鉬對高鉻鑄鐵組織和熱疲勞性能的影響

王若宇，陳 政，許 婷，張海鴻，王永強(qiáng)，斯松華

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

燒結(jié)礦燒結(jié)時的工況環(huán)境比較惡劣，燒結(jié)機(jī)設(shè)備的狀態(tài)及其對惡劣工況的應(yīng)對能力也極大程度地影響燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量。臺車作為燒結(jié)機(jī)的主要構(gòu)成部分，其使用壽命直接影響燒結(jié)機(jī)的密封效果、作業(yè)效率、產(chǎn)量以及生產(chǎn)成本。篦條作為燒結(jié)機(jī)臺車中負(fù)載和傳輸?shù)年P(guān)鍵部件及易損件，其質(zhì)量與性能優(yōu)劣對燒結(jié)機(jī)設(shè)備和燒結(jié)礦質(zhì)量有重要影響。燒結(jié)工作時篦條不僅要承受來自燒結(jié)礦和抽風(fēng)負(fù)壓作用的壓力，還要遭受長時間反復(fù)溫度升降帶來的熱疲勞作用，且與燒結(jié)礦相接觸還會發(fā)生腐蝕、變形及磨損，導(dǎo)致篦條因在循環(huán)高溫、機(jī)械沖擊、應(yīng)變及磨損等苛刻環(huán)境下工作易發(fā)生燒損、變形及斷裂而引發(fā)失效[1-2]。這就要求燒結(jié)機(jī)篦條必須具有較穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)、較好的強(qiáng)度與韌性、優(yōu)異的抵抗高溫?zé)嶙冃涡阅芤约拜^高的耐高溫?zé)崞谛阅躘3]。目前燒結(jié)機(jī)臺車用篦條主要采用普通鑄態(tài)高鉻鑄鐵制造，因此改善鑄態(tài)高鉻鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)、提高其耐磨性及抗熱疲勞性等對燒結(jié)設(shè)備維護(hù)、燒結(jié)生產(chǎn)組織和燒結(jié)產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義。

已有研究表明通過添加鎳、鉬、稀土等進(jìn)行合金化可提高鑄態(tài)高鉻鑄鐵篦條的綜合性能，然而目前對高鉻鑄鐵合金化的研究主要集中在顯微組織、鑄造工藝及硬度與耐磨性等方面[4-6]；對抗熱疲勞性能的研究主要集中在熱作模具鋼及硬質(zhì)合金等材料方面[7-8]，對高鉻鑄鐵的精細(xì)組織特別是抗熱疲勞性能的研究甚少，也極少見鉬含量對鑄態(tài)高鉻鑄鐵抗熱疲勞性能的相關(guān)研究報道。因此，對比研究不同Mo 含量下鑄態(tài)高鉻鑄鐵篦條的組織結(jié)構(gòu)與抗熱疲勞性能具有較大的工程應(yīng)用意義。

1 試驗

1.1 試驗材料

為國內(nèi)某生產(chǎn)廠提供的3 種Mo 含量的高鉻鑄鐵篦條試樣(試樣1、試樣2 及試樣3)，其合金元素主要化學(xué)成分如表1。經(jīng)測定試樣1，2 及3 的洛氏硬度分別為41.1，41.6，42.4 HRC。

表1 高鉻鑄鐵合金元素的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical composition of alloying elements of high chromium cast iron

1.2 試驗方法

利用X 射線衍射儀(X ray diffractometer，XRD)、光學(xué)顯微鏡(optical microscopy，OM)、掃描電鏡(scanning electron microscopy，SEM)以及透射電鏡(transmission electron microscope，TEM)對3 種鑄態(tài)高鉻鑄鐵試樣進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析及顯微組織觀察。在3 種鑄態(tài)篦條試樣的相同位置和方向進(jìn)行線切割，將其加工成尺寸為30 mm×12 mm×2 mm 的試樣用于冷熱循環(huán)熱疲勞試驗，試樣形狀和尺寸如圖1。

圖1 熱疲勞試樣的形狀及尺寸單位：mmFig.1 Shape and dimension of thermal fatigue sample unit:mm

試樣表面經(jīng)金相砂紙磨制并拋光呈無痕鏡面，將其分別在600，900 ℃下加熱保溫5 min后，沿V形缺口方向豎直向下將其快速浸入水中冷卻，1 min后洗凈吹干重新進(jìn)行上述過程，如此進(jìn)行50次冷熱循環(huán)后取出試樣。試樣經(jīng)磨制和拋光后用金相顯微鏡測量缺口處裂紋形貌及長度，以試樣2 個面主裂紋長度的平均值表征裂紋長度，取3組有效試樣的裂紋長度平均值表征其熱疲勞性能，并對其進(jìn)行主裂紋附近的顯微組織分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相結(jié)構(gòu)及顯微組織

