王振廷，朱士奎，馮　帆，尹吉勇

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

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新型耐磨耐熱導(dǎo)板材料的制備與性能

王振廷，朱士奎，馮帆，尹吉勇

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

為了提高穿孔機(jī)導(dǎo)板的性能，在Cr35Ni5材料的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)合金成分，制備一種新型合金鑄鐵。利用掃描電子顯微鏡和X射線(xiàn)衍射儀分析鑄鐵的顯微形貌、元素組成含量和物相組成，采用洛氏硬度計(jì)、沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)和熱處理爐測(cè)試材料的硬度、韌性、耐磨性和抗氧化性。結(jié)果表明：所制合金鑄鐵的組織主要為Fe-Cr和(Fe,Cr)7C3兩相，具有較高的硬度和沖擊韌性，高溫抗氧化能力與耐磨性均好于Cr35Ni5，耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。該合金鑄鐵是一種良好的耐磨耐熱材料。

合金鑄鐵； 耐磨性； 高溫抗氧化性

無(wú)縫鋼管穿孔機(jī)的導(dǎo)板用于控制穿孔荒管外徑，其生產(chǎn)條件非常惡劣。穿孔時(shí)，溫度高達(dá)1 250 ℃的管坯在軋輥?zhàn)饔孟赂咚傩D(zhuǎn)進(jìn)入導(dǎo)板，導(dǎo)板經(jīng)高壓摩擦后溫度迅速升高[1]，穿孔完成后，再經(jīng)冷卻水冷卻。因此，導(dǎo)板材料需要具有良好的耐磨性、高溫抗氧化性和耐激冷激熱性，同時(shí)具有較高的高溫硬度和高溫強(qiáng)度[2-6]。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)多采用Cr35Ni5材料制備穿孔機(jī)導(dǎo)板[7-9]。該材料硬度偏低，在高溫高壓及冷熱交替情況下，導(dǎo)板表面易發(fā)生磨損，并產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的凹坑和裂紋，最終導(dǎo)板因磨損嚴(yán)重而失效[10]。Cr35Ni5制備的導(dǎo)板壽命較短，且含有大量的貴重金屬，生產(chǎn)成本較高。因此，筆者在其基礎(chǔ)上降低Cr、Ni的含量，添加Si、V、Mo等元素，研制新型材料，以期在降低成本的同時(shí)改善材料性能。

1　材料與方法

原材料選用生鐵、廢鋼、鎳板、硅鐵、釩鐵、鉬鐵和鉻鐵等。使用中頻感應(yīng)爐熔煉原料，采用消失模鑄造法制備合金鑄件。設(shè)計(jì)的合金成分為：w(C)=2.20%,w(Cr)=30.00%,w(Ni)=4.00%,w(V)=0.25%,w(Si)=2.00%,w(Mo)=0.50%。

使用MX2600FE掃描電子顯微鏡觀察合金鑄鐵的顯微組織，并用其自帶能譜儀測(cè)量不同區(qū)域的元素組成和含量；采用XD-2型X射線(xiàn)衍射儀分析合金鑄鐵的相組成；采用洛氏硬度計(jì)和沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)合金鑄鐵的硬度及沖擊韌性進(jìn)行測(cè)試；采用KJ1600高溫?zé)崽幚頎t對(duì)合金鑄鐵進(jìn)行熱處理，測(cè)試其高溫抗氧化性能，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm；熱處理工藝為970 ℃保溫2 h，空冷淬火；高溫氧化加熱溫度700 ℃，每隔2 h取出一次，使用電子天平測(cè)量其重量，計(jì)算氧化增重，測(cè)試時(shí)間10 h；采用滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金鑄鐵耐磨性，載荷400 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，時(shí)間2 h，對(duì)比材料為Cr35Ni5，以試樣的磨損失重來(lái)衡量材料耐磨性。

