新型耐磨耐热导板材料的制备与性能

王振廷，朱士奎，冯　帆，尹吉勇

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150022)



新型耐磨耐热导板材料的制备与性能

王振廷，朱士奎，冯帆，尹吉勇

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150022)

为了提高穿孔机导板的性能，在Cr35Ni5材料的基础上重新设计合金成分，制备一种新型合金铸铁。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析铸铁的显微形貌、元素组成含量和物相组成，采用洛氏硬度计、冲击实验机、摩擦磨损实验机和热处理炉测试材料的硬度、韧性、耐磨性和抗氧化性。结果表明：所制合金铸铁的组织主要为Fe-Cr和(Fe,Cr)7C3两相，具有较高的硬度和冲击韧性，高温抗氧化能力与耐磨性均好于Cr35Ni5，耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。该合金铸铁是一种良好的耐磨耐热材料。

合金铸铁； 耐磨性； 高温抗氧化性

无缝钢管穿孔机的导板用于控制穿孔荒管外径，其生产条件非常恶劣。穿孔时，温度高达1 250 ℃的管坯在轧辊作用下高速旋转进入导板，导板经高压摩擦后温度迅速升高[1]，穿孔完成后，再经冷却水冷却。因此，导板材料需要具有良好的耐磨性、高温抗氧化性和耐激冷激热性，同时具有较高的高温硬度和高温强度[2-6]。

长期以来，我国多采用Cr35Ni5材料制备穿孔机导板[7-9]。该材料硬度偏低，在高温高压及冷热交替情况下，导板表面易发生磨损，并产生肉眼可见的凹坑和裂纹，最终导板因磨损严重而失效[10]。Cr35Ni5制备的导板寿命较短，且含有大量的贵重金属，生产成本较高。因此，笔者在其基础上降低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时改善材料性能。

1　材料与方法

原材料选用生铁、废钢、镍板、硅铁、钒铁、钼铁和铬铁等。使用中频感应炉熔炼原料，采用消失模铸造法制备合金铸件。设计的合金成分为：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扫描电子显微镜观察合金铸铁的显微组织，并用其自带能谱仪测量不同区域的元素组成和含量；采用XD-2型X射线衍射仪分析合金铸铁的相组成；采用洛氏硬度计和冲击实验机对合金铸铁的硬度及冲击韧性进行测试；采用KJ1600高温热处理炉对合金铸铁进行热处理，测试其高温抗氧化性能，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm；热处理工艺为970 ℃保温2 h，空冷淬火；高温氧化加热温度700 ℃，每隔2 h取出一次，使用电子天平测量其重量，计算氧化增重，测试时间10 h；采用滑动摩擦磨损实验机测试合金铸铁耐磨性，载荷400 N，转速200 r/min，时间2 h，对比材料为Cr35Ni5，以试样的磨损失重来衡量材料耐磨性。

2　结果与分析

2.1显微组织及能谱分析

图1、2分别为铸态和热处理态合金铸铁的显微组织形貌。由图1可见，组织中分布着大量的颗粒状、块状与杆状物质，颗粒尺寸几微米到几十微米不等，尺寸较小的颗粒在基体中分布比较均匀。对比图1和2可知，热处理后基体中颗粒的形态、大小分布变化不大。

图1　铸态耐热铸铁的显微组织形貌

图2　热处理态耐热铸铁的显微组织形貌

热处理后合金铸铁的能谱图见图3。碳化物颗粒中除C元素外还含有大量的Fe和Cr元素，短棒状碳化物中还含有少量的Mo元素，基体中主要含有Fe和Cr元素，少量的Ni、Si和C元素。

a　测试点分布

b　A点，块状颗粒

c　B点，短棒状颗粒

d　C点，基体

2.2相组成

图4为热处理后合金铸铁的XRD衍射图谱，由图4可知，合金中主要含有Fe-Cr和(Fe,Cr)7C3两相。结合图1、2和3可知，组织中的碳化物为(Fe,Cr)7C3，部分碳化物中固溶了少量的Mo元素，尺寸变小，形态发生变化，基体为Fe-Cr。

图4　合金铸铁的XRD衍射图谱

2.3硬度及冲击韧性

对合金铸铁的硬度及韧性进行测试，并与Cr35Ni5进行对比，结果如表1所示，其中试样1、2、3为实验制备的合金铸铁，试样4为Cr35Ni5铸铁(下同)。由表1可知，实验制备的合金铸铁，无论是铸态还是热处理态，硬度均高于Cr35Ni5铸铁；热处理能够提高铸铁的硬度和韧性，热处理后的合金铸铁硬度最高可达7.0 GPa，冲击韧性最高为8.8 J/cm2。实验制备的合金铸铁冲击韧性和Cr35Ni5相差不大，没有明显的提升。

表1合金铸铁的硬度和韧性值

Table 1Rockwell hardness and impact toughness of alloy cast iron

试样硬度/GPaI/J·cm-2铸态热处理铸态热处理15.76.84.68.425.87.04.27.935.86.84.48.844.95.85.08.5

2.4高温抗氧化性

图5为合金铸铁与Cr35Ni5的氧化增重曲线，铸铁为热处理态。由图5可知，两种材料的氧化增重曲线均为抛物线。在氧化前期，材料表面与空气直接接触，增重速度较快，随着氧化进行，材料表面生成一层氧化层，减少了表面与空气的接触，减缓氧化速度，当氧化时间超过6 h后，氧化增重的速率明显降低。通过对比发现，合金铸铁的氧化增重要少于Cr35Ni5，即其高温抗氧化性优于Cr35Ni5。

图5　氧化增重曲线

2.5耐磨性

图6为合金铸铁的相对耐磨性，试样1、2、3为热处理态。以Cr35Ni5为基准，相对耐磨性定为1。

由图6可知，合金铸铁耐磨性较高。由于组织中的碳化物细小且分布均匀，除直接抵御摩擦副磨损外，弥散分布的碳化物还能够对基体产生弥散强化，因此，实验制备的新型合金铸铁具有优异的耐磨性，在相同实验条件下，其耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。

图6　合金铸铁的相对耐磨性

3　结　论

(1)实验制备的新型合金铸铁组织主要包含Fe-Cr和(Fe,Cr)7C3两相，细小的碳化物在组织中均匀分布。

(2)新型合金铸铁具有优异的高温抗氧化性和耐磨性，其耐磨性是Cr35Ni5的1.8倍。

(3)无论是否经过热处理，新型合金铸铁硬度均高于Cr35Ni5，冲击韧性与之相当。

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(编辑王冬)

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

WANG Zhenting，ZHU Shikui，FENG 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

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GC13A113)

王振廷(1965-)，男，黑龙江省鸡西人，教授，博士，研究方向：表面工程与耐磨材料，E-mail:wangzt2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.011

TG143;TG115.58

2095-7262(2016)03-0289-03

A