Mo_Ni_Cu对高炉衬板用Cr26高铬铸铁铸态组织和性能的影响

收稿日期:2009210215; 修订日期:2009211210基金项目:沈阳市自然科学基金(108122821200)

作者简介:杨程坤(19842　

),山东聊城人,硕士生.研究方向:材料凝固成形技术.

Vol.31No.1J an.2010铸造技术

FOUNDR Y TECHNOLO GY

?铸造技术　Foundry Technology ?

Mo 、Ni 、Cu 对高炉衬板用Cr26高铬铸铁

铸态组织和性能的影响

杨程坤1,2,朱丽娟1,刘　

越2,傅　勇2,张雅静2

(1.沈阳大学机械工程学院,辽宁沈阳110044;2.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110006)

摘要:采用正交试验法研究了Mo 、Ni 、Cu 对高炉衬板用Cr26高铬铸铁铸态组织和性能的影响,以宏观硬度和冲击韧度为考察指标,对3种合金元素含量进行了优化设计。研究结果表明,著;而任意两种合金元素的联合作用效果以Mo 加Cu 最为显著。获得的高铬铸铁综合性能最佳,铸态硬度为55.5HRC ,冲击韧度αk 为7.4J ?

cm -2,,M 7C 3共晶碳化物和奥氏体组成。

关键词:高炉衬板;高铬铸铁;微观组织;性能

中图分类号:T G143 文献标识码:A 文章编号:100028365(2010)0120007205

Eff ect of Mo 、Ni 、Cu on t he as 2cas t Micros truct ure and Mec ha nical Prop erties

of Cr 26Hi g h Chr o mi u m Ca s t Ir o n f or t he Fur na c e Li ne r

YANG Cheng 2kun 1,2,ZHU Li 2juan 1,L IU Yue 2,FU Yong 2,ZHANG Ya 2jing 2

(1.College of Mechanical E ngineering ,Shenyang U niversity ,Shenyang 110044,China ;2.College of Material &Metallurgy ,Northeastern university ,110006,China)

Abs t rac t :The orthogonal experimental method was employed in this work to re search the law of

effect of Mo ,Ni and Cu on the as cast micro structure and mechanical propertie s of Cr26high chromium cast iron that used on the furnace liner.Based on the data of the impact toughne ss and macrohardne ss ,the optimization about the compo sition was carried on.The re sults show that the mo st significant effect of any one alloy element on the mechanical propertie s owns to Ni ,and the be st combination is Mo and Cu.The be st as 2cast mechanical propertie s ,which are HRC 55.5and 7.4J ?cm -2can be obtained when the compo sition is 0.6wt.%Mo 、0.7wt.%Ni and 1.0wt.%Cu ,and the corre sponding micro structure contains hexagonal M 7C 3primary carbide s ,eutectic M 7C 3carbide s and austenite.

Ke y w ords :Furnace liner ;H igh chromium cast iron ;Micro structure ;Property

高炉衬板失效的主要原因是矿石、焦炭等对其表面的冲刷磨损[1]。目前高炉衬板常用高锰钢[2]和钢表面熔敷堆焊或镶嵌硬质合金复合衬板[3,4]。高锰钢价格低,但由于其需要足够的冲击才能发生硬化,硬化不充分时耐磨性急剧降低,有时寿命只有2～3个月,使得其在高炉上的应用受到限制。钢表面熔敷堆焊或镶嵌硬质合金复合衬板寿命可达1～2年,但其生产成本较高,满足不了现代化大型高炉高效益生产要求。Cr26高铬铸铁具有较高的耐磨性和优良的耐蚀性,在

矿山、电力等部门有着广泛的应用[5～7],但在高炉工况条件下的应用较少。文献[8]在Cr26高铬铸铁中添加0.1%～0.5%V ,铸态下可获得马氏体,在料斗溜嘴和

料车迎料面使用,寿命分别为24～30个月和13～15个月。国标G B T826321999中给出的Mo 、Ni 、Cu 成分范围较宽泛,生产中大多凭经验选择。然而有关资料表明[9,10],Mo 、Cu 联合作用对改善高铬铸铁的淬透性和韧性比单一合金元素的效果更为明显。另外,衬板如果能在铸态下使用,可大大降低热处理工艺成本。因此,探求3种合金元素在较低的含量范围内对高铬铸铁组织和性能影响规律,对于研发新型高炉衬板材料、降低生产成本和提高经济效益具有重要意义。

