铁基合金（有耐磨损、耐高温等性能的材料）

简介

严格来说，钢铁材料也属于铁基合金，但工程上通常将两者区别开来。铁基合金是指那些刻意加入金属合金元素，形成置换固溶体的合金，非金属碳引起的所有强化效应是次要的。

最典型的时效硬化型铁基合金是马氏体时效钢（18Ni型）。其碳的质量分数极低，不超过0.03%，加入大量的Ni，空冷至室温就能获得板条马氏体，因碳的质量分数低，马氏体强度硬度并不高，但韧性良好。在450～500℃时效处理，合金元素首先在位错处偏聚形成“气团”，再以“气团”为核心析出NiM、NiM（M代表其他金属合金元素）型金属间化合物，沉淀强化使钢的屈服强度提高到1400～3500MPa。马氏体时效钢有3种强化机制：沉淀强化、固溶强化和相变强化（马氏体），其中沉淀强化的贡献最大。沉淀强化效果来自：（1）溶质原子向位错偏聚；（2）大量细小、弥散分布、高硬度的金属间化合物。

分类

铁基合金按不同金相组织可分以下几类。

（1）马氏体合金钢

主要硬化元素是Cr，还有Si、Mo、Mn、V、W等强化元素，合金元素总量不超过10%。涂层组织为低碳马氏体，有良好的机加工性能，涂层硬度HRc30?54，冲击韧性极好，还具有良好的耐应力疲劳和冷热疲劳性能。其材料制成金属丝和管状丝埋弧堆焊，焊接性能较好，不易开裂。典型用途是金属间无润滑滚动或滑动的零件。如热轧工作辊、支撑辊、连铸机辊、导卫辊、校直辊及挖土机辊等。

（2）

该类合金硬度高，HRc48?60，有极好的抗磨粒磨损性能。在<200℃时耐磨性仅次于碳化钨硬面材料，但价格仅为碳化钨材料的1/3。

高铬铸铁含碳量2%～6%，含铬量20%～35%，焊层中主要耐磨硬质相CrC，基体组织有马氏体和奥氏体。

高铬铸铁采用电焊条或管状焊丝明弧或埋弧堆焊，堆焊过程中因有大量碳化物析出，焊层产生龟裂释放焊层中的内应力，并不影响其使用性能。主要用于农机、矿山、煤粉研磨机辊等中等或严重磨粒磨损件。

高铬铸铁型自熔合金粉末，氧乙炔火焰（或等离子）喷焊，涂层硬度（HRc50以上），用于不受强烈冲击的磨粒磨损件。

（3）奥氏体锰钢

高锰钢硬面材料能经受高冲击及轻微到中等的磨粒磨损，堆焊层无磁性，具有高韧性，焊后硬度HRc16～20，冷作硬化后可提高到HRc4448，随含碳量不同而变。

高锰钢含有Mn12%～15%及Cr、Ni、Mo，奥氏体组织是用锰稳定的。施焊时不用气焊只用电焊以缩小热影响区求得焊层快速冷却。施焊不当会出现马氏体相而导致焊层胞裂。

高锰钢电焊条和明弧焊丝，用于严重的金属间冲击和矿石对金属的冲磨件的堆焊。

（4）

此类合金属低碳高铬马氏体钢。主要成分含碳C 0.2%和含铬>12%。具有良好的综合机械性能，硬度HRc50左右，强度、韧性都很好，能耐大气和蒸汽的腐蚀，还有耐冷热疲劳的能力。产品有金属丝材和管状丝。主要用在中等冲击，中等金属间磨损和中等磨粒磨损的场合。

马氏体不锈钢型喷涂粉，氧乙炔火焰喷涂，涂层硬度（HB320～450），用于轴类、活塞、柱塞等耐磨件。

（5）光体钢

此类合金含低碳（0~25%）量其他合金元素，组织结构为珠光体、耐冲击性，硬度低（HRc25~35），具有极好的可焊性，适用于堆焊，主要用于恢复机械设备零件尺寸。如受滚压、滑动或冲击负荷的重型机械设备的旋转轴、轧辊等零件。另一重要用途是作为堆焊过渡层。

