鋁熱自蔓延法在鑄鋼表面制備高鉻鑄鐵的研究

劉士斌，孟祥才，郭繼偉，袁世丹，劉金寶

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

隨著當(dāng)前社會(huì)的日益發(fā)展，工業(yè)用材料日趨重要，高鉻鑄鐵作為繼白口鑄鐵，鎳鉻鑄鐵第三代耐磨材料得到了廣大研究人員的重視[1]，高鉻鑄鐵具有良好的耐磨性，高的硬度，但是缺點(diǎn)是脆性很大，目前已廣泛應(yīng)用于冶金、建材和電力等行業(yè)，并取得了顯著的效果，在礦山行業(yè)也顯示了誘人的應(yīng)用前景。所以提高高鉻鑄鐵的硬度和沖擊韌性一直是各位學(xué)者的工作方向[2-7，11]。本設(shè)計(jì)結(jié)合鑄造和鋁熱自蔓延高溫合成（SHS）兩種工藝方法，將鋁粉和三氧化二鐵粉末按一定比例充分混合制成預(yù)制塊，放置在鑄型內(nèi)直接與鋼液接觸，利用高溫鋼液釋放的熱能引發(fā)SHS反應(yīng)，使高鉻鑄鐵與鑄鋼均勻結(jié)合，解決了鑄鋼表面硬度差，耐磨性低等難題。成功的制備了局部增強(qiáng)鑄鋼表面強(qiáng)度的復(fù)合材料。

1 鋁熱還原反應(yīng)的熱力學(xué)

絕熱溫度和單位質(zhì)量反應(yīng)熱效應(yīng)（q）是描述自蔓延反應(yīng)的重要熱力學(xué)參數(shù)[8]，而判斷一個(gè)反應(yīng)能否自我維持的依據(jù)便是絕熱溫度。比較體系的Tad與產(chǎn)物的熔點(diǎn)，可判斷反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)物聚集態(tài)變化。

式中：ΔH298.15K為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)焓變；Q 為非恒溫條件下絕熱反應(yīng)的放熱量；Σ（viCpi）dT 為各產(chǎn)物的熱容之和。絕熱時(shí)Q=0；由式（1）計(jì)算反應(yīng)（2）的絕熱溫度為3135K，大于臨界溫度1800K，故反應(yīng)能自發(fā)地進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)采用含鉻量59%，含碳7.8%的高鉻鑄鐵，以及純度是99%，顆粒度為75μm的鋁粉，三氧化二鐵，鐵粉，和少量的碳酸鈣，中碳鋼。實(shí)驗(yàn)所用鋁熱劑成分配比見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)用鋁熱劑成分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

將事先準(zhǔn)備好的鋁粉及三氧化二鐵按一定比例混合w（Al）∶w（Fe2O3）=1∶3時(shí)剛好完全反應(yīng)），然后將混合好的粉末制成預(yù)制塊。經(jīng)過(guò)干燥等處理后將預(yù)制塊放置在預(yù)先制好的砂箱內(nèi)，合箱后，將中頻爐內(nèi)熔煉好的鋼水澆入放好預(yù)制塊的砂型內(nèi)，由于鋼液的高溫反應(yīng)誘發(fā)鋁熱自蔓延，使反應(yīng)放出大量的熱量，反應(yīng)溫度高達(dá)3000℃[9]，在高的熱量下，使高碳鉻鐵熔化。由于高鉻鑄鐵的密度小于中碳鋼密度，故高鉻鑄鐵液會(huì)浮在鋼水的表面，使鑄件的表面形成高鉻鑄鐵，高鉻鑄鐵與鑄鋼形成冶金結(jié)合。

單位質(zhì)量反應(yīng)熱效應(yīng)體現(xiàn)了自蔓延燃燒反應(yīng)體系可釋放化學(xué)能量的大小，同時(shí)表征了能量釋放速度與質(zhì)量燃燒速度這2個(gè)物理量[9]，單位質(zhì)量反應(yīng)放熱量（q）的計(jì)算式為：

式中：M 為反應(yīng)物的摩爾質(zhì)量g/mol.

由公式（1）～（3）計(jì)算得出鋁熱劑單位質(zhì)量反應(yīng)的熱量為-3.88kJ/g，高碳鉻鐵單位質(zhì)量反應(yīng)的熱量為0.849kJ/g，由表1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案結(jié)合公式（1）～（3）計(jì)算得出1＃鋁熱劑釋放的熱量等于高鉻鑄鐵熔化吸收的熱量，2＃鋁熱劑釋放的熱量是高鉻鑄鐵熔化吸收熱量的90%，3＃鋁熱劑釋放的熱量是高鉻鑄鐵熔化吸收熱量的80%.

