摘 要

沉没辊筒铸件的质量及使用寿命，直接影响钢板热浸镀铝生产线的质量、成本与效率，对热浸镀铝钢板的质量和生产率起着关键作用。随着工业铸件生产的不断进步，基于成本与性能的综合考虑，目前沉没辊筒铸件主要采用灰铁材质，灰铁用量广泛，价格低廉，有良好的铸造、切削性能，耐磨性好，符合工业铸件的要求。

因此，课题组所研制的新型合成灰铁材质是否能够具有良好的耐铝液浸蚀的能力，是一个亟待解决的问题。本课题拟研究合成灰铸铁材质的耐Al-10%Si合金熔体腐蚀性能，以为沉没辊筒铸件的材质选择及应用提供重要的参考依据。

按照研究方案，确定合成灰铁成分，准备原材料，通过生铁加废钢增碳处理熔炼制备合成灰铁铸态试件，部分试样进行正火（900℃）热处理。加工试件后在680℃下的Al-10%Si合金熔体中进行热浸实验，利用金相显微镜、布氏硬度计、电子探针等仪器，对试样金相组织、力学性能和化学成分进行分析，分析合成灰铁耐铝液腐蚀的能力。热浸后的试样组织中形成了合金层，基体中片状石墨和合金层的存在有效的阻止了铝原子的扩散。铝液在灰铁中的腐蚀机理是由于铝原子在基体中的扩散，灰铁中含大量片状石墨，减缓了铝原子的扩散，从而减缓了腐蚀速率，基体中石墨细小且分布均匀抵抗铝液腐蚀有较大帮助，对灰铁耐铝液性能的探讨对实际生产中提高铸造质量、降低成本具有指导意义。

关键词：沉没辊筒，合成灰铁，合金层，片状石墨，耐铝液腐蚀

Abstract

The quality and service life of submerged roller castings directly affect the quality, cost and efficiency of hot-dip aluminized steel production line, and play a key role in the quality and productivity of hot-dip aluminized steel sheets. With the continuous progress of industrial castings production, based on the comprehensive consideration of cost and performance, the sinking roller castings are mainly made of gray iron, which is widely used and cheap. It has good casting and cutting performance, good wear resistance and meets the requirements of industrial castings.

Therefore, whether the new synthetic gray iron material developed by our research group has good corrosion resistance to liquid aluminium is an urgent problem to be solved. In order to provide an important reference for material selection and application of sinking roller castings, the corrosion resistance of synthetic gray iron to Al-10%Si alloy melt is studied in this paper.

According to the research plan, the composition of synthetic gray iron is determined, raw materials are prepared, as-cast samples of synthetic gray iron are prepared by adding pig iron and scrap steel to carburize, and some samples are normalized (900 C) heat treated. Hot dipping experiments were carried out in melt of Al-10%Si alloy at 680 ~C after processing. The metallographic structure, mechanical properties and chemical composition of samples were analyzed by means of metallographic microscope, Brinell hardness tester and electron probe, and the corrosion resistance of synthetic gray iron to liquid aluminium was analyzed. The alloy layer was formed in the sample after hot dipping. The existence of flake graphite and alloy layer in the matrix effectively prevented the diffusion of aluminum atoms. The corrosion mechanism of molten aluminium in gray iron is due to the diffusion of aluminium atoms in the matrix and the large amount of flake graphite in gray iron, which slows down the diffusion of aluminium atoms, thus slowing down the corrosion rate. The fine and uniform distribution of graphite in the matrix is of great help to resist the corrosion of molten aluminium. The discussion of the properties of molten aluminium resistance of gray iron has guiding significance for improving the casting quality and reducing the cost in practical production.

