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1．课题来源及选题的目的和意义 课题的来源：教师科研项目 选题的目的及意义： 高铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁，发达国家在20世纪60年代，我国在20世纪80年代初为满足生产需要并在感应炉的应用逐渐普及的前提下，高铬铸铁才发展到较为广泛的实用阶段。由于高铬铸铁金属组织的特点使得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的韧性、强度、耐热性和耐磨性等，已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，并得到广泛应用，对于在常温和高温冲击磨损条件下应用，高铬铸铁更具有实用价值。 大家都公认高锰钢（Mn13）是一种高韧性冲击硬化著称的好材料，但在低冲击载荷条件下使用，都不能发挥潜在的冲击硬化能力，已逐步被高铬铸铁所取代，如破碎机的锤头、反击条等。美国用Cr15Mo3制造破碎机，冲击锤、离心机外壳和转子等，还用高铬铸铁生产带内外筋片的换热器、烧结炉料盘和炉条、燃烧器喷嘴、玻璃瓶模具及发动机阀座等。日本也已广泛应用高铬铸铁。前苏联研制12%~15%Cr、3%~5%Mn的高铬白口铸铁，其壁厚可达200mm的球磨机衬板，淬火硬度可达62HRC。欧美各国，高铬铸铁还用于热轧带钢精轧前段工作，欧洲约60%的热连轧机的工作辊条采用高铬铸铁，法国采用Cr20的高铬白口铸铁作冷轧工作辊，其硬度可达HS90以上。日本研究制造高铬铸铁轧辊代替部分半钢轧辊。我国在应用高铬铸铁方面也很广泛，不仅在锤头、衬板、磨球得到广泛应用，在轧机的轧辊、导卫、滚筒、高炉料钟、烧结机篦条等都应用相当成功。各种不同成分的高铬铸铁都具有各自的性能和相应的使用范围，只有当材料性能满足特定的工艺要求时，才能发挥其潜力，取得最好的使用效果。 |
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2．本课题所涉及的内容国内外研究现状综述 纵观抗磨材料的发展历史，它经历了普通白口铸铁、高锰钢、镍硬铸铁和铬系白口铸铁等几个阶段，上述抗磨材料各有利弊，都在不断完善，但总的趋势是向着提高材料性能/价格比方向发展。铬系白口铸铁起源于二十世纪初期，但其广泛应用却始于二次世界大战结束以后。半个多世纪来，国内外铸造工作者对铬在铸铁中的作用进行了大量的研究试验，使铬系白口铸铁性能不断提高，生产工艺逐渐简化。目前铬系铸铁磨球已取代了一些耐磨锻钢、中锰球铁和低合金。 钢等材质的磨球，在矿山、建材、冶金、火力发电等行业得到应用，成为国内外公认的、较好的抗磨材料。国内铸造工作者关于铬系白口铸铁的研究主要集中在化学成分选择、热处理工艺确定、变质剂选择、良好碳化物类型的获得及磨损机理研究等领域。国外铸造研究人员更致力于高铬铸铁微观组织结构、耐磨机理及新制备工艺开发的研究。 1、高铬铸铁国内研究现状 (1) 抗氧化研究现状 关于高铬铸铁的氧化行为，国内做了不少研究，像基体中含铬量、含碳量对氧化性的影响[1-3]，合金元素的影响等。结果表明高铬铸铁中原始基体含铬量决定了氧化过程中所形成的氧化物类型，因而决定了合金总体抗氧化性能；另外，随着含碳量增加，合金的氧化抗力增加；在合金加入稀土元素，能促进完整的:Cr2O3氧化层的形成，并且能改善氧化膜的粘附性，使合金的抗氧化性能增加。当然，也有关于高温服饰方面的书籍[4]，对铬的氧化物的性质，铬的氧化及Cr2O3氧化膜的性质及生长机理和铁-铬系材料的氧化机理作了较为详细的阐述和归纳总结。 (2) 热处理研究现状 利用正交试验法研究了淬火温度、保温时间和回火温度对Cr26高铬铸铁组织与力学性能的影响，并优化了热处理工艺参数。