钼对高铬铸铁组织和热疲劳性能的影响

2022-04-16王若宇张海鸿王永强斯松华

安徽工业大学学报(自然科学版) 2022年2期

王若宇，陈政，许婷，张海鸿，王永强，斯松华

(安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山 243032)

烧结矿烧结时的工况环境比较恶劣，烧结机设备的状态及其对恶劣工况的应对能力也极大程度地影响烧结产品的质量。台车作为烧结机的主要构成部分，其使用寿命直接影响烧结机的密封效果、作业效率、产量以及生产成本。篦条作为烧结机台车中负载和传输的关键部件及易损件，其质量与性能优劣对烧结机设备和烧结矿质量有重要影响。烧结工作时篦条不仅要承受来自烧结矿和抽风负压作用的压力，还要遭受长时间反复温度升降带来的热疲劳作用，且与烧结矿相接触还会发生腐蚀、变形及磨损，导致篦条因在循环高温、机械冲击、应变及磨损等苛刻环境下工作易发生烧损、变形及断裂而引发失效[1-2]。这就要求烧结机篦条必须具有较稳定的组织结构、较好的强度与韧性、优异的抵抗高温热变形性能以及较高的耐高温热疲劳性能[3]。目前烧结机台车用篦条主要采用普通铸态高铬铸铁制造，因此改善铸态高铬铸铁的组织结构、提高其耐磨性及抗热疲劳性等对烧结设备维护、烧结生产组织和烧结产品质量有重要意义。

已有研究表明通过添加镍、钼、稀土等进行合金化可提高铸态高铬铸铁篦条的综合性能，然而目前对高铬铸铁合金化的研究主要集中在显微组织、铸造工艺及硬度与耐磨性等方面[4-6]；对抗热疲劳性能的研究主要集中在热作模具钢及硬质合金等材料方面[7-8]，对高铬铸铁的精细组织特别是抗热疲劳性能的研究甚少，也极少见钼含量对铸态高铬铸铁抗热疲劳性能的相关研究报道。因此，对比研究不同Mo 含量下铸态高铬铸铁篦条的组织结构与抗热疲劳性能具有较大的工程应用意义。

1 试验

1.1 试验材料

为国内某生产厂提供的3 种Mo 含量的高铬铸铁篦条试样(试样1、试样2 及试样3)，其合金元素主要化学成分如表1。经测定试样1，2 及3 的洛氏硬度分别为41.1，41.6，42.4 HRC。

表1 高铬铸铁合金元素的主要化学成分Tab.1 Main chemical composition of alloying elements of high chromium cast iron

1.2 试验方法

利用X 射线衍射仪(X ray diffractometer，XRD)、光学显微镜(optical microscopy，OM)、扫描电镜(scanning electron microscopy，SEM)以及透射电镜(transmission electron microscope，TEM)对3 种铸态高铬铸铁试样进行相结构分析及显微组织观察。在3 种铸态篦条试样的相同位置和方向进行线切割，将其加工成尺寸为30 mm×12 mm×2 mm 的试样用于冷热循环热疲劳试验，试样形状和尺寸如图1。

图1 热疲劳试样的形状及尺寸单位：mmFig.1 Shape and dimension of thermal fatigue sample unit:mm

试样表面经金相砂纸磨制并抛光呈无痕镜面，将其分别在600，900 ℃下加热保温5 min后，沿V形缺口方向竖直向下将其快速浸入水中冷却，1 min后洗净吹干重新进行上述过程，如此进行50次冷热循环后取出试样。试样经磨制和抛光后用金相显微镜测量缺口处裂纹形貌及长度，以试样2 个面主裂纹长度的平均值表征裂纹长度，取3组有效试样的裂纹长度平均值表征其热疲劳性能，并对其进行主裂纹附近的显微组织分析。

2 试验结果与分析

2.1 相结构及显微组织

图2 为3 种铸态高铬铸铁试样的X 射线衍射图谱。由图2 可看出：3 种试样的物相主要为α-Fe，γ-Fe 及(Cr，Fe)7C3；随钼含量的增加，奥氏体峰强度增强，说明组织中奥氏体相的含量增加。

图2 3种铸态高铬铸铁试样的XRD物相分析Fig.2 XRD phase analysis of three kinds of as-cast high chromium cast iron samples

图3 为3 种铸态高铬铸铁的显微组织(图3(a)～(c))及SEM 组织形貌(图3(d)～(f))。由图3可看出：铸态高铬铸铁以亚共晶方式结晶，由树枝晶和其间的的共晶组织组成；随Mo 含量的增加，奥氏体基体组织及共晶组织均有一定程度的细化。对试样3 进行高分辨显微组织形貌观察及其选区电子衍射斑点标定(A 区、B 区和C 区)，结果如图4。由图4 可看出：铸态高铬铸铁初生枝晶固溶体(A 区)为奥氏体组织(γ-Fe)，如图4(a)，(d)；片层状共晶组织中的固溶体组织(B 区)为马氏体组织(α-Fe)，如图4(b)，(e)；白色杆状组织(C区)为铬碳化物((Cr，Fe)7C3)，如图4(c)，(f)。

图3 3种高铬铸铁试样的显微组织Fig.3 Microstructure of three kinds of high chromium cast iron samples

