高鉻鑄鐵具有良好的高溫抗磨性、足夠的強(qiáng)韌性和一定的機(jī)械加工性,而且成本較低,熔制較易。導(dǎo)板是TZC200錐形穿孔機(jī)的關(guān)鍵易損零件,在軋制不銹鋼管過(guò)程中具有導(dǎo)入坯料和護(hù)衛(wèi)作用,其工作面接觸溫度為1100e1200e,同時(shí)承受熾熱鋼坯的沖擊、摩擦和擠壓以及冷卻水周期性激冷,并且需要進(jìn)行機(jī)械加工。據(jù)調(diào)查,國(guó)內(nèi)同類引進(jìn)設(shè)備的導(dǎo)板所采用的材質(zhì)多為高鎳鉻鋼,價(jià)格昂貴,但使用效果并不理想。高鉻鑄鐵與高鎳鉻鋼相比,具有成本較低,熔制較易等優(yōu)點(diǎn),多數(shù)用于要求熱穩(wěn)定性而對(duì)熱強(qiáng)性要求較低的服役條件。根據(jù)導(dǎo)板苛刻的工況,我們決定采用含有少量鎳的高鉻鑄鐵作其材質(zhì),因此進(jìn)行了耐高溫、抗磨并可切削加工的高鉻鑄鐵導(dǎo)板的研制工作。
材質(zhì)選用與化學(xué)成分設(shè)計(jì),材質(zhì)選用高鉻耐熱鑄鐵的化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐熱溫度,可見(jiàn),RTCr-34的耐熱溫度和綜合力學(xué)性能較好,但其高溫度強(qiáng)度和抗熱沖擊能力必須提高,方可在導(dǎo)板工況下使用。
化學(xué)成分設(shè)計(jì)碳和鉻:由Fe-C-Cr三元系液相面投影圖可知,當(dāng)碳、鉻含量在RTCr-34的范圍內(nèi)時(shí),凝固過(guò)程中將不經(jīng)過(guò)共析轉(zhuǎn)變而直接析出A鐵素體,因而反復(fù)的加熱冷卻過(guò)程中沒(méi)有相變發(fā)生,產(chǎn)生變形及龜裂的危險(xiǎn)性很小,同時(shí)由于在A鐵素體中固溶了大量的鉻,故具有優(yōu)良的抗氧化抗生長(zhǎng)性能。高鉻鑄鐵的耐磨性是Cr和C共同作用的結(jié)果,在Cr含量一定時(shí),隨C含量增加,碳化物數(shù)量增加,合金的硬度增高,而韌性降低;當(dāng)C含量一定時(shí),隨Cr含量增加,共晶碳化物的類型由C逐步轉(zhuǎn)6.可見(jiàn)通過(guò)調(diào)整Cr/C比值,可以控制合金的硬度和韌性以及機(jī)械加工性能。
為避免組織中出現(xiàn)長(zhǎng)條狀和大塊狀的初生碳化物,惡化合金的力學(xué)性能,碳當(dāng)量應(yīng)為亞共晶成分,即S<1.由于導(dǎo)板需要機(jī)械加工,故應(yīng)適當(dāng)減少碳化物數(shù)量,盡量將含碳量調(diào)整在下限。但是Si量增加,使鐵素體基體中的C含量減少,會(huì)導(dǎo)致共晶碳化物增多,并形成硬而脆的Cr化合金的力學(xué)性能,尤其是韌性。因此在Cr量足夠的情況下,Si量應(yīng)盡量降低。但在實(shí)際生產(chǎn)中很難將硅控制在很低的范圍。
錳和鎳:錳屬于擴(kuò)大C區(qū)的元素,能使C成為室溫穩(wěn)定組織,不利于形成鐵素體基體。但是錳有中和硫的作用。鎳也屬于擴(kuò)大C區(qū)的元素,具有在鑄態(tài)下形成C穩(wěn)定組織的作用,故一般在高鉻鑄鐵中不加入鎳。但是,Ni具有固溶強(qiáng)化作用,能夠提高高溫強(qiáng)度和硬度,并可抑制R脆性相形成,從而改善綜合力學(xué)性能,尤其是韌性。
其它元素:鈦是強(qiáng)列形成碳化物的元素,能與氧、氮形成穩(wěn)定的化合物,通常以細(xì)小的顆粒狀態(tài)存在于鑄鐵中,可以作為凝固時(shí)的晶核,有效地細(xì)化組織,提高力學(xué)性能和耐磨性。稀土可以改善碳化物和夾雜物的形態(tài)與分布,凈化鐵水,提高其流動(dòng)性。鋁細(xì)化晶粒,提高抗氧化性,有利于碳化物的塊狀化及球化,故能提高耐磨性。磷和硫作為有害元素應(yīng)該盡量降低其含量。