研究表明，随着淬火温度的提高，Cr26高铬铸铁淬火硬度随之增加。而延长淬火保温时间，淬火硬度则出现先升高后下降的趋势。对Cr26高铬铸铁热处理后力学性能的影响因素大小顺序为：淬火温度、回火温度、淬火保温时间。研究还给出了最佳热处理工艺为l000℃淬火，保温2h，风冷，加上260℃保温2h回火热处理，空冷。对应的Cr26高铬铸铁的力学性能为：59.5HRC，冲击韧度8.0 J/cm2，金相组织为马氏体＋M7C3碳化物＋二次碳化物＋残余奥氏体[5]。 研究了不同热处理参数对Cr20高铬白口铸铁磨片试样的硬度和冲击韧性。结果表明，以硬度为试验指标的热处理工艺参数中，回火温度最重要，其次为淬火保温时间，再次为淬火温度及回火保温时间。在本热处理试验范围内，Cr20铸铁试样的硬度均达到了57.5HRC以上，以960℃× 2.5 h空冷淬火+450℃×3.5h回火的方案热处理，获得最高硬度61.6HRC；冲击韧度2.31 J/cm2。Cr20铸铁的铸后热处理能在保持冲击韧性基本不变的前提下，有效提高Cr20铸铁的硬度，其金相组织主要由坚硬的条状共晶碳化物(Fe，Cr)7C3 和马氏体基体组成[6-8]。 马永杰研究了不同回火温度对高铬铸铁轧辊性能的影响。研究表明：高铬铸铁经过高温淬火和中温回火(1070℃+450～480℃)热处理后，高铬铸铁轧辊硬度高于铸态试样的硬度，耐磨性为铸态试样的1.61倍[9-12]。 2、高铬铸铁国外研究现状 (1) 抗氧化研究现状 烧结机台车篦条在使用过程中主要受到高温烧结矿的热作用。在含有CO、CO2、SO2及水蒸气介质中,受到气体的腐蚀作用;随着台车的运行, 温度又急剧降低, 受到冷热疲劳和磨损作用。因此要求篦条具有良好的抗氧化性、抗生长性和一定的抗高温磨损性能。烧结机台车篦条材质的发展经历了普通铸铁、耐热球铁、高铬铸铁、铸钢以及多元合金化高合金篦条等阶段。其中性能最好的是多元合金化高合金篦条, 高铬合金铸铁篦条具有良好的抗氧化性能[13]。 日本引进Cr27Ni 高铬铸铁篦条以来, 取得了良好的使用效果。但随着烧结机向大型化方向发展, 烧结强度加大, 台车篦条工作条件更加恶劣, 对绕结机作业率有更高要求,相应对台车篦条寿命提出了更高要求。各企业纷纷研制和使用改进型的高铬合金篦条, 其抗氧化性和热疲劳抗力都很高。篦条中加入适量的铝和硅使其组织细化, 有利于力学性能提高, C含量控制在1.8 % ～2.8%[14]。本文在降低高铬铸铁篦条含C量的条件下, 适当调整化学成分, 研究了低C高铬铸铁篦条的抗氧化性能, 同时考虑稀土作用。稀土可以通过改变合金晶粒度和碳化物分布形态来提高材料的强韧性[15]。 (2) 热处理研究现状 国外对含铬18.22%的高铬铸铁进行了不同淬火温度的热处理实验，探讨了淬火温度、碳化物和高铬铸铁力学性能的关系。研究发现：当淬火温度为800℃时， 二次碳化物主要以M23C6型颗粒为主，随着时间的延长，硬度逐渐增加。当淬火温度升高为900℃,1000 ℃和1100℃时，硬度先快速增加，在960℃左右达到最大，然后随淬火温度的升高而略有下降的趋势。在960℃左右高铬铸铁组织马氏体相增多，二次碳化物以M7C3型碳化物为主。当温度在1100℃，高铬铸铁的组织为奥氏体，二次碳化物溶解严重，硬度、耐磨性会受较大影响[16-17]。 国外对500℃环境使用的高铬铸铁产品的热处理进行了研究，得到了高硬度，并具有良好断裂韧性和热压缩强度的高铬铸铁。通过高温淬火和两个回火处理来提高高铬铸铁试样的整体硬度，并消除残余奥氏体奥氏体化对力学性能的影响，并对样品进行了500℃环境下的力学性能测定。结果表明，在500℃条件下，分散在高铬铸铁回火马氏体晶间的铬碳化物对其性能有较大影响，高温淬火加二次回火可得到高硬度， 并具有良好热韧性和热压缩强度的高铬铸铁产品[18]。 3、总结 (1) 选择高铬铸铁的淬火温度时, 应充分考虑铸铁的成分、铸件壁厚及淬火介质冷却能力, 以保证得到最佳的二次碳化物数量。