2　結(jié)果與分析

2.1顯微組織及能譜分析

圖1、2分別為鑄態(tài)和熱處理態(tài)合金鑄鐵的顯微組織形貌。由圖1可見(jiàn)，組織中分布著大量的顆粒狀、塊狀與桿狀物質(zhì)，顆粒尺寸幾微米到幾十微米不等，尺寸較小的顆粒在基體中分布比較均勻。對(duì)比圖1和2可知，熱處理后基體中顆粒的形態(tài)、大小分布變化不大。

圖1　鑄態(tài)耐熱鑄鐵的顯微組織形貌

圖2　熱處理態(tài)耐熱鑄鐵的顯微組織形貌

熱處理后合金鑄鐵的能譜圖見(jiàn)圖3。碳化物顆粒中除C元素外還含有大量的Fe和Cr元素，短棒狀碳化物中還含有少量的Mo元素，基體中主要含有Fe和Cr元素，少量的Ni、Si和C元素。

a　測(cè)試點(diǎn)分布

b　A點(diǎn)，塊狀顆粒

c　B點(diǎn)，短棒狀顆粒

d　C點(diǎn)，基體

2.2相組成

圖4為熱處理后合金鑄鐵的XRD衍射圖譜，由圖4可知，合金中主要含有Fe-Cr和(Fe,Cr)7C3兩相。結(jié)合圖1、2和3可知，組織中的碳化物為(Fe,Cr)7C3，部分碳化物中固溶了少量的Mo元素，尺寸變小，形態(tài)發(fā)生變化，基體為Fe-Cr。

圖4　合金鑄鐵的XRD衍射圖譜

2.3硬度及沖擊韌性

對(duì)合金鑄鐵的硬度及韌性進(jìn)行測(cè)試，并與Cr35Ni5進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示，其中試樣1、2、3為實(shí)驗(yàn)制備的合金鑄鐵，試樣4為Cr35Ni5鑄鐵(下同)。由表1可知，實(shí)驗(yàn)制備的合金鑄鐵，無(wú)論是鑄態(tài)還是熱處理態(tài)，硬度均高于Cr35Ni5鑄鐵；熱處理能夠提高鑄鐵的硬度和韌性，熱處理后的合金鑄鐵硬度最高可達(dá)7.0 GPa，沖擊韌性最高為8.8 J/cm2。實(shí)驗(yàn)制備的合金鑄鐵沖擊韌性和Cr35Ni5相差不大，沒(méi)有明顯的提升。

表1合金鑄鐵的硬度和韌性值

Table 1Rockwell hardness and impact toughness of alloy cast iron

試樣硬度/GPaI/J·cm-2鑄態(tài)熱處理鑄態(tài)熱處理15.76.84.68.425.87.04.27.935.86.84.48.844.95.85.08.5

2.4高溫抗氧化性

圖5為合金鑄鐵與Cr35Ni5的氧化增重曲線(xiàn)，鑄鐵為熱處理態(tài)。由圖5可知，兩種材料的氧化增重曲線(xiàn)均為拋物線(xiàn)。在氧化前期，材料表面與空氣直接接觸，增重速度較快，隨著氧化進(jìn)行，材料表面生成一層氧化層，減少了表面與空氣的接觸，減緩氧化速度，當(dāng)氧化時(shí)間超過(guò)6 h后，氧化增重的速率明顯降低。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，合金鑄鐵的氧化增重要少于Cr35Ni5，即其高溫抗氧化性?xún)?yōu)于Cr35Ni5。

圖5　氧化增重曲線(xiàn)

2.5耐磨性

圖6為合金鑄鐵的相對(duì)耐磨性，試樣1、2、3為熱處理態(tài)。以Cr35Ni5為基準(zhǔn)，相對(duì)耐磨性定為1。

由圖6可知，合金鑄鐵耐磨性較高。由于組織中的碳化物細(xì)小且分布均勻，除直接抵御摩擦副磨損外，彌散分布的碳化物還能夠?qū)w產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)制備的新型合金鑄鐵具有優(yōu)異的耐磨性，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，其耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。

