付立铭１,陈善平２,３,张瑞娜２,３,安 淼４,索忠源１,单爱党１
(１．上海交通大学材料科学与工程学院,上海２００２４０;２．上海市环境工程设计科学研究院有限公司,上海２００２３２;
３．上海环境卫生工程设计院有限公司,上海２００２３２;４．上海环境集团有限公司,上海２００３３６)
摘 要:研究了碳含量(０．１３％,０．２５％,０．３２％,质量分数)对 Cr２５系高铬铸钢显微组织、高温抗氧化性能及高温耐磨性的影响.结果表明:不同碳含量铸钢的显微组织均由铁素体和(Cr??Fe)２３C６型碳化物组成,随着碳含量增加,碳化物由不连续长杆状转变成连续网状,且由完全沿晶析出逐步转成沿晶和晶内析出;在１２００ ℃高温氧化初期,试验钢快速氧化,氧化４０h后,因表面形成致密的铬氧化物保护层,氧化速率趋缓,进入稳定氧化阶段;随着碳含量增加,试验钢的高温抗氧化性降低,耐磨性增强,磨损机制由黏着磨损变为黏着及磨粒磨损共同作用机制.
关键词:高铬铸钢;显微组织;抗氧化性;高温磨损
０ 引 言
高铬铸钢具有高强度,良好的高温抗氧化性能、耐磨性能和耐蚀性能,被广泛应用于能源开发、动力机械、石油化工、冶金、水泥等工业领域[１－３].从２０世纪６０年代开始,为了节省镍和铬资源,降低成本,各国竞相开展了经济型高温耐热、抗氧化、耐蚀铸钢的研究.德国由于缺乏镍资源,对铁素体型高铬钢的研究应用较多.我国在２０世纪６０年代末开始研发并推广铁素体型高铬铸钢,该钢在高铬成分基础上添加了硅、铝、氮等合金 元 素,其 基 体 组 织 为 α-Fe.当在６５０~８５０ ℃条件下服役时,该钢具有良 好的抗氧化性能和耐磨性能.根据铬含量的不同, 铁素体型高铬铸钢为铬含量在２５％~３０％的 Cr２５ 系高铬铸钢[４－６]. 某垃圾处理厂的大型生活垃圾焚烧炉在炉排片 上使用了Cr２５系铸钢,该炉排片的工作温度与压力 达到了１０７０ ℃和２９４０Pa,且排片在压力作用下 相互接触并反复运动,若在此条件下Cr２５系铸钢的 抗氧化性及耐磨性不能得到保证,则会导致炉排片 的使用寿命缩短,需要经常更换,最终提高了实际生 产成本.相关研究表明,碳含量与铸钢的显微组织、 力学性能等具有较强的相关性[７].
因此,为了提高 Cr２５系铸钢的综合性能,作者 对该铸钢的碳含量进行了调整,研究了碳含量对其 显微组织、高温抗氧化性能和耐磨性能的影响. １ 试样制备与试验方法 试验材料为 Cr２５系高铬铸钢,碳含量(质量分 数,下 同)分 别 为 ０．１３％,０．２５％,０．３２％,铬 含 量 为 ２５．２％,其他合金元素(锰,硅,镍,铝)含量低于３．０％; 试验钢采用２５０kg中频感应炉熔炼,浇注成型. 利用线切割在试验钢上截取尺寸为１０ mm× １０mm×１０mm 的试样,经机械抛光及王水腐蚀处 理后,利用 PTI型光学显微镜观察显微组织.试样 经机械打磨后,用 D８型 X 射线衍射仪(XRD)分析 其物相组成. 在试验钢上线切割出尺寸为１０mm×１０mm× １０mm 的 试 样,经 机 械 抛 光,王 水 腐 蚀 后,利 用 HRCＧ１５０A 型洛 氏 硬 度 计 (顶 角 为 １２０°金 刚 石 压 头)测试基体硬度;同时利用 HVＧ１０００型维氏硬度 计(顶角为１３６°金刚石四棱锥体压头)将试样放大 到４００倍下分别测其基体硬度及碳化物硬度,以上 各种方法均分别测３次取平均值.
根据 GB/T２２９－２００７,在半自动JBＧ３００B型冲击试验机上进行室温冲击试验,采用无缺口试样,尺寸为１０mm×１０mm×５５mm;冲击能量为１５０J,摆锤预扬角为１５０°,冲击速度５．２m??s－１.
根据 GB/T１３３０３－１９９１中的增重法进行高温抗氧化性能试验[８－９],氧化温度为１２００ ℃,氧化时间１００h,间隔２０h,利用万分之一分析天平称取试样氧化前后的质量,计算单位面积氧化质量增加速率,记为vm .
采用多功能 MMXＧ３型摩擦磨损试验机进行磨损试验,试样尺寸为?４mm×１５mm,对磨副材料为GCr１５钢(硬度６２~６５HRC);磨损温度为２６０℃,载荷４２N,转速为２００r??min－１,磨损间隔时间由磨损初期的３０min逐步过渡到２０~３０h.利用万分之一分析天平称取磨损前后试样的质量变化,利用阿基米德法测得试样密度(７．９２g??cm－３),计算磨损体积损失.采用JSMＧ６４９０LV 型扫描电镜(SEM)观察试验钢氧化后的截面形貌以及表面磨损形貌.