Key Words: Sunk roller, Synthetic gray iron, Alloy layer, Flake graphite, Corrosion resistance to liquid aluminium

目录

摘要 I

Abstract II

第一章（绪论） 1

1.1研究背景及意义 1

1.2合成灰铁概述 1

1.2.1合成灰铁的发展及应用 1

1.2.2合成灰铁的成分与性能 2

1.3耐铝液腐蚀的材料及应用的研究现状与进展 3

1.4研究目的与主要内容 5

1.5选题对社会与环境的意义 5

第二章 试验材料与方法 6

2.1 合成灰铁的制备 6

2.1.1 实验材料及设备 6

2.1.2 确定合成灰铁化学成分及熔炼工艺 6

2.1.3 热处理及孕育处理 8

2.2 热浸泡实验设计及试验过程 9

2.2.1热浸泡时间与温度 9

2.2.2试样的准备工作 9

2.2.3浸泡试验过程 9

2.3 热浸试样的组织和性能分析方法 10

2.3.1硬度测试 11

2.3.2金相分析 11

2.3.3电子探针 12

第三章 试验结果与分析 13

3.1 试样的化学成分 13

3.2 试样浸泡试验的金相组织分析 13

3.3 试样浸泡前后的力学性能分析 16

3.4 EPMA分析及腐蚀机理讨论 17

第四章 结论 20

参考文献 21

致谢 22

附录 23

第一章（绪论）

1.1研究背景及意义

热浸镀铝技术是当前防止金属材料在自然环境中腐蚀的最经济有效的防护技术之一^[1]。在制备热浸镀铝钢板的工业生产 ，沉没辊筒等设备都浸入液体铝制浴池中，长期与熔融金属铝液接触，由于大面积腐蚀而频繁更换，导致时间和金钱的浪费。有文献表明，可设计更好的耐腐蚀性的新材料来制造部件，但是，必须在耐腐蚀性和成本上达成平衡。

因此，沉没辊筒铸件的质量及使用寿命，直接影响钢板热浸镀铝生产线的质量、成本与效率，对热浸镀铝钢板的质量和生产率起着关键作用。目前沉没辊筒材料大多采用进口，不仅费用高昂，而且耐铝液腐蚀性能得不到保障。合成灰铁主要由废钢加增碳剂增碳熔炼得到，成本较低且耐铝液腐蚀性能较好，所以基于成本与性能的综合考虑，本次课题的沉没辊筒铸件采用合成灰铁材质。

铸铁含碳量较高（为2.7%~4.0%），可看作是碳钢基体加片状石墨。灰铁通常是指断面呈灰色，其中的碳主要以石墨形式存在的铸铁。在灰铁跟铝液接触过程中，铁在液态铝中扩散形成了铁铝金属间化合物层，即合金层，但是在灰铁中，存在大量的片状石墨，有效的阻截了铝原子的扩散，减缓了合金层的形成速率，减少了合金层厚度，使铸铁表现出良好的耐铝液腐蚀性能^[2]。当然，并不是含碳量越高越好。石墨间距过大，不利于片状石墨对铝原子的扩散的阻碍。并且石墨含量太多时，灰铁的抗氧化和抗高温能力明显下降。只有当石墨含量适中时，石墨细化分布均匀才最为有效。

灰铁的生产成本很低。各种灰铁牌号的性能可以针对特定应用进行优化，如机稳性、耐水腐蚀、延展性、振动吸收性或液体铝的耐腐蚀性^[3]。

液态铝对灰铁的腐蚀尚未得到广泛的研究。在这种环境中研究的大多数灰铁都是铬、钼或硅含量高的热大气腐蚀等级。

本课题拟研究新型合成灰铁材质的耐Al-10%Si熔体腐蚀的能力。通过热浸泡试验，分析耐腐蚀的因素，为沉没辊筒铸件材质的选择及应用提供重要的参考依据，提高沉没辊筒的使用寿命，降低生产成本，为企业带来更高的收益。