圖6　合金鑄鐵的相對(duì)耐磨性

3　結(jié)　論

(1)實(shí)驗(yàn)制備的新型合金鑄鐵組織主要包含F(xiàn)e-Cr和(Fe,Cr)7C3兩相，細(xì)小的碳化物在組織中均勻分布。

(2)新型合金鑄鐵具有優(yōu)異的高溫抗氧化性和耐磨性，其耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。

(3)無(wú)論是否經(jīng)過(guò)熱處理，新型合金鑄鐵硬度均高于Cr35Ni5，沖擊韌性與之相當(dāng)。

[1]邵子平.ZG40Cr30Ni16NRE耐熱耐磨性的研究與應(yīng)用[J].鑄造,2002,51(11):726-728.

[2]TANG ZENGWU,LI JINSHANA,HU RUI.Effects of solution heat treatment on carbide of Ni-Cr-W superalloy[J].Rare Metal Materials and Engineering,2010,39(7):1157-1161.

[3]ZENG Y P,KOU L Z,XIE X S.Influence of thermal exposure on the precipitates and mechanical properties of a newly developed Ni-21Cr-17Mo alloy[J].Materials Science &Engineering:A,2013,560:611-617.

[4]REIHANIA A,DERAKHSHANDEH HAGHIGHI R.Failure analysis and weld ability improvement of 35%Cr-45%Ni heat resistant alloy[J].Engineering Failure Analysis,2015,52:97-108.

[5]董鑫,高秋志,李超,等.9Cr-1.7W-0.4Mo-Co鐵素體耐熱鋼等溫時(shí)效的組織演變[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2015,36(S2):81-87.

[6]王樹(shù)申.12Cr-W-Mo-Co馬氏體耐熱鋼組織結(jié)構(gòu)和性能研究[D].北京:北京科技大學(xué),2015.

[7]朱上.9Cr-9Co-5W-2.2Al鐵素體耐熱鋼蠕變性能及氧化行為的研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2015.

[8]BRNIC J,TURKALJ G,CANADIJA M,et al.Deformation behaviour and material properties of austenitic heat-resistant steel X15CrNiSi25-20 subjected to high temperatures and creep[J].Materials &Design,2015,69:219-229.

[9]YAN P,LIU Z D,BAO H S,et al.Effect of microstructural evolution on high-temperature strength of 9Cr-3W-3Co martensitic heat resistant steel under different aging conditions[J].Materials Science &Engineering:A,2013,588:22-28.

[10]姚建磊.新型耐熱耐磨無(wú)縫鋼管穿孔熱頂頭的研制[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2011.

(編輯王冬)

Study on new-type wear-resisting and heat-resisting materials for guide

WANG Zhenting，ZHU Shikui，F(xiàn)ENG Fan，YIN Jiyong

(School of Materials Science &Engineering，Heilongjiang University of Science &Technology，Harbin 150022，China)

This paper is directed specifically at improving the properties of guide shoes.This improvement is performed by redesigning the components of an alloy based on the Cr35Ni5 and preparing a new type of alloy cast iron.The validation is done by observing the microstructure of the alloy cast iron using scan electron microscopy and X-ray diffract meter;measuring the composition and content of elements and examining the phase of the alloy cast iron;and testing the hardness,impact toughness,and wear resistance of alloy cast iron by using hardness tester,impact tester,and friction and wear tester;and testing the oxidation resistance of alloy cast iron by using heat treatment furnace.The result shows that the alloy cast iron consisting mainly of Fe-Cr and (Fe,Cr)7C3,boasts a higher hardness and impact toughness;better high temperature oxidation resistance and wear resistance than Cr35Ni5;and the wear resistance about 1.8 times higher than Cr35Ni5.

alloy cast iron； wear resistance； high temperature oxidation resistance

2016-04-19

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GC13A113)

王振廷(1965-)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向：表面工程與耐磨材料，E-mail:wangzt2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.011

TG143;TG115.58

2095-7262(2016)03-0289-03

A