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

本實(shí)驗(yàn)采用中頻爐熔煉，將澆注的合金板加工成20mm×20mm×20mm的試樣，在HR-45DT顯微硬度計(jì)上進(jìn)行硬度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)載荷定位0.5N，保壓時(shí)間設(shè)置為5s；利用OLYMPUS—GX71光學(xué)電子顯微鏡觀察分析材料的顯微組織。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高鉻鑄鐵與合金鋼結(jié)合界面的金相組織分析

采用OLYMPUS—GX71光學(xué)電子顯微鏡觀察材料的顯微組織。圖1與圖2為不同放大倍數(shù)下3組實(shí)驗(yàn)結(jié)合界面的金相組織。

圖1 結(jié)合界面的金相組織形態(tài)（×800）

圖2 結(jié)合界面的金相組織形態(tài)（×1000）

由圖1和圖2不同倍數(shù)下的金相組織觀察可以清晰的看出，1＃試樣高鉻鑄鐵和中碳鋼的結(jié)合層緊密，厚度約為5μm，因?yàn)殇X熱劑在預(yù)制塊中完全反應(yīng)，所釋放的熱量完全熔化了預(yù)制塊中的高碳鉻鐵，使高鉻鑄鐵能較為均勻地覆蓋在中碳鋼的表面，并互相滲透，形成冶金結(jié)合，這一點(diǎn)在材料的顯微硬度測(cè)試結(jié)果可以進(jìn)一步證明。2＃試樣高鉻鑄鐵和中碳鋼的結(jié)合層厚度約為3μm，依然可以看到明顯的結(jié)合界面，說(shuō)明當(dāng)鋁熱劑釋放的熱量達(dá)到高鉻鑄鐵熔化熱量的90%時(shí)也可以完全熔化高鉻鑄鐵，從結(jié)合界面和顯微硬度看結(jié)合層的結(jié)合依舊緊密，形成冶金結(jié)合。3＃高鉻鑄鐵和中碳鋼的結(jié)合界面并不明顯，幾乎就沒(méi)有結(jié)合界面，說(shuō)明了鋁熱劑反應(yīng)釋放的熱量沒(méi)有達(dá)到完全熔化高碳鉻鐵，只是小部分的熔化，從而沒(méi)有結(jié)合界面，所以當(dāng)鋁熱劑反應(yīng)的熱量是高碳鉻鐵熔化的80%時(shí)并不能完全的熔化高碳鉻鐵。

3.2 高鉻鑄鐵及合金鋼的金相組織分析

圖3為高鉻鑄鐵顯微形態(tài)，其中圖3a）是鋁熱劑反應(yīng)放出的熱量完全被高鉻鑄鐵融化所吸收情況下高鉻鑄鐵的組織形態(tài)，由圖3看出高鉻鑄鐵的顯微組織由馬氏體+共晶碳化物+（少量）殘余奧氏體，共晶碳化物為M7C3碳化物呈不連續(xù)的網(wǎng)狀分布在奧氏體枝晶間。在圖3a）與圖3b）中粗大的網(wǎng)狀共晶碳化物組織沿晶界分部，但圖3a）反應(yīng)較3b）完全，故圖3a）的晶粒內(nèi)部有明顯的碳化物顆粒存在。圖3b）中可見(jiàn)的碳化物數(shù)量相對(duì)較少，形狀較粗大，碳化物呈不連續(xù)的網(wǎng)狀分布在奧氏體枝晶之間。圖3c）中當(dāng)鋁熱反應(yīng)放出的熱量不能滿足高鉻鑄鐵熔化時(shí)，反應(yīng)并未完全進(jìn)行，顯微組織中未出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。

圖3 高鉻鑄鐵金相組織形態(tài)（×1000）

3.3 顯微硬度分析

試樣經(jīng)過(guò)拋光處理后，對(duì)不同部位的復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試，將每個(gè)試樣隨機(jī)抽取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取算術(shù)平均值，試樣的顯微硬度值按照公式：

式中，HV 是顯微硬度，kg/mm2；P 是施加載荷，g；d 在壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，μm.

實(shí)驗(yàn)所測(cè)得三組試樣的顯微硬度值如表2所示。

表2 三組試樣不同部位的顯微硬度值 kg/mm2

由表2可看出，高鉻鑄鐵—過(guò)渡層—中碳鋼的硬度是均衡遞減的，證明結(jié)合界面具有成分?jǐn)U散，高鉻鑄鐵與中碳鋼形成冶金結(jié)合。分析比較三組實(shí)驗(yàn)，隨著鋁熱反應(yīng)放出熱量的升高，硬度逐漸增高，過(guò)渡層顯微硬度也逐漸增高，高鉻鑄鐵與中碳鋼結(jié)合越緊密。當(dāng)鋁熱反應(yīng)放出的熱量恰好等于高鉻鑄鐵熔化所吸收的熱量時(shí)，高鉻鑄鐵與中碳鋼的結(jié)合層硬度最好，結(jié)合最緊密，而當(dāng)鋁熱反應(yīng)放出的熱量達(dá)不到高鉻鑄鐵熔化吸收熱量80%時(shí)，高鉻鑄鐵與中碳鋼不能良好地結(jié)合。

4 結(jié) 論

1）采用鋁熱自蔓延法在砂型鑄造的鑄鋼表面制備高鉻鑄鐵的方法是可行的。

2）鋁熱劑自蔓延反應(yīng)釋放的熱量等于高鉻鑄鐵熔化吸收的熱量時(shí)，高鉻鑄鐵和中碳鋼結(jié)合層很明顯，冶金結(jié)合充分；鋁熱劑自蔓延反應(yīng)釋放的熱量達(dá)到高鉻鑄鐵熔化吸收熱量的90%以上時(shí)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，冶金結(jié)良好；鋁熱劑自蔓延反應(yīng)釋放的熱量是高鉻鑄鐵熔化時(shí)吸收熱量的80%時(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，無(wú)冶金結(jié)合。

3）結(jié)合層顯微硬度隨著鋁熱劑反應(yīng)釋放熱量的增加成明顯上升的趨勢(shì)，最高可達(dá)600kg/mm2.

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