添加合金元素对耐热铸铁显微组织和抗拉强度的影响

朱婷婷，刘 可,2，薛正良，邹 峰，熊 锐

(1.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;2.中冶集团武汉冶金建筑研究院，湖北 武汉，430081)

添加合金元素对耐热铸铁显微组织和抗拉强度的影响

朱婷婷1，刘 可1,2，薛正良1，邹 峰1，熊 锐1

(1.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;2.中冶集团武汉冶金建筑研究院，湖北 武汉，430081)

利用光学显微镜观察五组不同化学成分铸锭的显微组织，并对铸锭试样在不同温度下抗拉强度进行测定，研究碳元素和合金元素对铸铁抗拉强度的影响。结果表明，在碳含量适宜的情况下，添加适量合金元素Ni、Mo能提高铸铁的高温强度；w(C)为3.72%、w(Si)为2.45%、w(Mn)为0.661%、w(Cr)为0.90%、w(Ni) 为0.66%、w(Mo)为0.12%、w(Cu)为0.159%的合金蠕墨铸铁在600 ℃高温下的抗拉强度仍能达到358 MPa。

耐热铸铁；合金元素；化学成分；显微组织；抗拉强度

热风炉是向炼铁高炉提供高温鼓风的重要工艺设备，由它供给高炉热风热量约占炼铁生产耗热的25%[1]。提高高炉热风炉风温是提高高炉生铁的产量和质量、降低成本的有效措施，对降低炼铁工序能耗具有重要的意义。而提高热风炉烟道废气温度以及增加蓄热室中、下部格子砖的蓄热量是提高高炉热风炉风温的重要措施之一，理论上，在拱顶温度保持不变的情况下，当烟道废气温度在200～400 ℃范围内时，每提高100 ℃烟道废气温度，约可提高高炉风温40 ℃[2]。但是限制热风炉烟道废气温度提高的因素是炉箅子和支柱材料在高温下的强度问题，解决这一问题则需要通过研制耐高温的铸铁制作炉箅子和支柱材料来实现。为此，本文通过调节铸铁的碳含量、配加适量的合金元素，以提高铸铁的抗拉强度，达到能在500 ℃以上长期工作的热风炉炉箅材料的使用要求。

1 试验

1.1 试样化学成分设计

向铸铁中加入不同含量的Cr、Ni、Mo、V和Cu等合金元素可以提高其耐热性能。根据参考文献[3]设计了耐热铸铁的目标成分如表1所示。

1.2 试样的制备

在25 kg中频感应炉中将铸铁(Z18)或工业纯铁熔化，分别按照表1中的方案配加合金元素熔炼成5个铁锭试样，其中，1#、3#、5#试样以工业纯铁为主要原料，用人造石墨调节C含量，石墨添加量为35～40 g/kg(工业纯铁)，2#和4#试样以铸铁(Z18)为主要原料。各试样的实际化学成分如表2所示。另外，5#试样在熔炼过程中进行了蠕化处理和孕育处理，所使用的蠕化剂为FeSiRE23，孕育剂为FeSi75，加入量分别为铁水质量的0.35%和0.5%～0.8%。

1.3 检测分析

沿铁锭横截面方向取样，并在光学显微镜(OM)下观察其显微组织。试样的抗拉强度在高温材料拉伸试验机上按《GB/T 4338—2006金属材料高温拉伸试验方法》测定，测定温度分别为400、500、600 ℃。

2 结果与讨论

2.1 试样的显微组织分析

5组试样的显微组织照片如图1～图5所示。

从图1(a)中可以看出，1#试样的石墨形态为点状和细片状的D型石墨，其外形弯曲、扭转、频繁分枝，没有明显的方向性。图1(b)中灰黑色区域为细片状石墨和细片状珠光体，白色板条状部分为初生渗碳体，白色骨骼状部分为莱氏体型共晶渗碳体，属于白口组织。这表明1#试样珠光体的量很少，主要是初生渗碳体和莱氏体型渗碳体。渗碳体过量会导致材料脆性大，强度也很低。

图1 1#试样显微组织(100×)

Fig.1 Optical microstructures of Sample 1#(100×)

图2 2#试样显微组织

Fig.2 Optical microstructures of Sample 2#

图3 3#试样显微组织(100×)

Fig.3 Optical microstructures of Sample 3#(100×)

从图2中可以看出，2#试样有粗大的初生石墨析出，另外还存在一些未熔的石墨杂质。这是因为铸铁(Z18)的碳含量过高，液相中碳来源充足，而石墨的形成基本不受其他固相的阻碍，粗大石墨和石墨杂质对基体连续性破坏很大，会降低材料的力学性能。

从图3(a)可以看出，3#试样的石墨形态是D型石墨。图3(b)中灰黑区域为石墨和珠光体，白色骨骼状区域为莱氏体型碳化物，表明3#号试样以珠光体为主，存在少量莱氏体型渗碳体。这是因为3#试样与1#试样相比较，增加了Ni、Mo、V元素的含量，使3#试样中珠光体增加。由于珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状均匀地分布在铁素体基体上，使珠光体有较高硬度和强度，其间分布着网状的渗碳体，也会增加铸铁的硬度，另外元素Mo与元素C有较强的亲和力，能生成硬质相Mo的碳化物，再者元素V也能与元素C生成硬度很高的难熔化合物。