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1　Cr26高铬铸铁成分选择

根据高炉衬板的使用工况,考虑生产成本的经济性,借助正交试验法,在传统Cr26高铬铸铁成分基础上以Mo、Ni、Cu为因素,每个因素取3个水平,按照L9(34)正交试验表进行实验,在含量较低的范围内寻求三种合金元素的最佳成分组合。实验用Cr26的化学成分见表1,正交试验表头设计见表2。

2　实验方法

表1　实验用Cr26高铬铸铁主要化学成分　w(%)

Tab.1　Composition of Cr26high chromium cast iron

C Cr Mn Si Mo Ni Cu RE Fe

2.8～

3.025～260.7～0.90.7～0.80.4～0.80.5～0.90.6～1.00.4～0.8余量

表2　三因素三水平正交试验表头设计

Tab.2　Orthogonal experimental design about three factors and three levels

因素(A)Mo含量(%)(B)Ni含量(%)(C)Cu含量(%)一水平0.40.50.6

二水平0.60.70.8

三水平0.80.9 1.0

铁液在15kW中频感应电炉中熔炼,为了尽可能降低炉料的烧损,先在坩埚底部加入全部钼铁及少量铬铁,然后加入全部废钢,再加入其余铬铁。当出现液相时,加入锰铁、电解镍和电解铜。熔炼至1400℃时加入稀土硅铁进行孕育处理1～3min,快速升温至1480℃加入铝脱氧、出炉,在湿砂型中浇注成22mm ×22mm×110mm无缺口冲击试样,再用线切割取10mm×10mm×55mm标准冲击试样。为消除取样部位的影响,各组试样基本取自相同的部位。在JB2 50型一次摆锤式冲击试验机上测试其冲击韧度,每组测试三个试样,取平均值;在HD2187.5型布洛氏硬度计上测量其宏观硬度,每个试样测5点硬度,取平均值。制备金相试样,在OL YMPU S GX51型倒置式金相显微镜上观察其微观组织,腐蚀剂采用HNO3+ HCl,按1∶3的比例配制。

3　实验结果分析

实验考察指标为冲击韧度和宏观硬度,以冲击韧度为主。实验结果如表3所示。3种因素对Cr26高铬铸铁宏观硬度和冲击韧度的影响水平直观图如图1所示。

表3　冲击韧度和宏观硬度实验结果及方差分析

Tab.3　Experimental results and variance analysis based on the impact toughness and macrohardness

实验序号

试验方案组合

A B C空

实验结果

HRCαk/(J?cm-2)

11(0.4)1(0.5)1(0.6)157.4 5.1 212(0.7)2(0.8)255.8 6.6 313(0.9)3(1.0)354.8 6.9 42(0.6)12353.1 6.2 5223155.57.4 6231252.8 6.5 73(0.8)13254.5 5.8 8321356.17.1 9332152.97.4

冲击韧度(K1j2+K2j2+K3j2)/3

S j

387.3533

0.5755

390.0867

3.3091

387.2467

0.4691

387.0867

0.3091

最优组合:

A2B2C2

宏观硬度(K1j2+K2j2+K3j2)/3

S j

27002.07

7.58

27002.67

8.18

26997.99

3.5

26995.75

1.26

最优组合:

A1B2C3

从图1中可以看出,随着Mo含量的增加,冲击韧度呈上升趋势,但幅度较小;而Cu含量的增加对冲击韧度并无显著性的影响。根据冲击韧度指标,三种因素的最佳组合为A3B2C2,但考虑到从A2到A3,冲击韧度只提高了0.86%,结合生产成本,其最佳组合应选择A2B2C2;根据硬度指标,三种因素最佳组合为A1B2C1。综合两个指标来看,当Mo从0.4%增加为0.6%时,铸态Cr26高铬铸铁的宏观硬度降低,而冲击韧度明显增加。当Mo从0.6%增加为0.8%时,宏观硬度及冲击韧度都有提高,但提高的幅度十分小,结合生产成本,Mo含量取0.6%;至于铜含量的选择,从直观图上可以看出,当铜含量为0.6%时,冲击韧度最

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杨程坤等:Mo 、Ni 、Cu 对高炉衬板用Cr26高铬铸铁铸态组织和性能的影响

图1　Mo 、Ni 、Cu 对高铬铸铁硬度和冲击韧度的影响水平直观图

Fig.1　Visual graphs about the effect of Mo ,Ni ,Cu both on the impact toughness and macrohardness of Cr26cast iron