圖2 為3 種鑄態(tài)高鉻鑄鐵試樣的X 射線衍射圖譜。由圖2 可看出：3 種試樣的物相主要為α-Fe，γ-Fe 及(Cr，F(xiàn)e)7C3；隨鉬含量的增加，奧氏體峰強(qiáng)度增強(qiáng)，說明組織中奧氏體相的含量增加。

圖2 3種鑄態(tài)高鉻鑄鐵試樣的XRD物相分析Fig.2 XRD phase analysis of three kinds of as-cast high chromium cast iron samples

圖3 為3 種鑄態(tài)高鉻鑄鐵的顯微組織(圖3(a)～(c))及SEM 組織形貌(圖3(d)～(f))。由圖3可看出：鑄態(tài)高鉻鑄鐵以亞共晶方式結(jié)晶，由樹枝晶和其間的的共晶組織組成；隨Mo 含量的增加，奧氏體基體組織及共晶組織均有一定程度的細(xì)化。對試樣3 進(jìn)行高分辨顯微組織形貌觀察及其選區(qū)電子衍射斑點標(biāo)定(A 區(qū)、B 區(qū)和C 區(qū))，結(jié)果如圖4。由圖4 可看出：鑄態(tài)高鉻鑄鐵初生枝晶固溶體(A 區(qū))為奧氏體組織(γ-Fe)，如圖4(a)，(d)；片層狀共晶組織中的固溶體組織(B 區(qū))為馬氏體組織(α-Fe)，如圖4(b)，(e)；白色桿狀組織(C區(qū))為鉻碳化物((Cr，F(xiàn)e)7C3)，如圖4(c)，(f)。

圖3 3種高鉻鑄鐵試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of three kinds of high chromium cast iron samples

圖4 試樣3的TEM組織形貌及選區(qū)電子衍射斑點標(biāo)定Fig.4 TEM structure morphology and selected area electron diffraction spot calibration of the sample 3

上述研究表明：鑄態(tài)高鉻鑄鐵的顯微組織主要由初生樹枝晶組織及其間的共晶組織組成，較粗大的初生樹枝晶固溶體為初生奧氏體組織，富集的碳、鉻元素穩(wěn)定地保存在鑄態(tài)組織之中；共晶組織主要由長桿狀的(Cr,Fe)7C3型碳化物和馬氏體組成。碳化物的形成使片層狀共晶組織中的原奧氏體組織中碳、鉻元素含量降低，在隨后的冷卻過程中發(fā)生奧氏體枝晶組織向馬氏體轉(zhuǎn)變[9]。隨鉬含量的增加，奧氏體基體組織及共晶組織均有一定細(xì)化，碳化物形態(tài)也有一定改善，長粗桿狀變細(xì)變短。分析認(rèn)為：通過添加鉬，一方面鉬的固溶有助于提高熔體的過冷度；另一方面鉬為強(qiáng)碳化物形成元素，部分鉬與碳能形成細(xì)小的鉬碳化物質(zhì)點，阻礙晶粒生長，從而使初生樹枝晶組織和共晶組織細(xì)化，同時使碳化物細(xì)化及短化[10]。

2.2 耐熱疲勞性能

鑄態(tài)高鉻鑄鐵試樣在600，900 ℃下經(jīng)50 次冷熱循環(huán)熱疲勞試驗后的主裂紋形貌及其長度分別如圖5，6。

圖5 兩種溫度下高鉻鑄鐵熱疲勞試樣裂口處的主裂紋形貌Fig.5 Main crack morphology at the crack of thermal fatigue sample of high chromium cast iron at two temperatures

由圖5 可見：與600 ℃熱疲勞試樣裂口處的主裂紋形貌(圖5(a，b，c))相比，較高溫度下(900 ℃)，熱疲勞試樣的主裂紋較長較粗，且有明顯的二次裂紋，耐熱疲勞性能較差(圖5(e)～(g))；隨著添加鉬及其含量的增加，主裂紋變短、裂紋變細(xì)。由圖6 可見：相對于不加鉬的鑄態(tài)高鉻鑄鐵(試樣1)，600，900 ℃下，試樣2 的耐熱疲勞性能分別提高11%和8%；試樣3 的耐熱疲勞性能分別提高25%和33%。表明Mo 的添加有助于減小高鉻鑄鐵熱疲勞主裂紋的長度，特別是能有效提高其在高溫條件下的抗熱疲勞性能。

圖6 高鉻鑄鐵試樣的熱疲勞主裂紋長度Fig.6 Thermal fatigue main crack length of the high chromium cast iron samples

