化。热处理后, 碳化物尖角基本消失, 碳化物趋于呈团球状分布, 碳化物表面的圆滑度增加。因此, 裂纹不易传播, 韧性相应提高，其冲击韧性提高72.2 %, 同时耐磨性也明显改善, 提高了49.9 %。文献[12]在高铬白口铸铁中加入稀土使碳化物细化成短棒状。单纯稀土变质很难彻底改变共晶碳化物的形貌和分布，近年来许多学者进行稀土复合变质的研究, 探讨RE₂B、RE₂V₂Ti、RE₂Mg的复合变质取得了良好的效果^{[2, 9]}。郭长庆等人将B₂Fe、Ti₂Fe、稀土合金和Nb₂Fe以变质剂的形式加入钢包中，经热处理后得到的高铬铸铁合金硬度HRC=62，冲击韧性12.3 J/ cm²，基体冲击韧性与未变质处理提高了120 %，耐磨性为高锰钢Mn13的4倍^[13]。

2.4 热处理工艺

为了提高高铬合金铸铁韧性，近年国内外开发了多种热处理新工艺。这包括通过深冷热处理提高基体的强韧性、及现在国内普遍采用的高温淬火加低温回火的热处理工艺。文献[4]研究表明，高铬铸铁在960~980 ℃保温较长时间, 过饱和奥氏体中会有富铬碳化物析出, 形成粒状的M₂₃C₆型碳化物。保温3~4 h, 直接出炉强制风冷, 夏季适当进行喷雾冷却的热处理制度。铸件本体硬度可以达到52~60 HRC。文献[2]报道了低铬铸铁的共晶碳化物经高温热处理后可以团球化，提高加热温度和延长保温时间，可以大大增加碳原子扩散通量，为碳化物团球化提供了必要条件，但温度过高或时间过长，又会造成碳化物过分粗化，产生飘带状碳化物。碳化物团球化后，韧性明显提高，与铸态相比，A_K值可提高90 %。文献[14]报道了等温淬火对2.3 %~3.2 % C、7.5 %~ 9.5 % Cr的铸铁韧性的影响。在经1 000 ℃奥氏体化和290 ℃等温处理后，室温组织是马氏体、贝氏体和奥氏体的混合组织，具有优良的综合力学性能，HRC为60，A_K为10.8 J/cm²。由于韧性的提高，应用这一工艺生产的磨球磨耗为237 g/t，低于普通马氏体高铬铸铁磨球的磨耗466 g/t。

2.5 铸造工艺

高铬铸铁可在电弧炉及感应电炉中熔炼，但不适于在冲天炉中熔炼，因铬元素烧损严重，大量增碳、增硫使铸铁性能无法保证。在电炉熔炼时要注意加料次序，先加废钢、生铁及回炉料，铬铁要在熔炼末期加人，以免过分烧损。铬铁及铜(或镍)氧化烧损轻微，可以与回炉料一起加入。正常熔炼时，铬的氧化烧损在5 %~15 %范围内。为提高高铬铸铁韧性，近年来出现了多种新的铸造工艺。

2.5.1 半封闭式浇注系统

高铬铸铁在熔炼过程中浇注系统可采用半封闭式浇注系统, 并在横浇道加设集渣包或加置过滤网使铁液平稳地流入型腔。内浇道尽量采用底注式或阶梯式, 防止铁液在浇注过程中产生二次氧化。

2.5.2 定向散热铸造

将一定温度的高温铸型置于水冷铝板之上, 然后浇入高温铁水, 造成型腔内铁水单向散热加快, 从而得到碳化物呈纤维状定向排列的凝固铸件。这种高铬铸铁衬板铸件的碳化物以纤维状定向排列且垂直于摩擦面分布, 在磨削时, 这种碳化物形成骨架, 全部凸起并覆盖于摩擦表面。这种铸件与砂型铸件相比, 其耐磨性和冲击韧性都较好^[15]。

2.5.3 铸造过程的清理顺序

铸造过程中要减少应力叠加，清理要按去披缝→去浇道→去冒口→打磨的顺序进行。去浇道和去冒口只能用锤敲的办法, 防止铸件产生的热应力与铸造应力叠加而开裂。

2.5.4 预埋钢筋网

在高铬铸铁中预埋钢筋网可以提高高铬铸铁的强韧性，此外，它还可以起激冷作用，有利于减少高铬铸铁中的缩孔和疏松等铸造缺陷，对于提高高铬铸铁衬板的使用寿命是有益的^[16]。

2.5.5 添加铁粉悬浮剂

加入适量铁粉作悬浮剂，可以提高高铬铸铁韧性，这是因为悬浮剂起冷却作用，好似许多微型冷铁进入型腔的金属液中，从随机方向吸收热量，从而改变铸铁凝固过程细化晶粒，减少缩孔和疏松等缺陷，提高结晶取向的随机性^[17]；但加入量过多，会导致夹杂物增多，对韧性提高不利，反而降低高铬铸铁工件的使用寿命。

3 结论

提高铬合金铸铁韧性的方法有多种，大部分已成功地应用于实际生产中，其中孕育和变质处理方便简单，处理成本低，但存在“孕育衰退”等问题，对大尺寸铸件中碳化物的细化，效果较差。合金化效果比较明显，但成本比较高。悬浮铸造需要特定的装置，金属熔液处理温度要求较高，也相应地增加了成本。目前普遍采用的方法是添加变质剂与热处理相结合来改善高铬铸铁的韧性和耐磨性。综合目前研究状况, 变质剂及合金元素对高铬铸铁中碳化物和晶粒的作用理论研究、新型复合变质剂的研制、以及针对具体工件的特殊铸造方法，将是提高铬合金铸铁韧性研究的主攻方向。