燒結機蓖條耐熱性能研究

摘 要：在本課題中，針對燒結機篦條的工況設計了一套新的成分配比。以Cr16.5Al2.0為母合金的基礎上，提高了Nb和Ti等合金元素，并添加了稀土元素鈰以改善其性能。采用Cr、Si、Al等合金元素形成穩定的多種氧化物保護層，提高合金的抗氧化性能。通過對抗氧化等試驗證明，在添加上述元素后，高溫性能得到了很大提高。

關鍵詞：高鉻合金；篦條；高溫性能

引言

針對實際工況，設計一種含鈮和稀土鈰的耐熱合金，在考慮節約重要合金元素（Ni）情況之下，設計一系列Fe-Cr基耐熱合金以期獲得高溫下抗氧化和長期使用時其顯微組織和性能的穩定性。課題研究內容為抗高溫氧化性能。測定不同含量的合金在900℃，100小時以內的氧化增重，并繪制抗氧化曲線。

1 高鉻鑄鐵篦條材質設計及熔煉

1.1 試樣成分設計及熔煉

鑒于以往常規的篦條成分，特設計一種不同成分的合金，試樣采用WK-Ⅱ型非自耗真空電阻爐熔煉，與濟鋼篦條成分進行對比。具體配比如下表所示：

表1 設計合金試樣與濟鋼篦條成分成分配比（wt%）

1.2 合金抗氧化性試驗

1.2.1 抗氧化實驗步驟

選用確定時間內氧化增重和氧化層厚度作為判斷高鉻鑄鐵抗氧化性能好壞的依據。

本次試驗選取設計試樣與濟鋼試樣進行對比。試驗所用儀器是功率為10KW的箱式電阻爐；感量0.1mg電子分析天平；精確度為0.01mm的千分卡尺；30ml石英坩堝和50ml石英坩堝若干。抗氧化試驗步驟如下：

（1）用千分卡尺測量試樣每個面的長和寬，并計算出其表面積；（2）清洗30ml石英坩堝，在試驗前其放在900℃的爐中加熱若干小時，使加熱前后坩堝的重量不變為止。用電子分析天平稱量坩堝的重量，然后將試樣放在30ml的石英坩堝中，并稱量試樣與30ml石英坩堝的總重量；（3）將試樣放在30ml石英坩堝中一同放入50ml并蓋好，然后放入爐中進行抗氧化性試驗，測試溫度為900℃（試樣與爐壁之間相隔20mm距離，并且用隔熱的耐火纖維板封住爐門口，以確保爐內溫度的均勻，氧化時間從溫度到達規定溫度（900℃算起）。

1.2.2 抗氧化實驗結果處理分析

圖1a為濟鋼試樣在900℃氧化的氧化膜形貌，由圖可以看出該試樣氧化膜較厚，氧化膜與金屬基體之間的交界面比較致密，但氧化膜內局部存在平行于表面的微裂紋，裂紋中間鑲嵌有許多氧化物小顆粒。

圖1b為設計試樣氧化膜形貌，很明顯，它的氧化膜厚薄均勻，與基體之間的交界面處有許多細小韌窩，因此裂紋沿此界面擴展消耗能量比較大。

由氧化動力學曲線（圖2）可以看出，試樣在初始的時間增重較快，而隨著氧化時間的逐漸延長，氧化增重逐漸平緩，兩種試樣的動力學曲線均符合拋物線規律。這是因為，在抗氧化試驗初期，合金的氧化膜還未完全形成，隨著氧化時間的延長，合金中的Cr、Al、Si等元素所形成的多重氧化膜對合金基體提供了穩固的保護，起到了鈍化作用，抑制了氧往基體中縱深氧化。因此，隨著抗氧化時間的延長增重速率逐漸減少。

表2 900℃、100h抗氧化實驗結果

同時可以看到，設計試樣和濟鋼試樣在前10h氧化增重速率相差不大，說明在這一階段兩種試樣抗氧化性基本相同。但隨著時間的延長，設計試樣的抗氧化性逐漸優于濟鋼試樣，差距越來越大。直到接近80h兩種試樣的氧化動力學曲線開始趨于平行，其抗氧化性能也趨于穩定。

圖2 900℃試樣的氧化動力學曲線

稀土的加入對設計試樣的抗氧化性也由較大的影響。其氧化機理可能是稀土元素Ce優先氧化，改變了界面處的化學位，促使稀土向界面遷移。抑制鐵和鉻向晶界擴散。另外稀土與合金中的Si也能產生協同作用，促進完整的Cr2O3氧化層的形成，并明顯地改善氧化膜的粘附性，減少氧化膜起皺，從而提高高鉻合金的抗氧化性。

抗氧化試驗的結果表明，新配制的合金成分鑄鋼有著優異的抗氧化性能。但是在抗氧化試驗中，由于試樣需在不同的氧化時間叢爐內取出稱重，因此，一方面試樣頻繁接觸空氣，另一方面試樣每次取出及再次放入爐內都將承受急冷急熱交變循環作用，兩個因素使得試樣氧化增重較長時連續性氧化要高。而在各個時間段，試樣的氧化速率也表現為不同的抗氧化性。

從總體上看，采用Cr、Si、Al等合金元素形成穩定的多種氧化物保護層，同時稀土的加入也大大提高了合金的抗氧化性能。

2 結束語

總之，設計試樣（16.5%Cr、1.65%C、2.0%Al、1.0%Si、0.2%Nb、0.3%Ce）在抗氧化性能等方面都比濟鋼試樣和其它設計試樣的性能要好。