綜上所述,導(dǎo)板用高鉻鑄鐵的化學(xué)成分應(yīng)控制在如下范圍:試樣制備及試驗(yàn)方法參照耐熱鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置壁厚為30mm的Y形試塊,在同一試塊底部位置切取抗拉試樣一根和沖擊試樣兩塊(并排)。抗拉試驗(yàn)按照金屬拉力試驗(yàn)方法,試樣為<14mm;高溫抗拉試驗(yàn)按照金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法,試樣為<10mm;沖擊試驗(yàn)按照金屬常溫沖擊韌性試驗(yàn)方法,采用55mm@10mm@10mm無(wú)缺口試樣;硬度值在沖擊試樣上測(cè)定,按照金屬布氏硬度試驗(yàn)方法;化學(xué)分析及取樣按照鋼鐵及合金化學(xué)分析方法之規(guī)定進(jìn)行。
熔煉工藝工藝試驗(yàn)與試制用鐵水分別在150kg中頻和1.5t工頻電爐中熔煉。爐料為Q12生鐵、廢鋼,碳素及低碳鉻鐵、鎳板,混合稀土合金,碳素錳鐵,鈦鐵和純鋁塊。熔煉溫度為1460e1500e,在熔煉后期均采用錳鐵和鋁片脫氧;澆注溫度為1390e2.3熱處理工藝C垂直截面相圖可知,在上述設(shè)計(jì)的C、Cr范圍內(nèi),合金的平衡組織應(yīng)以A+C型初生或共晶碳化物為主,但在625e左右還可能出現(xiàn)R硬脆相,使合金的力學(xué)性能特別是沖擊韌性大為降低。為了消除R相,除了添加阻止R形成元素如鎳以外,還應(yīng)采取固溶化熱處理方法.因此對(duì)比試驗(yàn)了二種熱處理工藝:1050e固溶處理(空冷)+550e回火處鑄造設(shè)備研究火空冷+550e回火。為了避免475e緩冷脆性,上述工藝均采用高溫回火以消除應(yīng)力。
鑄造工藝導(dǎo)板鑄鐵共三種,各二件。按照機(jī)械加工工藝要求采用兩件合鑄。最大鑄鐵導(dǎo)板3的輪廓尺寸為cm,鑄造工藝。其特點(diǎn):頂部設(shè)置冒口并輔以外冷鐵,形成自下而上的順序凝固;采用底注半封閉式澆注系統(tǒng),保證平穩(wěn)無(wú)夾雜澆注;砂芯潰散性較好并嚴(yán)格控制冷卻時(shí)間,避免熱裂缺陷;采用石墨和鋯英粉雙層涂料,以防止粘砂。
高鉻鑄鐵不銹鋼管軋機(jī)導(dǎo)板的研制編號(hào)熱處理狀態(tài)室溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能(900e)數(shù)值分析鑄態(tài)注:ò為上述二種熱處理工藝規(guī)范:沖擊韌度為兩個(gè)試樣的平均值;用Cr/Ni近似代替Cr當(dāng)量比。化學(xué)成分對(duì)組織、性能及機(jī)械加工性的影響第一爐C、Cr含量較高。按式1-式3計(jì)算得知,碳當(dāng)量為過(guò)共晶成分,碳化物數(shù)量較多。其鑄態(tài)組織為初生碳化物(C)+共晶萊氏大部分呈孤立分布的條塊狀,顯微硬度為HV935;共晶Le呈黑白相間的塊狀,HV510;共晶A鐵素基體呈灰色,HV320.由于合金的脆性較大,機(jī)加工性能較差,尖角成形困難,刀具磨損嚴(yán)重。
第二爐為略亞共晶成分,碳化物數(shù)量中等。其鑄態(tài)組織為初生A+共晶Le.初生A的硬度降低到HV280;菊花狀共晶Le共晶團(tuán)細(xì)小,硬度提高到HV620,與加入Ti和Re有關(guān)。與第一爐比較,R有較大幅度的提高,A也有所改善。因此加工性能較好,再未發(fā)生/嘣角0現(xiàn)象,刀具磨損程度減輕。第三爐C、Cr含量較低,而Si量較高,為亞共晶成分,碳化物數(shù)量較少。如圖3(c)所示,其鑄態(tài)組織為A+少量奧氏體(C)+共晶Le,A和共晶Le的硬度分別為HV300與HV710.由于共晶底較小,故組織中A數(shù)量較多并呈塊狀分布,而共晶碳化物較硬,因此抗接強(qiáng)度、韌性和硬度較低。
鑄造設(shè)備研究可知,略亞共晶成分合金的綜合性能明顯優(yōu)于亞共晶和過(guò)共晶成分合金的綜合性能。由于Re和Al,該類合金的A基本顯微硬度很高,室溫抗拉強(qiáng)度和硬度以及高溫強(qiáng)度都顯著高于高鉻耐熱鑄鐵。但是在亞共晶成分時(shí),鑄態(tài)即已出現(xiàn)少量C組織,經(jīng)過(guò)熱處理后轉(zhuǎn)變成多相組織,不再是A單一基體。這是因?yàn)楦鶕?jù)A/C穩(wěn)定化參數(shù),Cr在高溫區(qū)是穩(wěn)定A的元素,而在低溫區(qū)則變成了穩(wěn)定C的元素。故加入擴(kuò)大C區(qū)的Ni和縮小C區(qū)的Cr都可使Ms點(diǎn)降低,對(duì)C起強(qiáng)烈的穩(wěn)定化作用。綜合考慮,該事金的Sc、Cr/C和Cr/Ni應(yīng)而且在股役過(guò)程中需進(jìn)一步優(yōu)化成分,以提高使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。
