■楊國(guó)棟
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(guó)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(guò)共晶類高鉻鑄鐵,對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)爐前處理時(shí)加入稀土鎂與K鹽粉末復(fù)合變質(zhì)劑來(lái)細(xì)化Cr20系過(guò)共晶高鉻鑄鐵的組織,并考察不同加入量對(duì)其影響,最終提升材料綜合力學(xué)性能指標(biāo)。
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(duì)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(wú)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(cè)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(cè)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(duì)鑄態(tài)過(guò)共晶高鉻鑄鐵的影響
(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(guò)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(zhǎng)大的作用。但單獨(dú)加入稀土鎂后,反應(yīng)過(guò)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(wú)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(zhǎng),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(guò)量后爐渣過(guò)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(duì)耐磨性進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)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(duì)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(wú)論從力學(xué)性能還是耐磨性都有顯著的比較優(yōu)勢(shì),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。
(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(duì)Cr20 系過(guò)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(guò)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。