復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵篦條組織的影響

朱雪珍，從善海，王黎明，羅 昊，胡 梅

（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢，430081）

篦條作為燒結(jié)機(jī)臺(tái)車上的主要易損件，其使用壽命直接影響到燒結(jié)機(jī)的作業(yè)效率和生產(chǎn)成本［1－2］。我國(guó)自20世紀(jì)80年代末相繼對(duì)耐熱球鐵篦條和高鉻鑄鐵篦條進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研制［3］，應(yīng)用結(jié)果表明，高鉻鑄鐵篦條具有良好的耐熱性和抗氧化性，但存在韌性差、易斷裂缺陷。原因是組織中存在著粗大、長(zhǎng)條狀共晶碳化物，這些呈網(wǎng)狀分布的碳化物破壞了基體的連續(xù)性。陰世河等［4］研究了Mg變質(zhì)劑對(duì)鉻26白口鐵性能的影響，發(fā)現(xiàn)Mg變質(zhì)劑可以細(xì)化組織，改善碳化物形態(tài)。Zhi等［5］研究了Nb對(duì)高鉻鑄鐵中共晶碳化物的影響，發(fā)現(xiàn)鈮的加入可使碳化物顆粒趨于細(xì)化，大小更加均勻。楊清等［6］研究發(fā)現(xiàn)釔基重稀土復(fù)合變質(zhì)劑具有較強(qiáng)改善高鉻耐磨白口鐵中碳化物形態(tài)及分布的作用。

本文研究 Ti－W－Mg、Ti－Zr－Nb、Ti－Zr－Y 基重稀土（以下簡(jiǎn)稱重Y）3種復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵篦條組織的影響，得出了3種復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵篦條組織的影響效果。

1 試驗(yàn)

3種復(fù)合變質(zhì)劑主要化學(xué)成分如表1所示。其中，W 粉、Zr粉粒度為200目，Ti－Fe、Nb－Fe粒度為150目，重Y粒度為2～3mm，Mg粒采用紫銅包裹。變質(zhì)對(duì)象為奧氏體型高鉻鑄鐵篦條，其化學(xué)成分（wB）為：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中頻感應(yīng)爐中熔煉。主要原料為廢鋼、不銹鋼塊料、高碳鉻鐵、錳鐵、硅鐵；熔煉溫度為1530～1560℃，熔清后加適量Si－Ca反復(fù)造白渣脫氧、扒渣，出鋼前加適量鋁絲深度脫氧，采用沖包法加入變質(zhì)劑（復(fù)合變質(zhì)劑的加入量為0.2%～0.3%）。即在放入了變質(zhì)劑的容量為20kg的小鋼包中沖入適量1460～1480℃的鐵水，移動(dòng)小鋼包澆鑄篦條，冷至800～700℃開(kāi)箱，空冷至室溫。

表1 復(fù)合變質(zhì)劑主要化學(xué)成分Table1 Chemical compositions of modificator

將變質(zhì)處理前后的篦條制備成金相試樣，用蔡司Axioplan2多功能金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行鑄態(tài)顯微組織觀察。將試樣在室溫下敲斷，用FEI公司NOVA400Nano SEM場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對(duì)試樣斷口進(jìn)行形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

圖1 篦條鑄態(tài)顯微組織Fig.1 Microstructures of as－cast grate bar treated by different modificators

篦條鑄態(tài)顯微組織如圖1所示。從圖1中可看出：未經(jīng)變質(zhì)處理的篦條鑄態(tài)顯微組織中，初生奧氏體呈樹(shù)枝狀分布，多為柱狀晶；共晶體充滿奧氏體枝晶間隙，其中共晶碳化物發(fā)達(dá)，呈長(zhǎng)條狀或大塊狀分布（見(jiàn)圖1（a））。經(jīng) Ti－W－Mg變質(zhì)處理的篦條鑄態(tài)顯微組織中，初生奧氏體呈近等軸晶分布，95%的共晶碳化物由原長(zhǎng)條狀、大塊狀向球狀、粒狀轉(zhuǎn)變，少量保持長(zhǎng)桿狀的共晶碳化物厚度變薄、長(zhǎng)度變短（見(jiàn)圖1（b））；經(jīng) Ti－Zr－Nb變質(zhì)處理的篦條鑄態(tài)顯微組織中，初生奧氏體枝晶部分破碎，約半數(shù)的共晶碳化物為長(zhǎng)桿狀（見(jiàn)圖1（c））；經(jīng) Ti－Zr－重 Y 變質(zhì)處理的篦條鑄態(tài)顯微組織中，小部分初生奧氏體仍保留原柱狀晶和枝晶形態(tài)，共晶碳化物大多被細(xì)化、鈍角化和孤立化，但顆粒尺寸較Mg復(fù)合變質(zhì)的共晶碳化物大（見(jiàn)圖1（d））?？傊?jīng)變質(zhì)處理后，初生奧氏體大部分呈近等軸晶分布，共晶碳化物明顯細(xì)散化、鈍角化、孤立化，并在不同程度上斷網(wǎng)。3種復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)初生奧氏體和共晶碳化物形貌的變質(zhì)效果為：Ti－W－Mg最佳，Ti－Zr－重 Y 次之，Ti－Zr－Nb最差。

