铬含量对高铬铸铁力学性能的影响研究①
2018-06-28
(佳木斯市特种设备检验研究所，黑龙江 佳木斯 154002)
0 引 言
白口铸铁在高温条件下易氧化，氧化后将减少铸件的有效断面积、大幅度降低铸件的承载能力及力学性能。高铬耐热铸铁含铬量为15%～18%及25%～36%[1]。该铸铁基体单一，具有非常稳定的碳化物，在高温下不发生相变。铬的氧化物是铸件表面的钝化膜的主要成分[2]。铬含量与铸件的抗氧化性和耐热生长能力呈正向关系，铸件的高温强度随着铬含量的增加而增加[3]。高温耐热铸铁制备的零件在较高温度(900℃)下可以长期服役，在温度达到1000℃时可以进行短时工作[4]。与其它耐热铸件进行比较，高铬耐热铸件铸造性能和耐磨性能良好，可以进行薄壁件的浇注[5，6]。铸件的性能与合金元素的种类和含量影响较大，工业生产中，一般通过改变高铬耐热铸铁中的合金元素含量来提高材料的耐热性能[7,8]。因此，合金元素的种类和含量对于提高高铬耐热铸铁的综合力学性能和耐热性意义重大。综上所述，提高铸铁的耐热性能有以下两种途径，一种是对铸件中铬元素的控制，另一种是选取不同的热处理工艺，对制备后的试样进行耐热性能及综合力学性能的检测，探索材料组织和性能的影响因素。
1 实验材料与方法
表1 实验材料
本实验中合金熔炼选用10KG中频感应电炉，造渣和最终脱氧使用纯铝。熔炼温度为1480-1540℃，浇注温度为1380-1420℃，浇包镇静时间为10s;浇注时间5-7s，浇注系统为开放式，浇注后保持30分钟，然后开箱。冲击试样符合国标尺寸，为10×10×55mm。在ZBC-300Q全自动金属摆锤冲击试验机进行冲击韧性值的检测；观察金相组织；检测洛氏硬度；测定氧化增生；进行正火处理，正火温度为1080℃，保温时间为2 h，出炉空冷。
2 实验结果与分析
2.1 冲击韧性结果和讨论
表2为试样在铸态下和热处理后的冲击韧性。
表2 铸态和热处理后的冲击韧性(单位：J/CM2)
由表2可知：
(1)铸态下，冲击韧性随着含铬量的增加，铬含量为36%时，冲击韧性达到最高；
(2)热处理后，试样的冲击韧性也是随着含铬量的增加呈现先增加后减少的趋势，含铬量为33%时，冲击韧性最大；
(3)试样热处理状态下的冲击韧性比铸态有所提高，提高幅度不大。
分析试样在铸态和热处理状态下冲击韧性的规律，主要是因为对材料进行热处理后，奥氏体中碳的活度由于铬元素溶入而降低，从而碳化物析出数量受限，所以冲击韧性提高幅度不大。
2.2 硬度数据结果及讨论
表3 试样硬度(HRC)
从表3可以看出：
(1)试样的硬度值随着铬含量的增加而增加；
(2)试样经过热处理后硬度增加。
2.3 金相观察
采用奥林巴斯金相显微镜对铸态和热处理后的含铬量不同的试样进行金相观察，如图1～4所示。
a.铸态100倍 b.铸态1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍
a.铸态100倍 b.铸态1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍
a.铸态100倍 b.铸态1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍
a.铸态100倍 b.铸态1000倍 c.正火100倍 d.正火1000倍
表4 氧化增重实验数据
从上图可见，初生碳化物(Fe，Cr)7C3在铸态时为六方棱柱体，断面呈现为六方形，白色并且中心有孔洞。共晶(Fe，Cr)7C3以集束状态存在的白色板条状，在基体中非连续分布。基体中马氏体组织为主，伴有少量的残余奥氏体和珠光体。
碳化物的数量、初生的六棱柱形碳化物和马氏体随着合金中铬含量的增加而增加，碳化物越来越细化，共晶碳化物的分布更加均匀，珠光体随着铬含量的增加而减少(如图1～4所示)。
2.4 氧化增重试验结果及讨论
将试样进行氧化增重实验，结果如表4所示。
从上表中可见：
(1)铸态时，试样抗氧化性能良好；
(2)热处理后，进一步提高了材料的抗氧化性能。
试样的氧化增重比铸态下的有所减少，表明试样的抗氧化性有所提高。
3 结 论
通过成分的确定、原料的选择、熔炼、热处理以及对试样进行的硬度、冲击韧性、氧化增重的测定和试样金相的观察，可以得出以下结论：
(1) 高碳高铬耐热铸铁硬度高，冲击韧性小，耐热性好；
(2) 随着铬含量的增加，试样的硬度、冲击韧性都有所提升，提高幅度在5%左右；
(3) 铸态和热处理下试样的力学性能和抗氧化性能相差不大，在生产不必要进行热处理。
(4) 高铬铸铁具有抗氧化性是由于铬元素能够形成连续完整的氧化膜，同时又有低的电导率，铬对氧的亲和力大于铁，并且铬的氧化物与铁的氧化物互不溶解。
参考文献:
[1] 郝石坚．现代铸铁学．第1版．北京：冶金工业出版社，2004.
[2] 周继扬．铸铁彩色金相学．第1版．北京：机械工业出版社，2002.
[3] 陆文华，李隆盛，黄良余．铸造合金及其熔炼．北京：机械工业出版社，2002， 8.
[4] 陆友琪，邹立智，赵洪志．铁合金及合金添加剂手册．北京：冶金工业出版社，1990， 12.
[5] 舒震．耐热铸铁．第1版．湖南：湖南大学出版社，1988.
[6] 秦紫瑞，孙连春，李隆盛．新型高铬铸铁的研制．机车车辆工艺，1996， 6: 5-10.
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[8] XU Tao, WANGJiu-liang, Microstructure and Property of High Carbonic-Chromium Cast Steel with Different Hot Deformation Ratioe, 1998, 401: 220-226.