合金元素的类型及存在形式

1．非碳化物形成元素

镍、硅、铝、铜、钻等在钢中不能与碳化合的元素，称为非碳化物形成元素。这类元素主要以固溶形式存在于铁素体中。这种铁索体称为合金铁素体。

2．碳化物形成元素

锰、铬、钼、钨、钛、铌、钽等在钢中能与碳形成化合物的元素，称为碳化物形成元素。这类元素中，与碳亲和力很强的元素，如Ti、Nb、Zr等在钢中形成结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高的碳化物，如TiC、NbC、ZrC等，称为强碳化物形成元素，与碳亲和力弱的元素，如Mn、Cr、Mo等，称为弱碳化物形成元素。这些元素可溶于铁素体，形成合金铁素体，同时还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体，如（Fe·Mn）C、（Fe·Cr）C、（Fe·Mo）C等。弱碳化物形成元素，在含量高时，可形成结构复杂的碳化物，如CrC、CrC等。从渗碳体、合金渗碳体、复杂结构碳化物、到简单结构碳化物稳定性依次增加。

合金元素的主要作用

1．对钢力学性能的影响

（1）固溶强化 合金元素溶于铁素体时，有固溶强化作用。合金元素的晶格类型、原子直径与α-Fe不同或相差较大时，对铁素体的强化作用较为明显，反之则强化作用较弱。所以不同元素随含量增加对铁素体的硬度增加的贡献不同，如图所示。合金元素使铁素体固溶强化的同时，特别是合金元素含量增高的情况下，往往因铁素体晶格畸变严重，又使韧性塑性下降，如图所示。所以，要使钢具有高的综合性能，钢中加入的合金元素，应是多元少量，而不是某一元素加得越多越好。

合金元素对铁素体性能的影响

除以上强化作用外，当钢中碳化物数量较多时，将显著提高钢的硬度和耐磨性。有些碳化物溶点高，稳定性高，放可提高钢的热强度。

2．对Fe-FeC相图的影响

有些合金元素，如面心立方晶格的镍、锰、铜及非金属元素氮，可使Fe-FeC相图中的γ区扩大(图8—2(o))，而另一些元素，如体心立方晶格的铬、钼、钛等，可使y区缩小图s-2Cb))

由于合金元素对P区的影响，导致下列变化：

（1）临界点改变

扩大γ区的元素，将降低A、A温度，缩小γ区的元素，将增高A、A温度。因此，合金钢的热处理加热温度，将相应降低或增高，与碳钢的加热温度不同。扩大γ区的元素，在一定条件下，可使γ区扩大到室温，因而可得到单相奥氏体钢。这是本章将述及到的奥氏体不锈钢的基础。缩小γ区的元素，在一定条件下，可使奥氏体相区消失而只存在铁素体相区，因而可得到单相铁素体钢。这也是工业上使用的铁素体不锈钢和耐热钢的基础。

（2）S点左移

合金元素使S点左移，因而合金钢共析体含碳量小于碳钢共析体0.77%的碳含量。例如钢中含13%Cr时，共析体的含碳虽仅为0.3%。

（3）F点左移

铁碳合金E点相应碳含量为2.11%，当钢中含有合金元索时，E点相应的碳含量小于2.11%，使合金钢在较低的碳含量下出现共晶莱氏体。

3．细化奥氏体晶粒

当合金元素形成难溶化合物（TiC、NbC、AlO、AlN等）时，这些化合物存在于奥氏体晶界上，机械地阻止奥氏体晶粒长大，使奥氏体冷却转变后的组织细小，因而起着细晶强化的作用。

4．提高钢的淬透性

奥氏体溶有合金元素时，其中合金元素的原子扩散能力小，而且还降低奥氏体中铁、碳原子的扩散能力，因而使奥氏体稳定性增高，不容易向珠光体转变。反映在C曲线上，使C曲线右移（Co元素例外）而使淬火临界冷却速度减小，提高淬透性。因此，合金钢不仅可提高整体截面力学性能，而且可以减小淬火变形和开裂的危险性。但是，合金元素使C曲线右移的同时，降低了Ms点。Ms点降低，会使合金钢淬火后的残余奥氏体量增加，对提高硬度和耐磨性不利。