从图4可以看出，4#号试样主要是D型石墨，与2#试样一样，由于铸铁(Z18)的碳含量过高，其间有粗大的初生石墨析出，且存在未熔石墨杂质。

5#试样为合金蠕墨铸铁，从图5(a)可以看出，5#试样与1#试样的石墨形态明显不同，5#号试样石墨大部分彼此孤立，两侧不平整，两端部较圆钝，是蠕虫状石墨，其间还分布有少量的团状石墨。图5(b)中灰黑色部分为石墨和珠光体，有部分石墨周围被铁素体包裹，还存在少量白色骨骼状的莱氏体型渗碳体，这表明石墨蠕化效果很成功。

2.2 试样的抗拉强度分析

不同温度下试样的抗拉强度如表3所示。2#试样在600 ℃装夹时就断裂了；3#试样因Ni、Mo和V含量较高，导致试样硬度太高，加工性能差，未能做出标准高温拉伸试样。

由表3可见，随着温度升高，每种试样抗拉强度明显下降。对比1#试样和2#试样，2#试样抗拉强度有所降低，是因为铸铁(Z18)本身碳含量过高，降低了试样的拉伸性能。拉伸实验过程中，2#试样在600 ℃装夹时断裂，也说明碳含量过高导致材料机械性能变差。

比较2#试样与4#试样，4#试样的抗拉强度略有提高。这是因为4#试样中增加了Ni、Mo元素的含量，从而促进珠光体形成，提高了材料的力学性能。另外，Mo在提高灰口铸铁高温强度、热疲劳抗力和抗高温蠕变能力在各种合金元素中是最有效的，在铸铁中添加合金元素Ni、Mo有利于提高其抗拉强度，但由于铸铁(Z18)碳含量过高，即使添加了合金元素，试样抗拉强度提升并不明显。但3#试样与4#试样相比，碳含量低且增加了钒含量，其基体以珠光体为主。从3#试样的石墨形态以及基体的形态可以分析得到其抗拉性能较好，另外灰铸铁的抗拉强度和硬度成正比[4]，也可以推断出3#试样抗拉性能比较好。

从表3中可看出，经过蠕化处理的5#试样抗拉强度显著提高，即使在600 ℃高温下试样的抗拉强度仍有358 MPa。

由此可见，碳含量对铸铁抗拉强度的影响显著，以工业纯铁为主要原料熔炼耐热铸铁较铸铁(Z18)更有优势；在碳含量适宜的情况下，添加适量合金元素Ni、Mo有利于提高铸铁的高温强度，经过蠕化处理后材料的抗拉强度显著提高。

3 结论

(1)添加合金元素会对铸铁的显微组织形成产生影响，从而改变了铸铁的力学性能。

(2)碳含量对铸铁抗拉强度的影响显著，碳含量越高，其抗拉强度越低。

(3)在碳含量适宜的情况下，添加适量合金元素Ni、Mo能提高铸铁高温强度。但当Ni、Mo、V含量偏高时，会导致铸铁硬度过高，切削加工性能变差。

(4)w(C)为3.72%、w(Si)为2.45%、w(Mn)为0.661%、w(Cr)为0.90%、w(Ni) 为0.66%、w(Mo)为0.12%、w(Cu)为0.159%的合金蠕墨铸铁在600 ℃高温下的抗拉强度仍能达到358 MPa。

[1] 贾冯睿,刘杨,冯耀强，等.高炉热风炉高风温技术[J].工业炉,2009,31(4):5-8.

[2] 张庆东,胡涛,刘新.安钢高炉高风温生产实践[J].河南冶金,2006,14(6):30-32.

[3] 郝石坚.现代铸铁学:第2版[M].北京：冶金工业出版社,2009.

[4] 冯正清.关于灰铸铁硬度和强度之间的关系的讨论及其应用[J].铸造,1985(6):34-35.

[责任编辑 张惠芳]

Effect of additive alloying elements on microstructure andtensile strength of heat-resistant cast iron

ZhuTingting1,LiuKe1,2,XueZhengliang1,ZouFeng1,XiongRui1

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081，China;2.Wuhan Research Institute of Metallurgical Construction, Wuhan 430081,China)

The microstructures of five kinds of ingots with different chemical compositions were observed by optical microscope and the tensile strength of each sample was measured at different temperatures. The effects of carbon and alloying elements on the tensile strength of the samples were investigated. The results show that the high temperature tensile strength of the samples can be improved by adding appropriate amounts of nickel and molybdenum when the carbon content is reasonable. Additionally, the tensile strength of vermicular graphite cast iron, which has the composition of 3.72%C, 2.45% Si, 0.661%Mn, 0.90%Cr, 0.66%Ni, 0.12%Mo and 0.159%Cu, can still maintain 358 MPa at 600 ℃.

heat-resistant cast iron；alloying element; chemical composition; microstructure; tensile strength

2014-11-03

武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室开放基金资助项目(2014QN21).

朱婷婷(1989-)，女，武汉科技大学硕士生.E-mail：1032251746@qq.com

薛正良(1962-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail：xuezhengliang@wust.edu.cn

TG143

A

1674-3644(2015)02-0081-04