低,随着铜含量的提高,冲击韧度明显增加,而硬度呈

现先下降再升高的趋势。Cu 含量为1.0%时的硬度较Cu 含量为0.6%时平均只下降了1.1%,而冲击韧度却提高了7.5%,因此C 3为铜的最佳加入量。从而得出三种合金元素的最佳组合为A 2B 2C 3,这在实验结果中也有体现。

冲击韧度在不同成分下显示出明显的差异,所以正交试验分析着重考虑不同因素对冲击韧度的影响,其方差分析结果如表4所示。

表4　以冲击韧度为考察指标的方差分析表

Tab.4　Variance analysis based on the impact toughness

方差名称

S f V F 显著性A 0.575520.28775B 3.30912 1.654457.30

高度显著

C 0.469120.23445A ×B 0.778220.38910B ×C 0.884620.44230A ×C

3.61822 1.809108.02高度显著

误0.309120.15445误△

1.3537

0.22560

由表4可知,从正交试验结果来看,Ni 含量对高铬铸铁韧性影响高度显著,而Mo 、Cu 含量对韧性的影响可以忽略。任意两种合金元素的搭配都比单独一种元素对韧性的影响作用显著。考虑到三种元素的交互作用,对高铬铸铁冲击韧度影响大小排序为:A ×C >B >B ×C >A ×B >A >C 。

图2为Ni 含量为0.7%时,不同Mo 、Cu 含量组

合的Cr26高铬铸铁铸态微观组织。从图2a 中可以看出,组织中的碳化物多以长条大块状、六角形初生碳化物和粗大的共晶碳化物组成,对基体的割裂现象比较严重,因而韧性最差。从图2e 中可以看出,碳化物的数量增多且明显细化,这是因为,固溶于γ2Fe 中的Mo 能显著降低碳在奥氏体中的溶解度,随着Mo 含量的增加,碳化物的数量逐渐增多。同时,当Cu 含量小于1.0%时,随着Cu 含量的增加,碳化物明显得到细化,铸态硬度也有所提高[11],因此该成分对应的力学性能也十分突出。而对于图2c 来说,和图2e 相比,该组织中的碳化物数量适中,形貌多为小块状和细长条状,弥散度较高,在宏观硬度下降不多的情况下,冲击韧度得到了一定的改善。

一次摆锤冲击试验断口形貌如图3所示,两种高铬铸铁的断裂机制均为解理断裂。摆锤冲击时,由于冲击功很大且冲击速度快,试样在瞬间断裂,裂纹沿着碳化物与基体的界面扩展迹象不明显,裂纹的扩展方向是随机的,可以从碳化物与基体的界面通过,也可以横穿碳化物。从图3a 中可以看出,裂纹横穿碳化物趋势明显,这是因为组织中存在大量粗长条状碳化物,对基体的割裂严重,导致其韧性差。而图3b 中的解理面较多且细碎,这是因为碳化物尺寸小,呈弥散分布,碳化物间距大,韧性好的奥氏体基体可以为裂纹提供扩展的途径,在宏观力学性能上体现出了较高的冲击韧度。

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图2　当Ni 为0.7%,不同Mo 、Ni 含量Cr26高铬铸铁铸态微观组织

Fig.2　As 2cast microstructures of Cr26high chromium cast iron under different Mo and Cu (0.7%Ni )

图3　不同成分Cr26高铬铸铁冲击断口形貌

Fig.3　Impact f racture morphology of Cr26high chromium cast iron under different compositions

4　装机试验效果按照0.6%Mo 、0.7%Ni 和1.0%Cu 制备的高炉衬板,在承钢2300m 3高炉无料钟炉顶使用,其寿命已超过12个月,而成本比原Cr26高铬铸铁降低20%以上,取得显著经济效益和社会效益。5　结论

(1)合金元素之间的交互作用对Cr26高铬铸铁

冲击韧度影响大于单一合金元素的影响,其显著性排序为:Mo +Cu >Ni >Ni +Cu >Mo +Ni >Mo >Cu 。单一合金元素对Cr26高铬铸铁的冲击韧度影响以Ni 最为显著,而Mo 、Cu 的影响可以忽略。

(2)当Ni 含量为0.7%时,Mo 和Cu 的最佳组合为0.6%Mo +1.0%Cu ,铸态综合力学性能优异:宏

观硬度55.5HRC ,冲击韧度αk =7.4J ?cm -2,其组织为长条块状、六角形M 7C 3初生碳化物+M 7C 3共晶碳化物+奥氏体。

(3)本实验条件下得到铸态综合力学性能优异的Cr26高铬铸铁,适用于制备高炉衬板。

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