高鉻鑄鐵具有良好的高溫抗磨性、足夠的強(qiáng)韌性和一定的機(jī)械加工性，而且成本較低，熔制較易。導(dǎo)板是TZC200錐形穿孔機(jī)的關(guān)鍵易損零件，在軋制不銹鋼管過(guò)程中具有導(dǎo)入坯料和護(hù)衛(wèi)作用，其工作面接觸溫度為1100e1200e，同時(shí)承受熾熱鋼坯的沖擊、摩擦和擠壓以及冷卻水周期性激冷，并且需要進(jìn)行機(jī)械加工。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)同類引進(jìn)設(shè)備的導(dǎo)板所采用的材質(zhì)多為高鎳鉻鋼，價(jià)格昂貴，但使用效果并不理想。高鉻鑄鐵與高鎳鉻鋼相比，具有成本較低，熔制較易等優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)用于要求熱穩(wěn)定性而對(duì)熱強(qiáng)性要求較低的服役條件。根據(jù)導(dǎo)板苛刻的工況，我們決定采用含有少量鎳的高鉻鑄鐵作其材質(zhì)，因此進(jìn)行了耐高溫、抗磨并可切削加工的高鉻鑄鐵導(dǎo)板的研制工作。
材質(zhì)選用與化學(xué)成分設(shè)計(jì),材質(zhì)選用高鉻耐熱鑄鐵的化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐熱溫度，可見(jiàn)，RTCr-34的耐熱溫度和綜合力學(xué)性能較好，但其高溫度強(qiáng)度和抗熱沖擊能力必須提高，方可在導(dǎo)板工況下使用。
化學(xué)成分設(shè)計(jì)碳和鉻：由Fe-C-Cr三元系液相面投影圖可知，當(dāng)碳、鉻含量在RTCr-34的范圍內(nèi)時(shí)，凝固過(guò)程中將不經(jīng)過(guò)共析轉(zhuǎn)變而直接析出A鐵素體，因而反復(fù)的加熱冷卻過(guò)程中沒(méi)有相變發(fā)生，產(chǎn)生變形及龜裂的危險(xiǎn)性很小，同時(shí)由于在A鐵素體中固溶了大量的鉻，故具有優(yōu)良的抗氧化抗生長(zhǎng)性能。高鉻鑄鐵的耐磨性是Cr和C共同作用的結(jié)果，在Cr含量一定時(shí)，隨C含量增加，碳化物數(shù)量增加，合金的硬度增高，而韌性降低；當(dāng)C含量一定時(shí)，隨Cr含量增加，共晶碳化物的類型由C逐步轉(zhuǎn)6.可見(jiàn)通過(guò)調(diào)整Cr/C比值，可以控制合金的硬度和韌性以及機(jī)械加工性能。
為避免組織中出現(xiàn)長(zhǎng)條狀和大塊狀的初生碳化物，惡化合金的力學(xué)性能，碳當(dāng)量應(yīng)為亞共晶成分，即S<1.由于導(dǎo)板需要機(jī)械加工，故應(yīng)適當(dāng)減少碳化物數(shù)量，盡量將含碳量調(diào)整在下限。但是Si量增加，使鐵素體基體中的C含量減少，會(huì)導(dǎo)致共晶碳化物增多，并形成硬而脆的Cr化合金的力學(xué)性能，尤其是韌性。因此在Cr量足夠的情況下，Si量應(yīng)盡量降低。但在實(shí)際生產(chǎn)中很難將硅控制在很低的范圍。
錳和鎳：錳屬于擴(kuò)大C區(qū)的元素，能使C成為室溫穩(wěn)定組織，不利于形成鐵素體基體。但是錳有中和硫的作用。鎳也屬于擴(kuò)大C區(qū)的元素，具有在鑄態(tài)下形成C穩(wěn)定組織的作用，故一般在高鉻鑄鐵中不加入鎳。但是，Ni具有固溶強(qiáng)化作用，能夠提高高溫強(qiáng)度和硬度，并可抑制R脆性相形成，從而改善綜合力學(xué)性能，尤其是韌性。
其它元素：鈦是強(qiáng)列形成碳化物的元素，能與氧、氮形成穩(wěn)定的化合物，通常以細(xì)小的顆粒狀態(tài)存在于鑄鐵中，可以作為凝固時(shí)的晶核，有效地細(xì)化組織，提高力學(xué)性能和耐磨性。稀土可以改善碳化物和夾雜物的形態(tài)與分布，凈化鐵水，提高其流動(dòng)性。鋁細(xì)化晶粒，提高抗氧化性，有利于碳化物的塊狀化及球化，故能提高耐磨性。磷和硫作為有害元素應(yīng)該盡量降低其含量。