２ 试验结果与讨论
２．１ 显微组织
由图１可知,３种试验钢的显微组织基本相同,均由铁素体和分布于晶界上的碳化物组成,铁素体晶粒粗大,尺寸为１５０~２５０μm;随着碳含量的增加,碳化物的含量增多,同时其形貌由不连续长杆状逐步转变为连续网状,其析出方式由完全沿晶析出逐步转变为沿晶＋晶内析出.由图２可知,３种试验钢均由αＧFe和(Cr??Fe)２３C６相即 KⅠ型碳化物相组成;随着碳含量的增加,KⅠ型碳化物含量逐步增多,与图１的显微组织完全对应.
２．２ 硬度与冲击韧性
由表１可以看出,随着碳含量的增加,试验钢的洛 氏硬度及维氏硬度也随之增大,碳化物硬度也有
２．３ 抗氧化性能
由图４可以看出,随着氧化时间的延长,试验钢的氧化质量增加速率vm 均先快速增大随后减小并趋于稳定;氧化时间小于４０h时,碳含量为０．１３％试验钢的vm 增大速率最小(即曲线斜率小),碳含量为０．３２％试验钢的最大;在氧化４０h后,３种试验钢的氧化增量均明显降低,氧化速率趋向平稳,进入稳定氧化阶段.通过对曲线分析可知,碳含量为０．１３％试验钢的抗氧化性能最好.
由图５可以看出,当碳含量为０．１３％时,试验钢表面的氧化膜较完整,氧化物颗粒排列致密,大小均匀,没有明显的疏松、堆垛,且开裂少;随着碳含量的增加,表面氧化膜发生一定程度的开裂与剥落[１０],当碳含量为０．３２％时,试验钢表面氧化膜的剥落、开裂程度较为严重.这主要是因为碳含量的增加使得碳向外析出量增多,析出的碳与氧结合形成大量的 CO、CO２ 等气体,从而加速试验钢整体的氧化过程.同时,贫碳富铁、铬处会形成大量的铬氧化物保护膜,基体金属与氧化物的体积比远大于１[１１],导致氧化膜内应力增大,当内应力超过其与基体的结合强度时,氧化膜发生开裂与剥落.根据 Wagner理论[１１],只有当金属与其形成的氧化物体积比大于１时,合金表面才能形成连续致密氧化膜.在氧化初期,由于铬元素向外扩散,合金表面迅速形成 Cr２O３ 氧化层.当碳含量相对较低时,由于脱碳难,形成 FeO 的量及速率较慢,外界氧向内扩散 相 对 较 慢,因 此 形 成 的 Cr２O３ 膜 相 对 致密,有效地阻止了氧原子和其他腐蚀性气体进一步扩散,从而降低了氧化后期的氧化速率,提高了试验钢的抗氧化性[１２].随着碳含量的增加,其在氧化过程中参与氧化的量增多,铁元素得到富集,促进了FeO 的快速形成(FeO 的形成温度为５７０ ℃,低于５７０ ℃时将转变为 Fe２O３ 和 Fe３O４).FeO 内部存 在大量的阳离子空位,这些阳离子空位成为 Fe２＋ 离子扩散的通道,氧得以快速进入,使试验钢的抗氧化性能变差.
２．３ 高温耐磨性能
由图６可知,随着碳含量的增加,高铬铸钢在２６０℃的耐磨性明显提高.磨损体积损失随磨损时间的延长先快速增大后趋缓.碳含量相对较高的试验钢具有较好的耐磨性,原因主要有两个,一是碳含量较高的试验钢,其硬度也较大,耐磨性较强[１３];二是碳含量较高的试验钢中形成了更多的碳化物,且碳化物部分在晶内析出,对于磨料的阻碍作用进一步增强[１４].
由 图７可以看出,碳含量为０．１３％试验钢的磨损形貌呈典型的黏着磨损特征,随着碳含量的增加,除了存在黏着磨损特征外,还出现了磨粒磨损特征.这是因为随着碳含量的增加,KⅠ 型碳化物数量增加,并在晶内大量析出,增强了基体硬度,起到减磨作用;此外,硬质碳化物的形成有助于磨削层的形成,有效减缓基体进一步的磨损破坏.
３ 结 论
(１)碳 含 量 分 别 为 ０．１３％,０．２５％,０．３２％ 的Cr２５系高铬铸钢的显微组织均由αＧFe和(Cr??Fe)２３C６
型碳化物组成;随着碳含量的增加,碳化物由不连续杆状分布变为连续网状分布,析出方式由沿晶析出逐步转变为沿晶和晶内共同析出.
(２)不同碳含量试验钢在１２００ ℃氧化初期,均处于快速氧化阶段,氧化４０h后,因试验钢表面形成致密的铬氧化物保护层,氧化速率趋向平稳,试验钢进入稳定氧化阶段;随着碳含量的增加,试验钢的抗氧化性能逐渐降低.
(３)随着碳含量的增加,试验钢在２６０ ℃下磨损时的耐磨性能逐渐增强,磨损机制由黏着磨损变为黏着及磨粒磨损共同作用机制.