添加合金元素對(duì)耐熱鑄鐵顯微組織和抗拉強(qiáng)度的影響

朱婷婷，劉 可,2，薛正良，鄒 峰，熊 銳

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081;2.中冶集團(tuán)武漢冶金建筑研究院，湖北 武漢，430081)

添加合金元素對(duì)耐熱鑄鐵顯微組織和抗拉強(qiáng)度的影響

朱婷婷1，劉 可1,2，薛正良1，鄒 峰1，熊 銳1

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081;2.中冶集團(tuán)武漢冶金建筑研究院，湖北 武漢，430081)

利用光學(xué)顯微鏡觀察五組不同化學(xué)成分鑄錠的顯微組織，并對(duì)鑄錠試樣在不同溫度下抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，研究碳元素和合金元素對(duì)鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，在碳含量適宜的情況下，添加適量合金元素Ni、Mo能提高鑄鐵的高溫強(qiáng)度；w(C)為3.72%、w(Si)為2.45%、w(Mn)為0.661%、w(Cr)為0.90%、w(Ni) 為0.66%、w(Mo)為0.12%、w(Cu)為0.159%的合金蠕墨鑄鐵在600 ℃高溫下的抗拉強(qiáng)度仍能達(dá)到358 MPa。

耐熱鑄鐵；合金元素；化學(xué)成分；顯微組織；抗拉強(qiáng)度

熱風(fēng)爐是向煉鐵高爐提供高溫鼓風(fēng)的重要工藝設(shè)備，由它供給高爐熱風(fēng)熱量約占煉鐵生產(chǎn)耗熱的25%[1]。提高高爐熱風(fēng)爐風(fēng)溫是提高高爐生鐵的產(chǎn)量和質(zhì)量、降低成本的有效措施，對(duì)降低煉鐵工序能耗具有重要的意義。而提高熱風(fēng)爐煙道廢氣溫度以及增加蓄熱室中、下部格子磚的蓄熱量是提高高爐熱風(fēng)爐風(fēng)溫的重要措施之一，理論上，在拱頂溫度保持不變的情況下，當(dāng)煙道廢氣溫度在200～400 ℃范圍內(nèi)時(shí)，每提高100 ℃煙道廢氣溫度，約可提高高爐風(fēng)溫40 ℃[2]。但是限制熱風(fēng)爐煙道廢氣溫度提高的因素是爐箅子和支柱材料在高溫下的強(qiáng)度問(wèn)題，解決這一問(wèn)題則需要通過(guò)研制耐高溫的鑄鐵制作爐箅子和支柱材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，本文通過(guò)調(diào)節(jié)鑄鐵的碳含量、配加適量的合金元素，以提高鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到能在500 ℃以上長(zhǎng)期工作的熱風(fēng)爐爐箅材料的使用要求。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣化學(xué)成分設(shè)計(jì)

向鑄鐵中加入不同含量的Cr、Ni、Mo、V和Cu等合金元素可以提高其耐熱性能。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了耐熱鑄鐵的目標(biāo)成分如表1所示。

1.2 試樣的制備

在25 kg中頻感應(yīng)爐中將鑄鐵(Z18)或工業(yè)純鐵熔化，分別按照表1中的方案配加合金元素熔煉成5個(gè)鐵錠試樣，其中，1#、3#、5#試樣以工業(yè)純鐵為主要原料，用人造石墨調(diào)節(jié)C含量，石墨添加量為35～40 g/kg(工業(yè)純鐵)，2#和4#試樣以鑄鐵(Z18)為主要原料。各試樣的實(shí)際化學(xué)成分如表2所示。另外，5#試樣在熔煉過(guò)程中進(jìn)行了蠕化處理和孕育處理，所使用的蠕化劑為FeSiRE23，孕育劑為FeSi75，加入量分別為鐵水質(zhì)量的0.35%和0.5%～0.8%。

1.3 檢測(cè)分析

沿鐵錠橫截面方向取樣，并在光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察其顯微組織。試樣的抗拉強(qiáng)度在高溫材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上按《GB/T 4338—2006金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)定，測(cè)定溫度分別為400、500、600 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的顯微組織分析