綜上所述，導(dǎo)板用高鉻鑄鐵的化學(xué)成分應(yīng)控制在如下范圍：試樣制備及試驗(yàn)方法參照耐熱鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置壁厚為30mm的Y形試塊，在同一試塊底部位置切取抗拉試樣一根和沖擊試樣兩塊（并排）。抗拉試驗(yàn)按照金屬拉力試驗(yàn)方法，試樣為<14mm；高溫抗拉試驗(yàn)按照金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法，試樣為<10mm；沖擊試驗(yàn)按照金屬常溫沖擊韌性試驗(yàn)方法，采用55mm@10mm@10mm無(wú)缺口試樣；硬度值在沖擊試樣上測(cè)定，按照金屬布氏硬度試驗(yàn)方法；化學(xué)分析及取樣按照鋼鐵及合金化學(xué)分析方法之規(guī)定進(jìn)行。
熔煉工藝工藝試驗(yàn)與試制用鐵水分別在150kg中頻和1.5t工頻電爐中熔煉。爐料為Q12生鐵、廢鋼，碳素及低碳鉻鐵、鎳板，混合稀土合金，碳素錳鐵，鈦鐵和純鋁塊。熔煉溫度為1460e1500e，在熔煉后期均采用錳鐵和鋁片脫氧；澆注溫度為1390e2.3熱處理工藝C垂直截面相圖可知，在上述設(shè)計(jì)的C、Cr范圍內(nèi)，合金的平衡組織應(yīng)以A+C型初生或共晶碳化物為主，但在625e左右還可能出現(xiàn)R硬脆相，使合金的力學(xué)性能特別是沖擊韌性大為降低。為了消除R相，除了添加阻止R形成元素如鎳以外，還應(yīng)采取固溶化熱處理方法.因此對(duì)比試驗(yàn)了二種熱處理工藝：1050e固溶處理（空冷）+550e回火處鑄造設(shè)備研究火空冷+550e回火。為了避免475e緩冷脆性，上述工藝均采用高溫回火以消除應(yīng)力。
鑄造工藝導(dǎo)板鑄鐵共三種，各二件。按照機(jī)械加工工藝要求采用兩件合鑄。最大鑄鐵導(dǎo)板3的輪廓尺寸為cm，鑄造工藝。其特點(diǎn)：頂部設(shè)置冒口并輔以外冷鐵，形成自下而上的順序凝固；采用底注半封閉式澆注系統(tǒng)，保證平穩(wěn)無(wú)夾雜澆注；砂芯潰散性較好并嚴(yán)格控制冷卻時(shí)間，避免熱裂缺陷；采用石墨和鋯英粉雙層涂料，以防止粘砂。
高鉻鑄鐵不銹鋼管軋機(jī)導(dǎo)板的研制編號(hào)熱處理狀態(tài)室溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能（900e）數(shù)值分析鑄態(tài)注：ò為上述二種熱處理工藝規(guī)范：沖擊韌度為兩個(gè)試樣的平均值；用Cr/Ni近似代替Cr當(dāng)量比。化學(xué)成分對(duì)組織、性能及機(jī)械加工性的影響第一爐C、Cr含量較高。按式1-式3計(jì)算得知，碳當(dāng)量為過(guò)共晶成分，碳化物數(shù)量較多。其鑄態(tài)組織為初生碳化物（C）+共晶萊氏大部分呈孤立分布的條塊狀，顯微硬度為HV935；共晶Le呈黑白相間的塊狀，HV510；共晶A鐵素基體呈灰色，HV320.由于合金的脆性較大，機(jī)加工性能較差，尖角成形困難，刀具磨損嚴(yán)重。
第二爐為略亞共晶成分，碳化物數(shù)量中等。其鑄態(tài)組織為初生A+共晶Le.初生A的硬度降低到HV280；菊花狀共晶Le共晶團(tuán)細(xì)小，硬度提高到HV620，與加入Ti和Re有關(guān)。與第一爐比較，R有較大幅度的提高，A也有所改善。因此加工性能較好，再未發(fā)生/嘣角0現(xiàn)象，刀具磨損程度減輕。第三爐C、Cr含量較低，而Si量較高，為亞共晶成分，碳化物數(shù)量較少。如圖3（c）所示，其鑄態(tài)組織為A+少量奧氏體（C）+共晶Le，A和共晶Le的硬度分別為HV300與HV710.由于共晶底較小，故組織中A數(shù)量較多并呈塊狀分布，而共晶碳化物較硬，因此抗接強(qiáng)度、韌性和硬度較低。
鑄造設(shè)備研究可知，略亞共晶成分合金的綜合性能明顯優(yōu)于亞共晶和過(guò)共晶成分合金的綜合性能。由于Re和Al，該類合金的A基本顯微硬度很高，室溫抗拉強(qiáng)度和硬度以及高溫強(qiáng)度都顯著高于高鉻耐熱鑄鐵。但是在亞共晶成分時(shí)，鑄態(tài)即已出現(xiàn)少量C組織，經(jīng)過(guò)熱處理后轉(zhuǎn)變成多相組織，不再是A單一基體。這是因?yàn)楦鶕?jù)A/C穩(wěn)定化參數(shù)，Cr在高溫區(qū)是穩(wěn)定A的元素，而在低溫區(qū)則變成了穩(wěn)定C的元素。故加入擴(kuò)大C區(qū)的Ni和縮小C區(qū)的Cr都可使Ms點(diǎn)降低，對(duì)C起強(qiáng)烈的穩(wěn)定化作用。綜合考慮，該事金的Sc、Cr/C和Cr/Ni應(yīng)而且在股役過(guò)程中需進(jìn)一步優(yōu)化成分，以提高使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。
