鐵碳化物
鐵碳化物
含鉻大於11%的鉻系白口鑄鐵成為高鉻鑄鐵，馬氏體Cr15高鉻鑄鐵是目前國內外廣泛應用的較典型的耐磨鑄鐵，用於製造磨球、襯板等，取得了較好的節材降耗效果。馬氏體高鉻鑄鐵磨球具有較高的硬度，但韌性較差。馬氏體Cr15磨球是經熱處理淬火加回火的工藝獲得的，因此需要一套專用的熱處理設備。這不僅投資及能源消耗大、生產周期長、生產成本也較高，從而影響了它的廣泛應用。
我們的目的是研製一種既有高鉻鑄鐵的耐磨性和韌性，生產工藝簡單、成本低廉的材料：鑄態高鉻屈氏體磨球。它與淬火馬氏體Cr15磨球相比，具有省工、省時、省能耗、省原材料消耗的的優勢。它的生產應用能產生較大的社會效益。
碳：碳為生成共晶碳化物（Cr·Fe）7C3的主要元素，共晶碳化物在耐磨性方面起著重要作用。碳含量決定碳化物的數量。選擇較高的碳含量，可獲得較多的高硬度碳化物。為提高耐磨性，碳的質量分數應控制在2.8～3.1%。
鉻：鉻含量決定碳化物的類型。為保證碳化物以M7C3為主，鉻含量必須大於12%，過低不能形成高硬度的（Cr·Fe）7C3型碳化物；過高則成本提高。因此鉻的質量分數為12～14%。
硅：硅的主要作用是提高Ms點，減少殘餘奧氏體。一方面硅固溶於基體中，顯著降低淬透性。隨著硅含量增加，碳化物變得細小，硅溶於基體中使奧氏體含碳量降低；另一方面，硅又使奧氏體枝晶得到細化，碳化物變得細碎。而且硅含量增加，碳化物增加，硬度、耐磨性提高，但衝擊韌性降低。
生產鑄態高鉻屈氏體磨球，適當提高硅含量，對於硅溶於基體中促進屈氏體轉變的傾向，提高鑄鐵的抗腐蝕性有利，因此確定硅的質量分數為1.0～1.4%。
錳：錳是提高淬透性，擴大奧氏體區的一種有效元素。在高鉻鑄鐵中錳的作用：一是脫氧；二是強化基體和碳化物。含錳量過高，增加了奧氏體的穩定性，降低了Ms點，不利於鑄態奧氏體的轉變。但少量的錳對於屈氏體有細化作用。考慮脫氧和脫硫的需要，錳的質量分數應控制在0.6～0.9%。
硫、磷、硫、磷為有害元素，對高鉻鑄鐵的抗衝擊韌性危害極大，含量應越少越好。尤其在濕磨時，硫會加速金屬材料的腐蝕，進而加快腐蝕與磨損的交互作用，所以，硫的質量分數應控制在小於0.03%，磷的質量分數應控制在小於0.04%為宜。
微量合金元素：加入適量釩、鈦可以達到細化晶粒，阻止形成網狀碳化物的目的，控制量為V0.15～0.3%，Ti0.08～0.15%。因釩、鈦價格昂貴，可暫不加入，增加0.3%銅。
用中頻或工頻感應電爐熔化，酸性爐襯最為經濟實惠。主要原料為碳素鉻鐵、生鐵、廢鋼、釩鐵、鈦鐵、錳鐵、硅鐵等，加料順序為：加少量碳素鉻鐵——回爐料——生鐵、廢鋼——熔化末期加入其餘碳素鉻鐵（避免燒損過大）。熔化初期在高碳低鉻（≤2%）成分下進行，防止出現過高的溫度，溫度控制在1450℃左右為宜，此時鐵水氧化膜消失，鐵水表面清潔明亮，同時往後翻黑泡時溫度約為1450℃，即為反應平衡溫度，加入釩鐵后快速升溫直至鐵水出現微量火花（溫度約為1480℃）時扒渣，用0.15～0.2%鋁脫氧后覆蓋珍珠岩，攪拌，扒渣，出爐。
高鉻鑄鐵液的變質處理系統採用包底沖入法。變質劑通常採用稀土硅鐵合金，用量為0.5～1.2%。近年來許多專業鑄造廠均採用一些秘方變質劑，目的是碳化物進一步孤立化、細碎化，甚至呈團球化，減少對基體的割裂作用；提高材質的衝擊韌性，減少磨球的碎裂；從而提高磨球的耐磨性能。現提出以下配方供參考：
型號：YFB，化學成分Re（Y）23～25%，Ba3～5%，Ca1～2%，Mg2.5～3.5%，Fe其餘。加入量0.4～0.8%。
以上三種變質劑均可有效改善白口鐵的初晶及共晶碳化物的形態，使共晶以離異方式進行，使碳化物呈不連續分佈，減弱了碳化物對基體割裂作用，使基體的連續性得以保護。同時，由於稀土與氧、氮、硫等有很強的親和力，加入鐵液後起到脫硫去氣的作用，可以有效的凈化晶界、細化晶粒，從而提高晶界與相界面的強度。
金屬型因其導熱性能高，對磨球具有激冷效果，顯著細化晶粒、提高耐磨性，其力學性能和抗耐磨性能均較砂型鑄造的磨球有較大幅度提高。
試驗時可採用目前使用的金屬型加保溫冒口套的鑄造工藝方法。鐵水過熱溫度一定時，澆注溫度越低，材料的韌性越好，但對硬度無大的影響。在保證能獲得輪廓清晰磨球的情況下，應採用較低澆注溫度，控制在1360～1410℃為宜。
熱處理的主要目的是消除內應力。一般小型鑄造廠，在採用金屬型澆注的工藝條件下，高溫開型，開型溫度為850～900℃，開型后空冷過程中，打去冒口；磨球溫度在600℃左右時，迅速用保溫材料掩埋，利用磨球自身的餘熱進行退火處理，待磨球溫度降至100℃以下時取出，實現鑄態高鉻屈氏體磨球的生產應用。