复合变质剂对高铬铸铁篦条组织的影响

朱雪珍，从善海，王黎明，罗 昊，胡 梅

（武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室 湖北 武汉，430081）

篦条作为烧结机台车上的主要易损件，其使用寿命直接影响到烧结机的作业效率和生产成本［1－2］。我国自20世纪80年代末相继对耐热球铁篦条和高铬铸铁篦条进行了开发研制［3］，应用结果表明，高铬铸铁篦条具有良好的耐热性和抗氧化性，但存在韧性差、易断裂缺陷。原因是组织中存在着粗大、长条状共晶碳化物，这些呈网状分布的碳化物破坏了基体的连续性。阴世河等［4］研究了Mg变质剂对铬26白口铁性能的影响，发现Mg变质剂可以细化组织，改善碳化物形态。Zhi等［5］研究了Nb对高铬铸铁中共晶碳化物的影响，发现铌的加入可使碳化物颗粒趋于细化，大小更加均匀。杨清等［6］研究发现钇基重稀土复合变质剂具有较强改善高铬耐磨白口铁中碳化物形态及分布的作用。

本文研究 Ti－W－Mg、Ti－Zr－Nb、Ti－Zr－Y 基重稀土（以下简称重Y）3种复合变质剂对高铬铸铁篦条组织的影响，得出了3种复合变质剂对高铬铸铁篦条组织的影响效果。

1 试验

3种复合变质剂主要化学成分如表1所示。其中，W 粉、Zr粉粒度为200目，Ti－Fe、Nb－Fe粒度为150目，重Y粒度为2～3mm，Mg粒采用紫铜包裹。变质对象为奥氏体型高铬铸铁篦条，其化学成分（wB）为：1.8%～2.2%C，25%～28%Cr，0.8%～1.2%Ni，1.5%～1.8%Si，0.7%～1.0%Mn。在0.5t中频感应炉中熔炼。主要原料为废钢、不锈钢块料、高碳铬铁、锰铁、硅铁；熔炼温度为1530～1560℃，熔清后加适量Si－Ca反复造白渣脱氧、扒渣，出钢前加适量铝丝深度脱氧，采用冲包法加入变质剂（复合变质剂的加入量为0.2%～0.3%）。即在放入了变质剂的容量为20kg的小钢包中冲入适量1460～1480℃的铁水，移动小钢包浇铸篦条，冷至800～700℃开箱，空冷至室温。

表1 复合变质剂主要化学成分Table1 Chemical compositions of modificator

将变质处理前后的篦条制备成金相试样，用蔡司Axioplan2多功能金相显微镜对试样进行铸态显微组织观察。将试样在室温下敲断，用FEI公司NOVA400Nano SEM场发射扫描电子显微镜（FESEM）对试样断口进行形貌观察。

2 结果与讨论

图1 篦条铸态显微组织Fig.1 Microstructures of as－cast grate bar treated by different modificators

篦条铸态显微组织如图1所示。从图1中可看出：未经变质处理的篦条铸态显微组织中，初生奥氏体呈树枝状分布，多为柱状晶；共晶体充满奥氏体枝晶间隙，其中共晶碳化物发达，呈长条状或大块状分布（见图1（a））。经 Ti－W－Mg变质处理的篦条铸态显微组织中，初生奥氏体呈近等轴晶分布，95%的共晶碳化物由原长条状、大块状向球状、粒状转变，少量保持长杆状的共晶碳化物厚度变薄、长度变短（见图1（b））；经 Ti－Zr－Nb变质处理的篦条铸态显微组织中，初生奥氏体枝晶部分破碎，约半数的共晶碳化物为长杆状（见图1（c））；经 Ti－Zr－重 Y 变质处理的篦条铸态显微组织中，小部分初生奥氏体仍保留原柱状晶和枝晶形态，共晶碳化物大多被细化、钝角化和孤立化，但颗粒尺寸较Mg复合变质的共晶碳化物大（见图1（d））。总之，经变质处理后，初生奥氏体大部分呈近等轴晶分布，共晶碳化物明显细散化、钝角化、孤立化，并在不同程度上断网。3种复合变质剂对初生奥氏体和共晶碳化物形貌的变质效果为：Ti－W－Mg最佳，Ti－Zr－重 Y 次之，Ti－Zr－Nb最差。