熱處理對(duì)組織、性能及機(jī)械加工性的影響試驗(yàn)證明，C型碳化物在加熱到很高的溫度時(shí)也不發(fā)生分解，A鐵素體為高溫組織，冷卻過(guò)程中不發(fā)生相變。故經(jīng)過(guò)上述熱處理后，金相組織與鑄態(tài)相比無(wú)明顯變化.而熱處理狀態(tài)的力學(xué)性能比鑄態(tài)出現(xiàn)明顯變化：第一爐R提高、A降低，HB降低；第二爐R和HB降低，R提高；第三爐R和HB提高，A降低。
比較而言，熱處理后鑄件A提高、HB降低對(duì)切削加工有利，第二種熱處理工藝的性能優(yōu)于第一種熱處理。第三爐在熱處理后，A鐵素體基體中的C發(fā)生了相變，成為由B、M和殘余C等組成的混合組織，故硬度由HV300提高到HV46HV600.由此可見(jiàn)，這類高鉻鑄鐵的熱處理組織轉(zhuǎn)變相當(dāng)復(fù)雜，當(dāng)化學(xué)成分改變時(shí)，與之相適應(yīng)的熱處理工藝也須調(diào)整。
以上加入Ni的高鉻鑄鐵，其C區(qū)擴(kuò)大，僅根據(jù)Fe-C-Cr三元系水平截面相圖即可看出，在1三相區(qū)，在850e保溫的平衡組織也接近該三相區(qū)，因此存在C相的可能性很大。試驗(yàn)證明，即使在800e保溫，C也依然存在。
因此，Ni含量和Cr/Ni的選擇很關(guān)鍵。顯然出現(xiàn)上述多相組織對(duì)耐熱性能及機(jī)械加工是不利的。但是，由于導(dǎo)板鑄件在股役時(shí)，僅是表面與高溫鋼坯接觸且時(shí)間僅約14s，以上不穩(wěn)定組織來(lái)不及轉(zhuǎn)變。
而且其基體仍以A為主，所以對(duì)使用性能的影響不大。經(jīng)過(guò)1050e固溶處理R相固溶在A中，在高溫下進(jìn)行空冷，使其來(lái)不及析出；在550e回火，避免了再度產(chǎn)生R相和475e緩冷脆性。固溶處理后緩冷800e850e退火空冷，可以進(jìn)一步改善綜合性能。實(shí)踐證明，上述處理工藝可以提高高鉻耐熱鑄鐵的強(qiáng)韌性和切削加工性，但是退火溫度須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定，為進(jìn)一步降低硬度，可在更高一些溫度回火處理。
結(jié)論0.4%Ti的高鉻鑄鐵，經(jīng)過(guò)加入Re元素變質(zhì)處理后，具有良好的高溫抗磨性、足夠的強(qiáng)韌性及一定的切削加工性：R；機(jī)械加工后的尺寸精度和光潔度均能滿足設(shè)計(jì)要求。因而可以作為不銹鋼管軋機(jī)的導(dǎo)板材質(zhì)，在1100e1200e溫度并有一定抗磨性及熱沖擊要求的工況下使用。該高鉻鑄鐵的化學(xué)成分應(yīng)控制在S=0.9%1.0%.Cr/=7.59.0，其組織最好是單相鐵素體基體+M型碳化物。但是鑄態(tài)很難達(dá)到上述平衡組織，而在A為主的基體中存在少量的B、M和殘余C混合組織，對(duì)導(dǎo)板使用性能的影響不大。
2）該高鉻鑄鐵一般應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理后進(jìn)行機(jī)械加工和使用。采用1050e固溶（爐冷）+800e850e退火空冷+550e回火的熱處理工藝，可以消除R硬脆相和鑄造應(yīng)力，改善合金的韌性及切削加工性能。由于該合金的鑄造性能和導(dǎo)熱性較差，易產(chǎn)生熱裂等缺陷，鑄造時(shí)必須采取有效的工藝措施。鑒于其切削加工性較差，為降低成本，成批生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量選擇實(shí)型鑄造等少、無(wú)切削精鑄工藝。