高鉻鑄鐵篦條變質(zhì)處理是通過(guò)改變鑄態(tài)組織中共晶碳化物的形核和長(zhǎng)大條件，使其趨于圓整、細(xì)化，以達(dá)到提高篦條綜合力學(xué)性能的目的。其變質(zhì)機(jī)理［7］主要有：①加入 Ti、V、Nb、RE等元素，其在凝固時(shí)優(yōu)先生成高熔點(diǎn)的碳化物、硫化物和氮化物等，作為共晶碳化物的晶核使共晶組織細(xì)化；②加入微量RE、K、Na、Mg等元素，其在共晶碳化物表面強(qiáng)烈吸附并阻礙共晶碳化物生長(zhǎng)，從而使共晶碳化物孤立、細(xì)化；③加入Si、Al等元素，其在碳化物中溶解度近似為零，這些元素富集在共晶結(jié)晶前沿處阻礙碳化物生長(zhǎng)，使之孤立、細(xì)化。本研究中的變質(zhì)劑元素有Ti、W、Mg、Zr、Nb和重 Y。其中，Ti［8］、W、Zr和 Nb［9］均為強(qiáng)或中強(qiáng)碳（氮）化物形成元素，易與鑄鐵溶液中的C、N結(jié)合形成彌散分布的碳（氮）化物，因其熔點(diǎn)均高于2000℃，故能在凝固過(guò)程中起外來(lái)晶核的作用，從而細(xì)化初生奧氏體和共晶碳化物。Mg和重Y［10］性質(zhì)活潑，易與熔液中的S、P、O 等形成化合物。其中：大部分成為渣系被扒除，其結(jié)果凈化了鐵液，強(qiáng)化了晶界和材料性能；小部分成為異質(zhì)核心，起細(xì)化初晶奧氏體和共晶碳化物的作用；且 Mg［4］和重 Y［11－12］均為強(qiáng)成分過(guò)冷元素，其在奧氏體枝晶前沿的溶液中富集，所形成的成分過(guò)冷區(qū)有利于奧氏體枝晶向多晶發(fā)展，其枝晶相互搭接形成骼架，起阻礙與斷開(kāi)共晶碳化物之間網(wǎng)狀連接的作用；加之 Mg［4］和重 Y［12］易于在新生共晶碳化物表面吸附，使碳化物的擇優(yōu)長(zhǎng)大速度受阻，從而有助于共晶碳化物在細(xì)化和分散過(guò)程中趨于圓整、孤立。正是Mg和重Y的上述諸作用，使得 Ti－W－Mg和 Ti－Zr－重 Y 的變質(zhì)效果明顯優(yōu)于 Ti－Zr－Nb。

圖2 篦條斷口SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM morphologies of grate bar fracture treated by different modificators

篦條斷口SEM照片如圖2所示。由圖2中可看出，未經(jīng)變質(zhì)處理的篦條斷口呈大尺度河流花樣，晶粒粗大，解理面平坦，臺(tái)階紋理清晰，屬典型脆性斷裂（見(jiàn)圖2（a））。經(jīng)變質(zhì)處理的篦條斷口晶粒細(xì)化，有短而不連續(xù)的河流花樣，呈部分準(zhǔn)解理特征。其中，經(jīng)Ti－W－Mg變質(zhì)處理的篦條斷口有典型的撕裂棱（見(jiàn)圖2（b）中箭頭A處），且解理面最?。唤?jīng)Ti－Zr－Nb變質(zhì)處理的篦條斷口未見(jiàn)撕裂棱，且解理面較大（見(jiàn)圖2（c））；經(jīng) Ti－Zr－重 Y變質(zhì)處理的篦條斷口有非典型撕裂棱（見(jiàn)圖2（d）中箭頭B處）。從斷口形貌（尤其是撕裂棱）變化可以推知，經(jīng)變質(zhì)處理的篦條韌性有不同程度的增強(qiáng)，3種復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵篦條韌性增強(qiáng)效果為：Ti－W－Mg最佳，Ti－Zr－重 Y 次之，Ti－Zr－Nb最差。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)變質(zhì)處理后的篦條鑄態(tài)組織，其初生奧氏體樹(shù)枝晶弱化，向等軸晶發(fā)展；共晶碳化物被有效細(xì)化、圓整化、孤立化和彌散化；篦條韌性有不同程度的增強(qiáng)；3種復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)高鉻鑄鐵篦條組織的影響效果為：Ti－W－Mg最佳，Ti－Zr－重 Y 次之，Ti－Zr－Nb最差。

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