图4 试样3的TEM组织形貌及选区电子衍射斑点标定Fig.4 TEM structure morphology and selected area electron diffraction spot calibration of the sample 3

上述研究表明：铸态高铬铸铁的显微组织主要由初生树枝晶组织及其间的共晶组织组成，较粗大的初生树枝晶固溶体为初生奥氏体组织，富集的碳、铬元素稳定地保存在铸态组织之中；共晶组织主要由长杆状的(Cr,Fe)7C3型碳化物和马氏体组成。碳化物的形成使片层状共晶组织中的原奥氏体组织中碳、铬元素含量降低，在随后的冷却过程中发生奥氏体枝晶组织向马氏体转变[9]。随钼含量的增加，奥氏体基体组织及共晶组织均有一定细化，碳化物形态也有一定改善，长粗杆状变细变短。分析认为：通过添加钼，一方面钼的固溶有助于提高熔体的过冷度；另一方面钼为强碳化物形成元素，部分钼与碳能形成细小的钼碳化物质点，阻碍晶粒生长，从而使初生树枝晶组织和共晶组织细化，同时使碳化物细化及短化[10]。

2.2 耐热疲劳性能

铸态高铬铸铁试样在600，900 ℃下经50 次冷热循环热疲劳试验后的主裂纹形貌及其长度分别如图5，6。

图5 两种温度下高铬铸铁热疲劳试样裂口处的主裂纹形貌Fig.5 Main crack morphology at the crack of thermal fatigue sample of high chromium cast iron at two temperatures

由图5 可见：与600 ℃热疲劳试样裂口处的主裂纹形貌(图5(a，b，c))相比，较高温度下(900 ℃)，热疲劳试样的主裂纹较长较粗，且有明显的二次裂纹，耐热疲劳性能较差(图5(e)～(g))；随着添加钼及其含量的增加，主裂纹变短、裂纹变细。由图6 可见：相对于不加钼的铸态高铬铸铁(试样1)，600，900 ℃下，试样2 的耐热疲劳性能分别提高11%和8%；试样3 的耐热疲劳性能分别提高25%和33%。表明Mo 的添加有助于减小高铬铸铁热疲劳主裂纹的长度，特别是能有效提高其在高温条件下的抗热疲劳性能。

图6 高铬铸铁试样的热疲劳主裂纹长度Fig.6 Thermal fatigue main crack length of the high chromium cast iron samples

高铬铸铁试样经50 次冷热循环试验后的裂纹形貌及显微组织如图7。由图7可看出：在600 ℃短暂加热保温后，由于没有发生相变，显微组织基本保持原来的亚共晶组织特征，试样主裂纹主要沿着初生固溶体之间的共晶组织方向扩展；900 ℃进行热疲劳试验时，由于在升温降温过程中会发生相变，显微组织仍具有亚共晶组织特征，但较高温度升降引起的热应力和由于相变引起的组织应力明显增大，裂纹宽度增加，出现明显的二次裂纹，且主裂纹穿越初生固溶体和沿着共晶组织方向扩展。随着钼的添加及其含量的增大，裂纹明显缩短、二次裂纹明显减少。

图7 高铬铸铁在50次热疲劳试验后的显微组织及裂纹形貌Fig.7 Microstructure and crack morphology of the high chromium cast iron after 50 thermal fatigue tests

热疲劳裂纹的扩展一般可分为裂纹萌生、亚临界扩展和断裂等3个阶段。在裂纹萌生阶段，裂纹会受到基体强度、碳化物分布、组织应力及热应力等的综合影响[11]，晶界上大块的共晶碳化物与基体的热胀系数和弹性模量差异较大，在冷热循环过程中由于热应力和组织应力引发的应力集中易成为微裂纹源及裂纹扩展的通道。低温热疲劳试验时，基体特别是奥氏体基体韧性良好，具有有效阻隔作用，裂纹扩展受到抑制，裂纹扩展动力被不断钝化，扩展速度减慢或终止。在900 ℃高温热疲劳试验时组织应力和热应力明显提高，当裂纹在碳化物与基体之间的界面以及碳化物与碳化物之间狭窄的基体扩展时，消耗的能量低于穿过基体时所需的能量，这为裂纹的加快形成和扩展提供了通道。另外，高温氧化也会助长裂纹的扩展[12]。高铬铸铁试样的显微组织主要由奥氏体、(Cr，Fe)7C3碳化物和马氏体组成，具有较多的晶界和相界。添加钼有利于细化初生奥氏体晶粒与共晶体及改变碳化物形态，一方面可通过细化及奥氏体含量的增加来提高基体组织的塑韧性，当裂纹穿过基体时，基体产生的塑性变形吸收变形功，消耗裂纹较多的能量，使裂纹扩展激活能提高，裂纹扩展速度降低；另一方面可提高显微组织的导热能力，高铬铸铁的热传导主要依靠基体来进行，当碳化物以细短杆状分布存在时，基体连续性增强，导热能力提高，冷热循环过程中的温度梯度与热应力变小，产生裂纹的倾向也变小[13]。钼还有助于提高铸铁的抗氧化能力，因此添加钼有助于提高高铬铸铁的抗热疲劳性能，且随着钼含量的提高，这种作用更趋明显。