鐵合金清潔生產線中鑄模及鑄錠的微觀組織研究①

段望春 張得儉 張 興 蹇 樂 緱順虎

(甘肅省機械科學研究院 甘肅蘭州730030)

1 前言

錠模的使用壽命很低，多數錠模應用不久便發生裂紋而報廢。個別錠模在澆筑過程中發生突然炸裂，致鋼水到處流竄飛濺。容易引起人身及設備事故。國內圍繞提高錠模質量和使用壽命開展了許多研究［1－4］，在錠模材質方面研究結果表明:不同材質的錠模具有特定的組織優勢［5］。因此，研究錠模在生產過程中的組織和性能變化，為分析錠模失效原因，改進錠模材質提供可靠的理論依據，是一項重要的任務。鐵合金產品中元素的偏析不僅關系到產品成分的均勻程度，而且在保證產品質量、降低有害元素含量、為下道工序提供優質產品，以及提高經濟效益方面有著不可低估的作用［6］。

2 試驗過程

2.1 錠模的制作及生產的鑄錠

本項目根據自主研發的鐵合金清潔生產線要求，制作的錠模如圖1a)所示，錠模材質分別為QT600－6 和HT200，不同材質制作錠模各15 個。其中，QT600－6 材質錠模球化級別不低于GB/T 9441－1988 規定的球化級別5 級。生產的FeSi50鑄錠如圖1b)所示。

圖1 自制的錠模及生產的鑄錠

2.2 試驗參數

使用中頻感應爐熔煉，先熔煉10kg 鐵屑，再加入200kg 破碎后的FeSi50，合金液溫度升至1450℃～1500℃時開始澆注，試驗過程主要工藝參數如表3。試驗過程主要工藝參數如表1 所示。冷卻介質:水。

表1 鑄造工藝參數

2.3 試樣制備

錠模使用前、后，各取組織分析試樣1 個，試樣規格:15mm×15mm ×10mm。鑄錠試樣沿鑄錠縱向剖面切取厚度為5mm 試樣。

3 試驗結果及分析

3.1 錠模金相分析

對各試樣進行拋光處理后采用自制的硝酸酒精腐蝕液，侵蝕5s，清洗后運用光學顯微鏡對試樣進行觀察分析，結果如圖2、圖3、圖4、圖5 所示。

圖2 HT200 錠模使用前金相組織

圖3 HT200 錠模應用后金相組織

圖4 QT600 -6 錠模使用前金相組織

圖5 QT600 -6 錠模使用后金相組織

由圖2、圖3 可知，HT200 鑄模在使用后基體中部分滲碳體分解鐵素體增多，珠光體形態由顆粒狀向層片狀轉變;石墨的細片狀形態仍占主導地位。因使用中鑄模經受頻繁熱沖擊，裂紋往往在片狀石墨頂端出現，這是鑄模失效的主要原因［7］。由圖4、圖5 可知，QT600－6 鑄模在使用后基體組織由鐵素體—珠光體向珠光體轉變;部分石墨形態由球狀向蠕蟲狀轉變，有利于材料抗熱疲勞性能的提高。

3.2 鑄錠元素分布分析

使用Quanta 450 FEG 場發射環境掃描電鏡對FeSi50 鑄錠縱截面主要成分Si、Fe 進行元素線掃描分析，所得結果如圖6 所示。

由圖6 可知，自試樣表面至中心位置，Si、Fe元素曲線整體變化平穩，在部分組織點處，Si、Fe元素含量呈軸向對稱分布，即富硅貧鐵。

圖6 線掃描位置及Si、Fe 元素分布

圖7 元素面掃描結果

使用Quanta 450 FEG 場發射環境掃描電鏡對FeSi50 鑄錠縱截面主要成分Si、Fe 進行元素面掃描分析，所得結果如圖7 所示。

由圖7 結合圖6 分析可知，Si 元素富集，Fe元素貧瘠的區域是組織較為疏松的區域。在其他區域兩種元素基本分布均勻。

4 結論

1)HT200 鑄模使用前后石墨形態變化不大，基體組織中的珠光體由顆粒狀向層片狀轉變。QT600－6 鑄模使用后基體組織由鐵素體—珠光體向珠光體轉變;部分石墨形態由球狀向蠕蟲狀轉變，有利于改善材料的抗熱疲勞性能。與HT200 相比，使用QT600－6 可以提高鑄模使用壽命。

2)鑄錠自表面至中心位置，Si、Fe 元素曲線整體變化平穩;鑄錠組織較為疏松的區域Si 元素富集，Fe 元素貧瘠。

［1］Dawson S. Process Control for production of compacted Graphite Iron［C］. The 106th AFS Casting Congress(Kansas)，2002，(1):121－124.

［2］蔡啟舟，張斗，王敬華，等. 重稀土蠕化劑在蠕墨鑄鐵鋼錠模上的應用研究［J］. 現代鑄鐵，2010 (5):15－19.

［3］蔡寶潤. 延長鋼錠模使用壽命的探討［J］. 青海科技，2011 (1):95－96.

［4］陳進，余連權. 大型鋼錠模的設計［J］.重慶科技學院學報(自然科學版)，2010，Vol.12 (5):116－118.

［5］劉俊釗，蹇樂，張得儉，等. 鋼錠模設計的現狀及研究趨勢［J］. 機械研究與應用，2014，Vol.27 (6):189－191.

［6］胡凌標. 鉻鐵鑄錠的成分偏析［J］. 鐵合金，1994(4):28－33.

［7］黃德奎. 鋼錠模失效分析［J］. 價值工程，2013 (20):65－67.