陶瓷颗粒2f金属基复合材料在钢锭模上的应用与.研究

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1、1．1本课题研究的意义第一章绪论钢锭模内表面进行金属陶瓷化复合，属于颗粒增强金属基陶瓷复合材料领域。目前，围绕颗粒增强金属基陶瓷复合材料这一研究领域，国内外许多专家正在进行广泛的研究，并取得了一些重大科研成果。这些科研成果主要表现在铸造有色金属复合材料的研究，对于黑色金属铁基陶瓷复合材料却很少有文献报道，利用铸渗法在钢锭模内壁进行金属陶瓷复合的构思及实施没有发现文献报道。钢锭模是由铸铁制成的，随着浇钢次数的增加，钢锭模的内壁工作面出现网纹和龟裂，当达到一定程度后，工作面开始掉皮、脱落，致使钢锭模过早报废。钢锭模的工作条件是在高温下进行的，在高温时的破坏机理主要发生两个方面

2、：氧化过程和生长过程。(1)钢锭模高温时的氧化过程钢锭模高温时受到周围气氛的强烈腐蚀作用，其中主要是氧化作用。温度愈高，氧化愈激烈。氧化时，首先在钢锭模内壁表面形成一层氧化薄膜，进一步氧化时，氧原子透过这一层薄膜向内部渗透，铁原子由内向外扩散。因此，这一层氧化薄膜的性质对铸件继续氧化的程度有很大影响。铸铁在560℃以上时，氧化层是Fe203、Fe3q和FeO组成，其厚度比为Fe203：Fe304：FeO=l：i0：loo，即氧化层主要FeO组成。由于FeO晶格不完整，晶格中存在很大的间隙，很容易被氧原子或铁原子所穿透，使氧化加剧。所以普通铸铁在高温下氧化比较严重。在560

3、。C以下时，FeO不稳定，此时氧化层由Fe。0。和Fe。0。组成，其中Fe。0。在内层，Fe。0。在外层，阻碍了氧化扩散过程。(2)钢锭模高温时的生长过程生长过程是指钢锭模工作面在温度升高后体积长大，但是，在温度下降后，体积不能复原的现象。由于发生生长过程将显著降低其机械性能，并且容易产生裂纹，从而使钢锭模工作面遭到破坏。高温下生长的原因可归纳为下述三个方面：1、氧化的影响：氧原子通过铸件的微孔、裂纹、石墨片渗入到铸铁内部，使铸铁中铁、硅、锰等元素发生氧化，引起了体积长大。2、石墨化的影响：在高温下基体中的Fe，c分解为铁素体和石墨。由于石墨的析出伴随着体积生长，每分钟1

4、％的Fe，c可使体积增大2．04％。更重要的是使石墨数量增多，有利于氧的渗入，加速了氧化过程。3、相变的影响：如果工作温度超过临界温度，基体将发生相变，这种相变常常要引起体积的改变。由于相变是可逆的，由此，体积的变化也应是可逆的。但是随着加热和冷却的反复作用，容易产生微观裂纹，这种裂纹会加剧铸铁的氧化并使其体积长大。从铸铁的整个生长过程看，氧化的影响占有主导地位，而石墨化和相变的影响只是为氧化更进一步发展提供了方便条件。既然钢锭模在高温破坏过程中氧化过程占主要作用，因而如何防止铸铁在高温下的氧化就成了提高钢锭模寿命的关键。国内的广大冶金科技工作者针对钢锭模工作条件极为恶劣

5、，工作面将承受较高的抗高温、抗氧化、抗冲刷的任务，在改进钢锭模材质，优化钢锭模结构和对钢锭模工作面进行改性方面作了大量研究。有关资料指出，当钢锭模类型已定，浇注条件也比较适合，则有两个因素影响模子寿命：模壁厚度或模子重量；生铁的化学成分，特别是锰含量。锰含量为1．5％左右和硅含量为1．6％左右似乎能得出最高的模子寿命。英国钢锭模委员会指出：为使贯穿性裂纹减至最少，推荐[％Mn]=0．3+1．7×[％s]，可避免FeS夹杂出现。资料介绍了瑞典钢锭模使用寿命的研究结果，冲天炉熔炼的钢锭模生铁，最适宜的硅和锰含量分别为1．3-1．696和0．7-1．O％低碳钢，磷含量高至0．2

6、％，硫含量为O．1％时也比较好。钢锭模的铸造工艺对钢锭模寿命的影响也是不可忽视的，文献[2]报道，使用高炉生铁、冲天炉生铁和球墨铸铁进行比较，发现球墨铸铁寿命最高，而冲天炉生铁最不理想。国r彤'l-近几年来研制的蠕虫状石墨铸铁比球墨铸铁寿命更佳。表1一l列出不同材质钢锭模使用寿命经济效益。表1一l不同材质钢锭模的使用寿命及经济效益有些工厂向铸铁中加入5％以下的废钢也对提高模子寿命有利。另外有些工厂通过消除应力的退火处理发现，退火处理对钢锭模初期开裂有效，而对龟裂无效。目前围绕钢锭模工作面改性方面只是在内表面喷涂涂料开展了研究工作，美国专利(3212145)提出一种可以防止

7、和限制浇注过程中将氧气带入钢内的涂料，从而改善TO]锭的表面和内部质量。这种涂层是41—44％的冰晶石、28—29％六氯乙烷、12一13％的糖蜜和水的混合剂，效果很好。使用这种涂层，钢锭表面质量和结疤废品率平均可降fff：O．8—1．1％。前苏联马钢生产后板坯钢锭模和底板采用34．8％石墨粉、4．O％耐火泥、61．2％水玻璃(密度1．16t．m-3)等组成的涂料，涂料是用专用设备喷上去的，包括搅拌器、泵、及用压缩空气(压力4—6大气压)雾化涂料的喷嘴，涂料消耗为0．45kg／t，涂层厚度模子上部为0．1mm，下部和底部为0．5