5組試樣的顯微組織照片如圖1～圖5所示。

從圖1(a)中可以看出，1#試樣的石墨形態(tài)為點(diǎn)狀和細(xì)片狀的D型石墨，其外形彎曲、扭轉(zhuǎn)、頻繁分枝，沒(méi)有明顯的方向性。圖1(b)中灰黑色區(qū)域?yàn)榧?xì)片狀石墨和細(xì)片狀珠光體，白色板條狀部分為初生滲碳體，白色骨骼狀部分為萊氏體型共晶滲碳體，屬于白口組織。這表明1#試樣珠光體的量很少，主要是初生滲碳體和萊氏體型滲碳體。滲碳體過(guò)量會(huì)導(dǎo)致材料脆性大，強(qiáng)度也很低。

圖1 1#試樣顯微組織(100×)

Fig.1 Optical microstructures of Sample 1#(100×)

圖2 2#試樣顯微組織

Fig.2 Optical microstructures of Sample 2#

圖3 3#試樣顯微組織(100×)

Fig.3 Optical microstructures of Sample 3#(100×)

從圖2中可以看出，2#試樣有粗大的初生石墨析出，另外還存在一些未熔的石墨雜質(zhì)。這是因?yàn)殍T鐵(Z18)的碳含量過(guò)高，液相中碳來(lái)源充足，而石墨的形成基本不受其他固相的阻礙，粗大石墨和石墨雜質(zhì)對(duì)基體連續(xù)性破壞很大，會(huì)降低材料的力學(xué)性能。

從圖3(a)可以看出，3#試樣的石墨形態(tài)是D型石墨。圖3(b)中灰黑區(qū)域?yàn)槭椭楣怏w，白色骨骼狀區(qū)域?yàn)槿R氏體型碳化物，表明3#號(hào)試樣以珠光體為主，存在少量萊氏體型滲碳體。這是因?yàn)?#試樣與1#試樣相比較，增加了Ni、Mo、V元素的含量，使3#試樣中珠光體增加。由于珠光體由鐵素體和滲碳體所組成，滲碳體以細(xì)片狀均勻地分布在鐵素體基體上，使珠光體有較高硬度和強(qiáng)度，其間分布著網(wǎng)狀的滲碳體，也會(huì)增加鑄鐵的硬度，另外元素Mo與元素C有較強(qiáng)的親和力，能生成硬質(zhì)相Mo的碳化物，再者元素V也能與元素C生成硬度很高的難熔化合物。

從圖4可以看出，4#號(hào)試樣主要是D型石墨，與2#試樣一樣，由于鑄鐵(Z18)的碳含量過(guò)高，其間有粗大的初生石墨析出，且存在未熔石墨雜質(zhì)。

5#試樣為合金蠕墨鑄鐵，從圖5(a)可以看出，5#試樣與1#試樣的石墨形態(tài)明顯不同，5#號(hào)試樣石墨大部分彼此孤立，兩側(cè)不平整，兩端部較圓鈍，是蠕蟲(chóng)狀石墨，其間還分布有少量的團(tuán)狀石墨。圖5(b)中灰黑色部分為石墨和珠光體，有部分石墨周?chē)昏F素體包裹，還存在少量白色骨骼狀的萊氏體型滲碳體，這表明石墨蠕化效果很成功。

2.2 試樣的抗拉強(qiáng)度分析

不同溫度下試樣的抗拉強(qiáng)度如表3所示。2#試樣在600 ℃裝夾時(shí)就斷裂了；3#試樣因Ni、Mo和V含量較高，導(dǎo)致試樣硬度太高，加工性能差，未能做出標(biāo)準(zhǔn)高溫拉伸試樣。

由表3可見(jiàn)，隨著溫度升高，每種試樣抗拉強(qiáng)度明顯下降。對(duì)比1#試樣和2#試樣，2#試樣抗拉強(qiáng)度有所降低，是因?yàn)殍T鐵(Z18)本身碳含量過(guò)高，降低了試樣的拉伸性能。拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，2#試樣在600 ℃裝夾時(shí)斷裂，也說(shuō)明碳含量過(guò)高導(dǎo)致材料機(jī)械性能變差。

