燒結(jié)機(jī)蓖條耐熱性能研究

摘 要：在本課題中，針對燒結(jié)機(jī)篦條的工況設(shè)計(jì)了一套新的成分配比。以Cr16.5Al2.0為母合金的基礎(chǔ)上，提高了Nb和Ti等合金元素，并添加了稀土元素鈰以改善其性能。采用Cr、Si、Al等合金元素形成穩(wěn)定的多種氧化物保護(hù)層，提高合金的抗氧化性能。通過對抗氧化等試驗(yàn)證明，在添加上述元素后，高溫性能得到了很大提高。

關(guān)鍵詞：高鉻合金；篦條；高溫性能

引言

針對實(shí)際工況，設(shè)計(jì)一種含鈮和稀土鈰的耐熱合金，在考慮節(jié)約重要合金元素（Ni）情況之下，設(shè)計(jì)一系列Fe-Cr基耐熱合金以期獲得高溫下抗氧化和長期使用時(shí)其顯微組織和性能的穩(wěn)定性。課題研究內(nèi)容為抗高溫氧化性能。測定不同含量的合金在900℃，100小時(shí)以內(nèi)的氧化增重，并繪制抗氧化曲線。

1 高鉻鑄鐵篦條材質(zhì)設(shè)計(jì)及熔煉

1.1 試樣成分設(shè)計(jì)及熔煉

鑒于以往常規(guī)的篦條成分，特設(shè)計(jì)一種不同成分的合金，試樣采用WK-Ⅱ型非自耗真空電阻爐熔煉，與濟(jì)鋼篦條成分進(jìn)行對比。具體配比如下表所示：

表1 設(shè)計(jì)合金試樣與濟(jì)鋼篦條成分成分配比（wt%）

1.2 合金抗氧化性試驗(yàn)

1.2.1 抗氧化實(shí)驗(yàn)步驟

選用確定時(shí)間內(nèi)氧化增重和氧化層厚度作為判斷高鉻鑄鐵抗氧化性能好壞的依據(jù)。

本次試驗(yàn)選取設(shè)計(jì)試樣與濟(jì)鋼試樣進(jìn)行對比。試驗(yàn)所用儀器是功率為10KW的箱式電阻爐；感量0.1mg電子分析天平；精確度為0.01mm的千分卡尺；30ml石英坩堝和50ml石英坩堝若干?？寡趸囼?yàn)步驟如下：

（1）用千分卡尺測量試樣每個(gè)面的長和寬，并計(jì)算出其表面積；（2）清洗30ml石英坩堝，在試驗(yàn)前其放在900℃的爐中加熱若干小時(shí)，使加熱前后坩堝的重量不變?yōu)橹埂Ｓ秒娮臃治鎏炱椒Q量坩堝的重量，然后將試樣放在30ml的石英坩堝中，并稱量試樣與30ml石英坩堝的總重量；（3）將試樣放在30ml石英坩堝中一同放入50ml并蓋好，然后放入爐中進(jìn)行抗氧化性試驗(yàn)，測試溫度為900℃（試樣與爐壁之間相隔20mm距離，并且用隔熱的耐火纖維板封住爐門口，以確保爐內(nèi)溫度的均勻，氧化時(shí)間從溫度到達(dá)規(guī)定溫度（900℃算起）。

1.2.2 抗氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理分析

圖1a為濟(jì)鋼試樣在900℃氧化的氧化膜形貌，由圖可以看出該試樣氧化膜較厚，氧化膜與金屬基體之間的交界面比較致密，但氧化膜內(nèi)局部存在平行于表面的微裂紋，裂紋中間鑲嵌有許多氧化物小顆粒。

圖1b為設(shè)計(jì)試樣氧化膜形貌，很明顯，它的氧化膜厚薄均勻，與基體之間的交界面處有許多細(xì)小韌窩，因此裂紋沿此界面擴(kuò)展消耗能量比較大。

由氧化動(dòng)力學(xué)曲線（圖2）可以看出，試樣在初始的時(shí)間增重較快，而隨著氧化時(shí)間的逐漸延長，氧化增重逐漸平緩，兩種試樣的動(dòng)力學(xué)曲線均符合拋物線規(guī)律。這是因?yàn)?，在抗氧化試?yàn)初期，合金的氧化膜還未完全形成，隨著氧化時(shí)間的延長，合金中的Cr、Al、Si等元素所形成的多重氧化膜對合金基體提供了穩(wěn)固的保護(hù)，起到了鈍化作用，抑制了氧往基體中縱深氧化。因此，隨著抗氧化時(shí)間的延長增重速率逐漸減少。

表2 900℃、100h抗氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)可以看到，設(shè)計(jì)試樣和濟(jì)鋼試樣在前10h氧化增重速率相差不大，說明在這一階段兩種試樣抗氧化性基本相同。但隨著時(shí)間的延長，設(shè)計(jì)試樣的抗氧化性逐漸優(yōu)于濟(jì)鋼試樣，差距越來越大。直到接近80h兩種試樣的氧化動(dòng)力學(xué)曲線開始趨于平行，其抗氧化性能也趨于穩(wěn)定。

圖2 900℃試樣的氧化動(dòng)力學(xué)曲線

稀土的加入對設(shè)計(jì)試樣的抗氧化性也由較大的影響。其氧化機(jī)理可能是稀土元素Ce優(yōu)先氧化，改變了界面處的化學(xué)位，促使稀土向界面遷移。抑制鐵和鉻向晶界擴(kuò)散。另外稀土與合金中的Si也能產(chǎn)生協(xié)同作用，促進(jìn)完整的Cr2O3氧化層的形成，并明顯地改善氧化膜的粘附性，減少氧化膜起皺，從而提高高鉻合金的抗氧化性。

抗氧化試驗(yàn)的結(jié)果表明，新配制的合金成分鑄鋼有著優(yōu)異的抗氧化性能。但是在抗氧化試驗(yàn)中，由于試樣需在不同的氧化時(shí)間叢爐內(nèi)取出稱重，因此，一方面試樣頻繁接觸空氣，另一方面試樣每次取出及再次放入爐內(nèi)都將承受急冷急熱交變循環(huán)作用，兩個(gè)因素使得試樣氧化增重較長時(shí)連續(xù)性氧化要高。而在各個(gè)時(shí)間段，試樣的氧化速率也表現(xiàn)為不同的抗氧化性。

從總體上看，采用Cr、Si、Al等合金元素形成穩(wěn)定的多種氧化物保護(hù)層，同時(shí)稀土的加入也大大提高了合金的抗氧化性能。

2 結(jié)束語

總之，設(shè)計(jì)試樣（16.5%Cr、1.65%C、2.0%Al、1.0%Si、0.2%Nb、0.3%Ce）在抗氧化性能等方面都比濟(jì)鋼試樣和其它設(shè)計(jì)試樣的性能要好。