新型耐磨耐熱導(dǎo)板材料的制備與性能

王振廷，朱士奎，馮　帆，尹吉勇

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

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新型耐磨耐熱導(dǎo)板材料的制備與性能

王振廷，朱士奎，馮帆，尹吉勇

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

為了提高穿孔機導(dǎo)板的性能，在Cr35Ni5材料的基礎(chǔ)上重新設(shè)計合金成分，制備一種新型合金鑄鐵。利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀分析鑄鐵的顯微形貌、元素組成含量和物相組成，采用洛氏硬度計、沖擊實驗機、摩擦磨損實驗機和熱處理爐測試材料的硬度、韌性、耐磨性和抗氧化性。結(jié)果表明：所制合金鑄鐵的組織主要為Fe-Cr和(Fe,Cr)7C3兩相，具有較高的硬度和沖擊韌性，高溫抗氧化能力與耐磨性均好于Cr35Ni5，耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。該合金鑄鐵是一種良好的耐磨耐熱材料。

合金鑄鐵； 耐磨性； 高溫抗氧化性

無縫鋼管穿孔機的導(dǎo)板用于控制穿孔荒管外徑，其生產(chǎn)條件非常惡劣。穿孔時，溫度高達1 250 ℃的管坯在軋輥作用下高速旋轉(zhuǎn)進入導(dǎo)板，導(dǎo)板經(jīng)高壓摩擦后溫度迅速升高[1]，穿孔完成后，再經(jīng)冷卻水冷卻。因此，導(dǎo)板材料需要具有良好的耐磨性、高溫抗氧化性和耐激冷激熱性，同時具有較高的高溫硬度和高溫強度[2-6]。

長期以來，我國多采用Cr35Ni5材料制備穿孔機導(dǎo)板[7-9]。該材料硬度偏低，在高溫高壓及冷熱交替情況下，導(dǎo)板表面易發(fā)生磨損，并產(chǎn)生肉眼可見的凹坑和裂紋，最終導(dǎo)板因磨損嚴(yán)重而失效[10]。Cr35Ni5制備的導(dǎo)板壽命較短，且含有大量的貴重金屬，生產(chǎn)成本較高。因此，筆者在其基礎(chǔ)上降低Cr、Ni的含量，添加Si、V、Mo等元素，研制新型材料，以期在降低成本的同時改善材料性能。

1　材料與方法

原材料選用生鐵、廢鋼、鎳板、硅鐵、釩鐵、鉬鐵和鉻鐵等。使用中頻感應(yīng)爐熔煉原料，采用消失模鑄造法制備合金鑄件。設(shè)計的合金成分為：w(C)=2.20%,w(Cr)=30.00%,w(Ni)=4.00%,w(V)=0.25%,w(Si)=2.00%,w(Mo)=0.50%。

使用MX2600FE掃描電子顯微鏡觀察合金鑄鐵的顯微組織，并用其自帶能譜儀測量不同區(qū)域的元素組成和含量；采用XD-2型X射線衍射儀分析合金鑄鐵的相組成；采用洛氏硬度計和沖擊實驗機對合金鑄鐵的硬度及沖擊韌性進行測試；采用KJ1600高溫?zé)崽幚頎t對合金鑄鐵進行熱處理，測試其高溫抗氧化性能，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm；熱處理工藝為970 ℃保溫2 h，空冷淬火；高溫氧化加熱溫度700 ℃，每隔2 h取出一次，使用電子天平測量其重量，計算氧化增重，測試時間10 h；采用滑動摩擦磨損實驗機測試合金鑄鐵耐磨性，載荷400 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，時間2 h，對比材料為Cr35Ni5，以試樣的磨損失重來衡量材料耐磨性。

2　結(jié)果與分析

2.1顯微組織及能譜分析

圖1、2分別為鑄態(tài)和熱處理態(tài)合金鑄鐵的顯微組織形貌。由圖1可見，組織中分布著大量的顆粒狀、塊狀與桿狀物質(zhì)，顆粒尺寸幾微米到幾十微米不等，尺寸較小的顆粒在基體中分布比較均勻。對比圖1和2可知，熱處理后基體中顆粒的形態(tài)、大小分布變化不大。

圖1　鑄態(tài)耐熱鑄鐵的顯微組織形貌

圖2　熱處理態(tài)耐熱鑄鐵的顯微組織形貌

熱處理后合金鑄鐵的能譜圖見圖3。碳化物顆粒中除C元素外還含有大量的Fe和Cr元素，短棒狀碳化物中還含有少量的Mo元素，基體中主要含有Fe和Cr元素，少量的Ni、Si和C元素。

a　測試點分布

b　A點，塊狀顆粒

c　B點，短棒狀顆粒

d　C點，基體

2.2相組成

圖4為熱處理后合金鑄鐵的XRD衍射圖譜，由圖4可知，合金中主要含有Fe-Cr和(Fe,Cr)7C3兩相。結(jié)合圖1、2和3可知，組織中的碳化物為(Fe,Cr)7C3，部分碳化物中固溶了少量的Mo元素，尺寸變小，形態(tài)發(fā)生變化，基體為Fe-Cr。

