鉻含量對高鉻鑄鐵力學(xué)性能的影響研究①

(佳木斯市特種設(shè)備檢驗研究所，黑龍江 佳木斯 154002)

0 引 言

白口鑄鐵在高溫條件下易氧化，氧化后將減少鑄件的有效斷面積、大幅度降低鑄件的承載能力及力學(xué)性能。高鉻耐熱鑄鐵含鉻量為15%～18%及25%～36%[1]。該鑄鐵基體單一，具有非常穩(wěn)定的碳化物，在高溫下不發(fā)生相變。鉻的氧化物是鑄件表面的鈍化膜的主要成分[2]。鉻含量與鑄件的抗氧化性和耐熱生長能力呈正向關(guān)系，鑄件的高溫強度隨著鉻含量的增加而增加[3]。高溫耐熱鑄鐵制備的零件在較高溫度(900℃)下可以長期服役，在溫度達到1000℃時可以進行短時工作[4]。與其它耐熱鑄件進行比較，高鉻耐熱鑄件鑄造性能和耐磨性能良好，可以進行薄壁件的澆注[5，6]。鑄件的性能與合金元素的種類和含量影響較大，工業(yè)生產(chǎn)中，一般通過改變高鉻耐熱鑄鐵中的合金元素含量來提高材料的耐熱性能[7,8]。因此，合金元素的種類和含量對于提高高鉻耐熱鑄鐵的綜合力學(xué)性能和耐熱性意義重大。綜上所述，提高鑄鐵的耐熱性能有以下兩種途徑，一種是對鑄件中鉻元素的控制，另一種是選取不同的熱處理工藝，對制備后的試樣進行耐熱性能及綜合力學(xué)性能的檢測，探索材料組織和性能的影響因素。

1 實驗材料與方法

表1 實驗材料

本實驗中合金熔煉選用10KG中頻感應(yīng)電爐，造渣和最終脫氧使用純鋁。熔煉溫度為1480-1540℃，澆注溫度為1380-1420℃，澆包鎮(zhèn)靜時間為10s;澆注時間5-7s，澆注系統(tǒng)為開放式，澆注后保持30分鐘，然后開箱。沖擊試樣符合國標尺寸，為10×10×55mm。在ZBC-300Q全自動金屬擺錘沖擊試驗機進行沖擊韌性值的檢測；觀察金相組織；檢測洛氏硬度；測定氧化增生；進行正火處理，正火溫度為1080℃，保溫時間為2 h，出爐空冷。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 沖擊韌性結(jié)果和討論

表2為試樣在鑄態(tài)下和熱處理后的沖擊韌性。

表2 鑄態(tài)和熱處理后的沖擊韌性(單位：J/CM2)

由表2可知：

(1)鑄態(tài)下，沖擊韌性隨著含鉻量的增加，鉻含量為36%時，沖擊韌性達到最高；

(2)熱處理后，試樣的沖擊韌性也是隨著含鉻量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，含鉻量為33%時，沖擊韌性最大；

(3)試樣熱處理狀態(tài)下的沖擊韌性比鑄態(tài)有所提高，提高幅度不大。

分析試樣在鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)下沖擊韌性的規(guī)律，主要是因為對材料進行熱處理后，奧氏體中碳的活度由于鉻元素溶入而降低，從而碳化物析出數(shù)量受限，所以沖擊韌性提高幅度不大。

2.2 硬度數(shù)據(jù)結(jié)果及討論

表3 試樣硬度(HRC)

從表3可以看出：

(1)試樣的硬度值隨著鉻含量的增加而增加；

(2)試樣經(jīng)過熱處理后硬度增加。

2.3 金相觀察

采用奧林巴斯金相顯微鏡對鑄態(tài)和熱處理后的含鉻量不同的試樣進行金相觀察，如圖1～4所示。

a.鑄態(tài)100倍 b.鑄態(tài)1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍

a.鑄態(tài)100倍 b.鑄態(tài)1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍

a.鑄態(tài)100倍 b.鑄態(tài)1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍

a.鑄態(tài)100倍 b.鑄態(tài)1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍

表4 氧化增重實驗數(shù)據(jù)

從上圖可見，初生碳化物(Fe，Cr)7C3在鑄態(tài)時為六方棱柱體，斷面呈現(xiàn)為六方形，白色并且中心有孔洞。共晶(Fe，Cr)7C3以集束狀態(tài)存在的白色板條狀，在基體中非連續(xù)分布?；w中馬氏體組織為主，伴有少量的殘余奧氏體和珠光體。

碳化物的數(shù)量、初生的六棱柱形碳化物和馬氏體隨著合金中鉻含量的增加而增加，碳化物越來越細化，共晶碳化物的分布更加均勻，珠光體隨著鉻含量的增加而減少(如圖1～4所示)。

2.4 氧化增重試驗結(jié)果及討論

將試樣進行氧化增重實驗，結(jié)果如表4所示。

從上表中可見：

(1)鑄態(tài)時，試樣抗氧化性能良好；

(2)熱處理后，進一步提高了材料的抗氧化性能。

試樣的氧化增重比鑄態(tài)下的有所減少，表明試樣的抗氧化性有所提高。

3 結(jié) 論

通過成分的確定、原料的選擇、熔煉、熱處理以及對試樣進行的硬度、沖擊韌性、氧化增重的測定和試樣金相的觀察，可以得出以下結(jié)論：

(1) 高碳高鉻耐熱鑄鐵硬度高，沖擊韌性小，耐熱性好；

(2) 隨著鉻含量的增加，試樣的硬度、沖擊韌性都有所提升，提高幅度在5%左右；

(3) 鑄態(tài)和熱處理下試樣的力學(xué)性能和抗氧化性能相差不大，在生產(chǎn)不必要進行熱處理。

(4) 高鉻鑄鐵具有抗氧化性是由于鉻元素能夠形成連續(xù)完整的氧化膜，同時又有低的電導(dǎo)率，鉻對氧的親和力大于鐵，并且鉻的氧化物與鐵的氧化物互不溶解。

參考文獻:

[1] 郝石堅．現(xiàn)代鑄鐵學(xué)．第1版．北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[2] 周繼揚．鑄鐵彩色金相學(xué)．第1版．北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[3] 陸文華，李隆盛，黃良余．鑄造合金及其熔煉．北京：機械工業(yè)出版社，2002， 8.

[4] 陸友琪，鄒立智，趙洪志．鐵合金及合金添加劑手冊．北京：冶金工業(yè)出版社，1990， 12.

[5] 舒震．耐熱鑄鐵．第1版．湖南：湖南大學(xué)出版社，1988.

[6] 秦紫瑞，孫連春，李隆盛．新型高鉻鑄鐵的研制．機車車輛工藝，1996， 6: 5-10.

[7] 楊忠明．高鉻耐熱鑄鐵的研制．現(xiàn)代鑄鐵，1998， 3: 32-35.

[8] XU Tao, WANGJiu-liang, Microstructure and Property of High Carbonic-Chromium Cast Steel with Different Hot Deformation Ratioe, 1998, 401: 220-226.