高鉻鑄鐵試樣經(jīng)50 次冷熱循環(huán)試驗后的裂紋形貌及顯微組織如圖7。由圖7可看出：在600 ℃短暫加熱保溫后，由于沒有發(fā)生相變，顯微組織基本保持原來的亞共晶組織特征，試樣主裂紋主要沿著初生固溶體之間的共晶組織方向擴(kuò)展；900 ℃進(jìn)行熱疲勞試驗時，由于在升溫降溫過程中會發(fā)生相變，顯微組織仍具有亞共晶組織特征，但較高溫度升降引起的熱應(yīng)力和由于相變引起的組織應(yīng)力明顯增大，裂紋寬度增加，出現(xiàn)明顯的二次裂紋，且主裂紋穿越初生固溶體和沿著共晶組織方向擴(kuò)展。隨著鉬的添加及其含量的增大，裂紋明顯縮短、二次裂紋明顯減少。

圖7 高鉻鑄鐵在50次熱疲勞試驗后的顯微組織及裂紋形貌Fig.7 Microstructure and crack morphology of the high chromium cast iron after 50 thermal fatigue tests

熱疲勞裂紋的擴(kuò)展一般可分為裂紋萌生、亞臨界擴(kuò)展和斷裂等3個階段。在裂紋萌生階段，裂紋會受到基體強(qiáng)度、碳化物分布、組織應(yīng)力及熱應(yīng)力等的綜合影響[11]，晶界上大塊的共晶碳化物與基體的熱脹系數(shù)和彈性模量差異較大，在冷熱循環(huán)過程中由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引發(fā)的應(yīng)力集中易成為微裂紋源及裂紋擴(kuò)展的通道。低溫?zé)崞谠囼灂r，基體特別是奧氏體基體韌性良好，具有有效阻隔作用，裂紋擴(kuò)展受到抑制，裂紋擴(kuò)展動力被不斷鈍化，擴(kuò)展速度減慢或終止。在900 ℃高溫?zé)崞谠囼灂r組織應(yīng)力和熱應(yīng)力明顯提高，當(dāng)裂紋在碳化物與基體之間的界面以及碳化物與碳化物之間狹窄的基體擴(kuò)展時，消耗的能量低于穿過基體時所需的能量，這為裂紋的加快形成和擴(kuò)展提供了通道。另外，高溫氧化也會助長裂紋的擴(kuò)展[12]。高鉻鑄鐵試樣的顯微組織主要由奧氏體、(Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物和馬氏體組成，具有較多的晶界和相界。添加鉬有利于細(xì)化初生奧氏體晶粒與共晶體及改變碳化物形態(tài)，一方面可通過細(xì)化及奧氏體含量的增加來提高基體組織的塑韌性，當(dāng)裂紋穿過基體時，基體產(chǎn)生的塑性變形吸收變形功，消耗裂紋較多的能量，使裂紋擴(kuò)展激活能提高，裂紋擴(kuò)展速度降低；另一方面可提高顯微組織的導(dǎo)熱能力，高鉻鑄鐵的熱傳導(dǎo)主要依靠基體來進(jìn)行，當(dāng)碳化物以細(xì)短桿狀分布存在時，基體連續(xù)性增強(qiáng)，導(dǎo)熱能力提高，冷熱循環(huán)過程中的溫度梯度與熱應(yīng)力變小，產(chǎn)生裂紋的傾向也變小[13]。鉬還有助于提高鑄鐵的抗氧化能力，因此添加鉬有助于提高高鉻鑄鐵的抗熱疲勞性能，且隨著鉬含量的提高，這種作用更趨明顯。

3 結(jié)論

1)鑄態(tài)高鉻鑄鐵組成相主要有α-Fe，γ-Fe及(Cr，F(xiàn)e)7C3，隨著添加Mo含量的增加，組織中奧氏體的含量增加。

2)鑄態(tài)高鉻鑄鐵以亞共晶方式結(jié)晶，顯微組織主要由初生樹枝晶奧氏體固溶體及其間的共晶組織組成，共晶組織主要由層片狀板條馬氏體和桿狀(Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物組成。添加Mo有助于細(xì)化初生奧氏體組織及其間的共晶組織，同時使桿狀碳化物發(fā)生細(xì)化、短化。

3)冷熱循環(huán)熱疲勞試驗表明：在較高試驗溫度下試樣的主裂紋較長較粗，且有明顯的二次裂紋，抗疲勞性能明顯降低；隨著添加Mo 含量的增加，主裂紋變短、裂紋變細(xì)、二次裂紋減少；本試驗條件下添加鉬的高鉻鑄鐵抗熱疲勞性能可提高10%～35%。