高铬铸铁篦条变质处理是通过改变铸态组织中共晶碳化物的形核和长大条件，使其趋于圆整、细化，以达到提高篦条综合力学性能的目的。其变质机理［7］主要有：①加入 Ti、V、Nb、RE等元素，其在凝固时优先生成高熔点的碳化物、硫化物和氮化物等，作为共晶碳化物的晶核使共晶组织细化；②加入微量RE、K、Na、Mg等元素，其在共晶碳化物表面强烈吸附并阻碍共晶碳化物生长，从而使共晶碳化物孤立、细化；③加入Si、Al等元素，其在碳化物中溶解度近似为零，这些元素富集在共晶结晶前沿处阻碍碳化物生长，使之孤立、细化。本研究中的变质剂元素有Ti、W、Mg、Zr、Nb和重 Y。其中，Ti［8］、W、Zr和 Nb［9］均为强或中强碳（氮）化物形成元素，易与铸铁溶液中的C、N结合形成弥散分布的碳（氮）化物，因其熔点均高于2000℃，故能在凝固过程中起外来晶核的作用，从而细化初生奥氏体和共晶碳化物。Mg和重Y［10］性质活泼，易与熔液中的S、P、O 等形成化合物。其中：大部分成为渣系被扒除，其结果净化了铁液，强化了晶界和材料性能；小部分成为异质核心，起细化初晶奥氏体和共晶碳化物的作用；且 Mg［4］和重 Y［11－12］均为强成分过冷元素，其在奥氏体枝晶前沿的溶液中富集，所形成的成分过冷区有利于奥氏体枝晶向多晶发展，其枝晶相互搭接形成骼架，起阻碍与断开共晶碳化物之间网状连接的作用；加之 Mg［4］和重 Y［12］易于在新生共晶碳化物表面吸附，使碳化物的择优长大速度受阻，从而有助于共晶碳化物在细化和分散过程中趋于圆整、孤立。正是Mg和重Y的上述诸作用，使得 Ti－W－Mg和 Ti－Zr－重 Y 的变质效果明显优于 Ti－Zr－Nb。

图2 篦条断口SEM照片Fig.2 SEM morphologies of grate bar fracture treated by different modificators

篦条断口SEM照片如图2所示。由图2中可看出，未经变质处理的篦条断口呈大尺度河流花样，晶粒粗大，解理面平坦，台阶纹理清晰，属典型脆性断裂（见图2（a））。经变质处理的篦条断口晶粒细化，有短而不连续的河流花样，呈部分准解理特征。其中，经Ti－W－Mg变质处理的篦条断口有典型的撕裂棱（见图2（b）中箭头A处），且解理面最小；经Ti－Zr－Nb变质处理的篦条断口未见撕裂棱，且解理面较大（见图2（c））；经 Ti－Zr－重 Y变质处理的篦条断口有非典型撕裂棱（见图2（d）中箭头B处）。从断口形貌（尤其是撕裂棱）变化可以推知，经变质处理的篦条韧性有不同程度的增强，3种复合变质剂对高铬铸铁篦条韧性增强效果为：Ti－W－Mg最佳，Ti－Zr－重 Y 次之，Ti－Zr－Nb最差。

3 结语

经变质处理后的篦条铸态组织，其初生奥氏体树枝晶弱化，向等轴晶发展；共晶碳化物被有效细化、圆整化、孤立化和弥散化；篦条韧性有不同程度的增强；3种复合变质剂对高铬铸铁篦条组织的影响效果为：Ti－W－Mg最佳，Ti－Zr－重 Y 次之，Ti－Zr－Nb最差。

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