圖4　合金鑄鐵的XRD衍射圖譜

2.3硬度及沖擊韌性

對合金鑄鐵的硬度及韌性進行測試，并與Cr35Ni5進行對比，結(jié)果如表1所示，其中試樣1、2、3為實驗制備的合金鑄鐵，試樣4為Cr35Ni5鑄鐵(下同)。由表1可知，實驗制備的合金鑄鐵，無論是鑄態(tài)還是熱處理態(tài)，硬度均高于Cr35Ni5鑄鐵；熱處理能夠提高鑄鐵的硬度和韌性，熱處理后的合金鑄鐵硬度最高可達7.0 GPa，沖擊韌性最高為8.8 J/cm2。實驗制備的合金鑄鐵沖擊韌性和Cr35Ni5相差不大，沒有明顯的提升。

表1合金鑄鐵的硬度和韌性值

Table 1Rockwell hardness and impact toughness of alloy cast iron

試樣硬度/GPaI/J·cm-2鑄態(tài)熱處理鑄態(tài)熱處理15.76.84.68.425.87.04.27.935.86.84.48.844.95.85.08.5

2.4高溫抗氧化性

圖5為合金鑄鐵與Cr35Ni5的氧化增重曲線，鑄鐵為熱處理態(tài)。由圖5可知，兩種材料的氧化增重曲線均為拋物線。在氧化前期，材料表面與空氣直接接觸，增重速度較快，隨著氧化進行，材料表面生成一層氧化層，減少了表面與空氣的接觸，減緩氧化速度，當(dāng)氧化時間超過6 h后，氧化增重的速率明顯降低。通過對比發(fā)現(xiàn)，合金鑄鐵的氧化增重要少于Cr35Ni5，即其高溫抗氧化性優(yōu)于Cr35Ni5。

圖5　氧化增重曲線

2.5耐磨性

圖6為合金鑄鐵的相對耐磨性，試樣1、2、3為熱處理態(tài)。以Cr35Ni5為基準(zhǔn)，相對耐磨性定為1。

由圖6可知，合金鑄鐵耐磨性較高。由于組織中的碳化物細(xì)小且分布均勻，除直接抵御摩擦副磨損外，彌散分布的碳化物還能夠?qū)w產(chǎn)生彌散強化，因此，實驗制備的新型合金鑄鐵具有優(yōu)異的耐磨性，在相同實驗條件下，其耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。

圖6　合金鑄鐵的相對耐磨性

3　結(jié)　論

(1)實驗制備的新型合金鑄鐵組織主要包含F(xiàn)e-Cr和(Fe,Cr)7C3兩相，細(xì)小的碳化物在組織中均勻分布。

(2)新型合金鑄鐵具有優(yōu)異的高溫抗氧化性和耐磨性，其耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。

(3)無論是否經(jīng)過熱處理，新型合金鑄鐵硬度均高于Cr35Ni5，沖擊韌性與之相當(dāng)。

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(編輯王冬)

Study on new-type wear-resisting and heat-resisting materials for guide

WANG Zhenting，ZHU Shikui，F(xiàn)ENG Fan，YIN Jiyong

(School of Materials Science &Engineering，Heilongjiang University of Science &Technology，Harbin 150022，China)

This paper is directed specifically at improving the properties of guide shoes.This improvement is performed by redesigning the components of an alloy based on the Cr35Ni5 and preparing a new type of alloy cast iron.The validation is done by observing the microstructure of the alloy cast iron using scan electron microscopy and X-ray diffract meter;measuring the composition and content of elements and examining the phase of the alloy cast iron;and testing the hardness,impact toughness,and wear resistance of alloy cast iron by using hardness tester,impact tester,and friction and wear tester;and testing the oxidation resistance of alloy cast iron by using heat treatment furnace.The result shows that the alloy cast iron consisting mainly of Fe-Cr and (Fe,Cr)7C3,boasts a higher hardness and impact toughness;better high temperature oxidation resistance and wear resistance than Cr35Ni5;and the wear resistance about 1.8 times higher than Cr35Ni5.

alloy cast iron； wear resistance； high temperature oxidation resistance

2016-04-19

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(GC13A113)

王振廷(1965-)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向：表面工程與耐磨材料，E-mail:wangzt2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.011

TG143;TG115.58

2095-7262(2016)03-0289-03

A