熱處理對(duì)組織、性能及機(jī)械加工性的影響試驗(yàn)證明,C型碳化物在加熱到很高的溫度時(shí)也不發(fā)生分解,A鐵素體為高溫組織,冷卻過(guò)程中不發(fā)生相變。故經(jīng)過(guò)上述熱處理后,金相組織與鑄態(tài)相比無(wú)明顯變化.而熱處理狀態(tài)的力學(xué)性能比鑄態(tài)出現(xiàn)明顯變化:第一爐R提高、A降低,HB降低;第二爐R和HB降低,R提高;第三爐R和HB提高,A降低。
比較而言,熱處理后鑄件A提高、HB降低對(duì)切削加工有利,第二種熱處理工藝的性能優(yōu)于第一種熱處理。第三爐在熱處理后,A鐵素體基體中的C發(fā)生了相變,成為由B、M和殘余C等組成的混合組織,故硬度由HV300提高到HV46HV600.由此可見(jiàn),這類高鉻鑄鐵的熱處理組織轉(zhuǎn)變相當(dāng)復(fù)雜,當(dāng)化學(xué)成分改變時(shí),與之相適應(yīng)的熱處理工藝也須調(diào)整。
以上加入Ni的高鉻鑄鐵,其C區(qū)擴(kuò)大,僅根據(jù)Fe-C-Cr三元系水平截面相圖即可看出,在1三相區(qū),在850e保溫的平衡組織也接近該三相區(qū),因此存在C相的可能性很大。試驗(yàn)證明,即使在800e保溫,C也依然存在。
因此,Ni含量和Cr/Ni的選擇很關(guān)鍵。顯然出現(xiàn)上述多相組織對(duì)耐熱性能及機(jī)械加工是不利的。但是,由于導(dǎo)板鑄件在股役時(shí),僅是表面與高溫鋼坯接觸且時(shí)間僅約14s,以上不穩(wěn)定組織來(lái)不及轉(zhuǎn)變。
而且其基體仍以A為主,所以對(duì)使用性能的影響不大。經(jīng)過(guò)1050e固溶處理R相固溶在A中,在高溫下進(jìn)行空冷,使其來(lái)不及析出;在550e回火,避免了再度產(chǎn)生R相和475e緩冷脆性。固溶處理后緩冷800e850e退火空冷,可以進(jìn)一步改善綜合性能。實(shí)踐證明,上述處理工藝可以提高高鉻耐熱鑄鐵的強(qiáng)韌性和切削加工性,但是退火溫度須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定,為進(jìn)一步降低硬度,可在更高一些溫度回火處理。
結(jié)論0.4%Ti的高鉻鑄鐵,經(jīng)過(guò)加入Re元素變質(zhì)處理后,具有良好的高溫抗磨性、足夠的強(qiáng)韌性及一定的切削加工性:R;機(jī)械加工后的尺寸精度和光潔度均能滿足設(shè)計(jì)要求。因而可以作為不銹鋼管軋機(jī)的導(dǎo)板材質(zhì),在1100e1200e溫度并有一定抗磨性及熱沖擊要求的工況下使用。該高鉻鑄鐵的化學(xué)成分應(yīng)控制在S=0.9%1.0%.Cr/=7.59.0,其組織最好是單相鐵素體基體+M型碳化物。但是鑄態(tài)很難達(dá)到上述平衡組織,而在A為主的基體中存在少量的B、M和殘余C混合組織,對(duì)導(dǎo)板使用性能的影響不大。
2)該高鉻鑄鐵一般應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理后進(jìn)行機(jī)械加工和使用。采用1050e固溶(爐冷)+800e850e退火空冷+550e回火的熱處理工藝,可以消除R硬脆相和鑄造應(yīng)力,改善合金的韌性及切削加工性能。由于該合金的鑄造性能和導(dǎo)熱性較差,易產(chǎn)生熱裂等缺陷,鑄造時(shí)必須采取有效的工藝措施。鑒于其切削加工性較差,為降低成本,成批生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量選擇實(shí)型鑄造等少、無(wú)切削精鑄工藝。