比較2#試樣與4#試樣，4#試樣的抗拉強(qiáng)度略有提高。這是因?yàn)?#試樣中增加了Ni、Mo元素的含量，從而促進(jìn)珠光體形成，提高了材料的力學(xué)性能。另外，Mo在提高灰口鑄鐵高溫強(qiáng)度、熱疲勞抗力和抗高溫蠕變能力在各種合金元素中是最有效的，在鑄鐵中添加合金元素Ni、Mo有利于提高其抗拉強(qiáng)度，但由于鑄鐵(Z18)碳含量過(guò)高，即使添加了合金元素，試樣抗拉強(qiáng)度提升并不明顯。但3#試樣與4#試樣相比，碳含量低且增加了釩含量，其基體以珠光體為主。從3#試樣的石墨形態(tài)以及基體的形態(tài)可以分析得到其抗拉性能較好，另外灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和硬度成正比[4]，也可以推斷出3#試樣抗拉性能比較好。

從表3中可看出，經(jīng)過(guò)蠕化處理的5#試樣抗拉強(qiáng)度顯著提高，即使在600 ℃高溫下試樣的抗拉強(qiáng)度仍有358 MPa。

由此可見(jiàn)，碳含量對(duì)鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響顯著，以工業(yè)純鐵為主要原料熔煉耐熱鑄鐵較鑄鐵(Z18)更有優(yōu)勢(shì)；在碳含量適宜的情況下，添加適量合金元素Ni、Mo有利于提高鑄鐵的高溫強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)蠕化處理后材料的抗拉強(qiáng)度顯著提高。

3 結(jié)論

(1)添加合金元素會(huì)對(duì)鑄鐵的顯微組織形成產(chǎn)生影響，從而改變了鑄鐵的力學(xué)性能。

(2)碳含量對(duì)鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響顯著，碳含量越高，其抗拉強(qiáng)度越低。

(3)在碳含量適宜的情況下，添加適量合金元素Ni、Mo能提高鑄鐵高溫強(qiáng)度。但當(dāng)Ni、Mo、V含量偏高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鑄鐵硬度過(guò)高，切削加工性能變差。

(4)w(C)為3.72%、w(Si)為2.45%、w(Mn)為0.661%、w(Cr)為0.90%、w(Ni) 為0.66%、w(Mo)為0.12%、w(Cu)為0.159%的合金蠕墨鑄鐵在600 ℃高溫下的抗拉強(qiáng)度仍能達(dá)到358 MPa。

[1] 賈馮睿,劉楊,馮耀強(qiáng)，等.高爐熱風(fēng)爐高風(fēng)溫技術(shù)[J].工業(yè)爐,2009,31(4):5-8.

[2] 張慶東,胡濤,劉新.安鋼高爐高風(fēng)溫生產(chǎn)實(shí)踐[J].河南冶金,2006,14(6):30-32.

[3] 郝石堅(jiān).現(xiàn)代鑄鐵學(xué):第2版[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2009.

[4] 馮正清.關(guān)于灰鑄鐵硬度和強(qiáng)度之間的關(guān)系的討論及其應(yīng)用[J].鑄造,1985(6):34-35.

[責(zé)任編輯 張惠芳]

Effect of additive alloying elements on microstructure andtensile strength of heat-resistant cast iron

ZhuTingting1,LiuKe1,2,XueZhengliang1,ZouFeng1,XiongRui1

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081，China;2.Wuhan Research Institute of Metallurgical Construction, Wuhan 430081,China)

The microstructures of five kinds of ingots with different chemical compositions were observed by optical microscope and the tensile strength of each sample was measured at different temperatures. The effects of carbon and alloying elements on the tensile strength of the samples were investigated. The results show that the high temperature tensile strength of the samples can be improved by adding appropriate amounts of nickel and molybdenum when the carbon content is reasonable. Additionally, the tensile strength of vermicular graphite cast iron, which has the composition of 3.72%C, 2.45% Si, 0.661%Mn, 0.90%Cr, 0.66%Ni, 0.12%Mo and 0.159%Cu, can still maintain 358 MPa at 600 ℃.

heat-resistant cast iron；alloying element; chemical composition; microstructure; tensile strength

2014-11-03

武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2014QN21).

朱婷婷(1989-)，女，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：1032251746@qq.com

薛正良(1962-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：xuezhengliang@wust.edu.cn

TG143

A

1674-3644(2015)02-0081-04