回火温度选择应充分考虑淬火温度及铸铁的化学成分。 (2) 在一定的温度范围内, 随着淬火温度升高时, 硬度先升高而后下降, 冲击韧性变化趋势则相反。随着回火温度的上升, 硬度先是变化不大,然后下降趋势明显;同时, 随着回火温度的上升,高铬铸铁的残余内应力和晶体缺陷不断降低, 冲击韧性不断升高。 (3) 高铬铸铁组织经1000 ℃以上奥氏体化后空冷, 并在400℃回火, 共晶碳化物的分布形态得到改善, 组织为菊花状共晶碳化物+二次碳化物+基体, 能够获得良好的综合力学性能。 (4) 高温抗氧化性能基本不受烧结工况条件下剧烈温度变化的影响。 (5) 在900 ℃温度下，随着保温时间增长，氧化膜脱落越来越严重，铬元素减少，抗氧化性能低到达一定程度后，因为碳化物析出量越来越少，氧化物生成困难，氧化膜的形成也越来越困难，其抗氧化性能较弱。 |
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3.本课题有待解决的主要关键技术问题 3.4%C高铬铸铁在不同预处理加热温度、不同淬火+回火加热温度、1200℃下的高温抗氧化性的最佳热处理工艺。 |
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4．课题研究的内容和实施方案（主要包括研究内容、拟采用的研究方法、技术路线、预期成果、所采取方案的可行性分析等） 本课题主要研究3.4%C高铬铸铁在不同预处理加热温度、不同淬火+回火加热温度、1200℃下的抗氧化对组织与性能的改变来确定最佳组织和性能下的最佳工艺。 （1）上网查阅国内外对高铬铸铁研究的最新发展，集合高铬铸铁的Fe-Cr-C相图以及在现实生活中的实际运用合理的进行安排工艺流程。 （2）选择实验材料具体成分如下表：
（4）将高铬铸铁试样在800~980℃温度下间隔30℃进行加热比较，选择最佳的预处理温度。 （5）选择最佳预处理温度下的试样和铸态试样在960~1100℃温度下间隔30℃进行加热比较,选择最佳的淬火温度。 （6）选择最佳的淬火温度的试样进行回火，温度为450℃~650℃，保温1h，空冷。 （7）选择铸态试样在1200℃温度下进行加热，到温后分别保温时间为20h、40h、60h、80h、100h，探究其高温下的氧化性。 （8）将高铬铸铁在不同热处理下的组织进行比较，研究不同热处理下组织的变化情况。 （9）获得组织、性能最佳的热处理工艺。 预期成果： 1、通过实验研究：3.4%C高铬铸铁铸态组织是由奥氏体+一次碳化物+少量马氏体+莱氏体组成。随热处理温度升高，首先是莱氏体中的奥氏体向马氏体转变，然后初生奥氏体的边缘也向马氏体转变。 2、通过实验研究：3.4%C高铬铸铁在1200℃以下时具有良好的抗氧化行为，因为行成一层致密的复杂结构的氧化膜，大大提高了抗氧化行为。 |
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5．完成本课题的工作计划及进度安排(包括文献查阅、外文翻译、开题报告、方案设计与实现、计算与实验、论文撰写等) 设计总共16周。具体安排如下： 2016.03.05~2016.03.19：调研、收集资料（书籍和案例）、外文翻译； 2016.03.19~2016.03.23：撰写开题报告； 2016.03.26~2016.03.30：列出一系列高铬铸铁的热处理方式，最后确定方案； 2016.04.02~2016.05.18：实际进行高铬铸铁的热处理，记录各个阶段的数据与图片； 2016.05.21~2016.06.01：进行系统化的分析，分析所有的数据与图片确定最佳组织和性能下高铬铸铁的最佳热处理工艺； 2016.06.04~2016.06.20：论文撰写、装订与提交，准备答辩。 |
