復(fù)合變質(zhì)對過共晶高鉻鑄鐵組織細(xì)化研究

■楊國棟

1. 概述

高鉻鑄鐵是在鎳硬鑄鐵甚礎(chǔ)上發(fā)展的第三代抗磨白口鐵，已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中廣泛使用。業(yè)內(nèi)的相關(guān)報(bào)道表明，很多學(xué)者和技術(shù)人員主要研究方向集中在wCr＝10%～30%的過共晶類高鉻鑄鐵，對其機(jī)理性探討分析也很透徹。但北京工業(yè)大學(xué)子澍等人對亞共晶類高鉻鑄鐵不耐磨的現(xiàn)象給予解釋，強(qiáng)調(diào)材料組織中碳化物體積不足是導(dǎo)致使用效果不佳的主要原因。過共晶高鉻鑄鐵具有較多的Cr7C3碳化物，相比亞共晶類是更有開發(fā)潛力的耐磨材料，但如不經(jīng)特殊控制，組織中粗大的初生碳化物會(huì)導(dǎo)致鑄件過早開裂，鑄件成品率及使用安全性降低，從而限制了此類型高鉻鑄鐵的應(yīng)用范圍。目前，廣大材料工作者為改善此類型鑄鐵的特性也做了大量嘗試。李紹利、智小慧等人介紹了幾種可用于細(xì)化過共晶高鉻鑄鐵的方法，并指出復(fù)合細(xì)化技術(shù)可適用于渣漿泵的生產(chǎn)。本研究是通過爐前處理時(shí)加入稀土鎂與K鹽粉末復(fù)合變質(zhì)劑來細(xì)化Cr20系過共晶高鉻鑄鐵的組織，并考察不同加入量對其影響，最終提升材料綜合力學(xué)性能指標(biāo)。

2. 試驗(yàn)方法

原材料采用生鐵、廢鋼、鉻鐵、錳鐵、純銅等，將合金在30kg中頻感應(yīng)電爐中熔煉。鑄鐵的合金成分及所對應(yīng)變質(zhì)劑加入量如表1所示。澆注溫度控制在1400℃左右，爐前充分脫氧，包內(nèi)放入復(fù)合變質(zhì)劑，配比方案如表2所示。

表1 試樣主要化學(xué)成分及變質(zhì)劑選用方案

表2 復(fù)合變質(zhì)劑配比及脫氧方法

采用呋喃樹脂砂造型，澆注試塊分別為標(biāo)準(zhǔn)Y 形，20mm×20mm×110mm無缺口棒形，以及φ80mm×120mm、壁厚δ10mm的軸套形。熱處理工藝如圖1所示。

將4 組試樣進(jìn)行熱處理之后，分類測試力學(xué)性能及耐磨性。Y形試塊用于加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣；棒材在J B—30B擺錘試驗(yàn)機(jī)上檢測沖擊韌度，并采用XJB—1/790153光學(xué)顯微鏡觀察鑄態(tài)斷口金相；軸套用于在2.2k W筒型濕式磨損機(jī)內(nèi)做磨損試驗(yàn)（見圖2）。

圖1 熱處理工藝

圖2 濕式磨損示意

圖3 復(fù)合變質(zhì)對鑄態(tài)過共晶高鉻鑄鐵的影響

3. 結(jié)果討論

（1）金相分析 圖3是實(shí)施表2中變質(zhì)劑加入方案后的鑄態(tài)金相結(jié)果。圖3a顯示在加入含鎂球化劑時(shí)，初生碳化物彼此孤立，尖角略有鈍化。這是因?yàn)殒V有助于脫氧、脫硫，且其熔點(diǎn)較低，在孕育過程中伴隨鎂蒸氣的攪動(dòng)，可以凈化鐵液；殘余鎂有分割碳化物并改變其形貌，同時(shí)抑制碳化物長大的作用。但單獨(dú)加入稀土鎂后，反應(yīng)過程較劇烈，仍有部分粗大的桿狀碳化物相互交叉、沖斷。圖3b顯示，在選用方案2時(shí)，爐前處理無噴濺冒煙現(xiàn)象發(fā)生，且試樣組織中碳化物得到明顯細(xì)化，相互纏繞的現(xiàn)象基本消失，只是針狀碳化物較為細(xì)長，在受到磨粒磨損時(shí)，容易折斷脫落。在變質(zhì)劑提升至1.5%K鹽后（見圖3c），這種情況得到改善，初生碳化物不僅數(shù)量略有增加，而且形狀短小，與基體結(jié)合穩(wěn)固。圖3d是采用方案4的鑄態(tài)金相照片，從中可以看出斷口雜質(zhì)較多且碳化物有聚集粘連現(xiàn)象產(chǎn)生，這主要是由于K鹽過量后爐渣過多且未及時(shí)排出，從而降低變質(zhì)作用而造成的。

（2）力學(xué)性能與耐磨性分析 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，a組與b組試樣的力學(xué)性能相近，抗拉強(qiáng)度及沖擊韌度分別為510MPa、3.95J/cm2與520MPa、4.01 J/cm2。當(dāng)同等條件下采用失重法對耐磨性進(jìn)行測試時(shí)，磨損率為1.2%的a組試樣的耐磨性略優(yōu)于b組試樣。究其原因，b組試樣中碳化物呈細(xì)長針狀很容易在強(qiáng)烈磨損時(shí)脫落，很可能成為磨粒加速對基體組織的破壞，但由于磨損時(shí)間較短（12h），這種區(qū)別不夠明顯。

c組試樣無論從力學(xué)性能還是耐磨性都有顯著的比較優(yōu)勢，在沖擊韌度基本不變的情況下（3.98J/cm2），其抗拉強(qiáng)度提高了50MPa；由于在變質(zhì)劑的作用下晶界得到強(qiáng)化，堅(jiān)硬且形態(tài)適宜的初生碳化物與基體組織良好的配合，其抗磨性十分顯著，磨損率僅為0.6%。

d組試樣是各項(xiàng)性能指標(biāo)最差的，萘狀斷口較明顯，夾雜物造成基體不連續(xù)，表面拋光腐蝕后肉眼可見微裂紋延伸。

4. 結(jié)語

（1）采用稀土鎂與K鹽的變質(zhì)技術(shù)，可使孕育處理時(shí)反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，降低爐前操作的危險(xiǎn)性。

（2）爐前充分脫氧，對Cr20 系過共晶高鉻鑄鐵組織的最佳細(xì)化方案為1.5%K 鹽+0.4%FD。

（3）經(jīng)復(fù)合變質(zhì)處理的Cr20系過共晶高鉻鑄件沖擊韌度接近4J/c m2，適用于高磨損低沖擊的工況環(huán)境。