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6. 参考文献 [1] 张安峰, 邢建东, 陆文华. 高铬铸铁的氧化行为[J]. 金属学报, 1993, (6): 263~267. [2] 赵学增, 邢建东, 周庆德. 碳对Fe-Cr-Mn合金高温氧化及磨损的影响[J]. 金属学报, 1992, (6): 253~258. [3] 张安峰, 邢建东, 陆文华. 原始基体含铬量对高铬铸铁抗氧化性能的影响[J]. 铸造技术, 1994, (2): 43~46. [4] 朱日彰, 何业东, 齐慧滨. 高温腐蚀及耐高温腐蚀材[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1993. [5] 朱丽娟, 杨程坤, 刘越, 等. 高炉衬板用Cr26高铬铸铁热处理工艺研究[J]. 铸造, 2010, 59(3): 308-311. [6] 黄钧声, 陈浩然, 曾秀敏, 等. Cr20高铬白口铸铁磨片的热处理工艺[J]. 金属热处理, 2008, 33(6): 8-55. [7] 黄钧声. 我国高铬抗磨白口铸铁磨片材料的发展[J]. 现代铸铁, 2007, 27(1) :81-84. [8] 任庆平, 王国仁. 高铬铸铁复合锤头的铸造与热处理研究应用[J].铸造技术, 2010, 1(4): 407-410. [9] 马永杰. 高铬铸铁轧辊的生产工艺[J]. 热加工工艺, 2009, 38(9) :169-171. [10] 刘玉高, 马幼平, 吕宝君, 等. 热处理对高铬铸铁凝固组织及力学性能的影响[J]. 热加工工艺, 2009, 38(2) :118-120. [11] 高宗为. 硅对高铬铸铁热处理硬度的影响[J]. 铸造, 2009, 58(4): 387-390. [12] 张荣军, 晁建兵. 锰对Crl5MnV铸铁组织性能的影响[J]. 热加工工艺, 2007, 36(1) :8-10. [13] 李爽, 张云鹏, 雷宏. 国内烧结机篦条的发展现状及前景[J]. 2008,(9): 100-103. [14] 洪桃生, 胡玉平. 改进型高铬铸铁篦条的研究[J]. 宝钢技术, 2005, (2): 41-44. [15] 李 健. 烧结机尾双联篦条的研制[J]. 中国铸造装备与技术, 2007, (6): 35-37. [16] Karantzalis A E, Lekatou A, Diavati E.Effect of destabilizationheat treatments on the microstructure of high-chromium castiron: a microscopy examination approach [J]. Journal ofMaterials Engineering and Performance, 2009, 18(8); 1078-1085. [17] Inthidech S, Yasuhiro M. Effect of alloying elements onvariation of micro-hardness during heat treatment ofhypoeutectic high chromium cast iron [J]. MaterialsTransactions, 2008 ,49(10) :2322-2330. [18] Pariente I F, Belzunce F J, Riba C. Mechanical strength andfracture toughness of high chromium white cast irons [J]. Materials Science and Technology, 2008, 24(8): 981-985. |