1.2合成灰铁概述

1.2.1合成灰铁的发展及应用

灰铁一般是指含碳量大于2.11%或组织中具有共晶结构的一类铁-碳合金，实际上灰铁是以铁-碳-硅为主的多元合金。具有低的缺口敏感性、优良的减振性、高的耐磨性和良好的铸造及切削性能。在机械工业、采矿业、石油加工、建筑桥梁和国防等部门中得到广泛应用。比如：按重量计算，在农业机械中灰铁件中占40%~60%，在汽车、拖拉机中灰铁件中占50%~70%，在机床和重型机械中灰铁件中占60%~90%^[4]。随着技术生产的进步和新材料的开发，各种性能优良的灰铁和具有特殊功能的灰铁还可以代替部分贵重的合金钢和有色金属材料。灰铁是具有片状石墨特征的铸铁，是目前工业生产中应用最广泛的铸铁，其产量占铸铁总产量的80%以上^[5]。

近年来，随着灰铁的不断发展，生产力度的持续加大，生铁资源日益紧缺，价格不断上升。面对这个趋势，许多铸铁件生产厂家开始减少生铁的使用量，添加废钢和合金钢，改变灰铁化学成分，在电炉中使用增碳剂进行增碳熔炼合成灰铁，这种增碳处理生产的合成灰铁成本大大降低^[6]。并且与只加生铁熔炼的灰铁相比，合成灰铁的力学性能、铸造性能和使用性能都有了较大提升。在合成灰铸铁技术不断发展过程中，废钢加入量越来越大，从最初的30%，到现在的80%。合成灰铁的成本跟性能都得到了进一步的改善。合成灰铁不仅使废料变废为宝，节约资源，实现绿色生产，还提高了灰铁件的性能。

在机械制造、汽车生产和建筑行业日益蓬勃发展的今天，我国仍然面临着经济效益差、铸铁件质量低，能源、材料消耗高、环境污染等问题^[7]。因此，必须加快生产高收益、高技术含量的优质合成灰铁铸件。目前，随着工业的高速发展，市场上出现了大量优质废钢，增碳剂等原料的生产也逐步扩大，具备电炉等条件的铸造企业都在考虑使用废钢生产合成灰铁铸件的方法。合成灰铁技术在现在以及未来必将得到广泛推崇。

1.2.2合成灰铁的成分与性能

灰铁含碳量较高（2.7%~4.0%），主要成分有铁、碳、硅、锰、硫、磷，是目前应用最广泛的铸铁。金属基体和片状石墨构成了灰铁的金相组织。金属基体主要有铁素体、珠光体及珠光体与铁素体的混合组织三种，石墨片以不同数量、大小、形状分布于基体中。灰铁中的金属基体与碳钢相比基本相似，但由于灰铁内的硅、锰含量与碳钢相比较高，它们能溶解于铁素体得到强化。因此，灰铁中就金属基体而言，其本身强度比碳钢的要高。而且片状石墨的存在，使灰铁具有阻碍外来原子扩散的能力，耐腐蚀性能优良。

合成灰铁中加入了大量废钢和合金钢，成分组成与传统的灰铁有很大不同。本课题使用的新型合成灰铁除了六种主要元素成分外，还添加了部分合金元素，包括Ni、Cr、Cu、Mo、RE（轻稀土Ce、La）等，可以细化石墨和珠光体，提高灰铁的耐磨性和力学性能。比如添加Cr和Cu会提高灰铁的强度，但往往会降低其机械加工性能；硅和磷能有效地促进石墨化，但因为磷共晶的危害，通常将磷含量控制在0.2%以下^[8]；硫的存在容易产生晶间渗碳体，加剧白口化，恶化铸造、切削性能以及机械性能，原则上S越少越好。但因为大部分的铸造原材料中都含有硫，很难做到100%消除。本试验C的质量分数控制在3.1%~3.33%之间，磷含量控制在0.015%~0.06%之间，硫含量在0.015%~0.03%之间，比普通灰铁磷硫含量要低。

在合成灰铁组织中，金属基体与石墨是决定灰铁性能的两个主要因素。一般来说，石墨是这两个因素中的主要方面。生产实践表明，合成灰铁不仅能降低成本，而且能显著提高铸件强度，改善性能。合成灰铁比普通灰铁具有更优良的性能，具体性能如下。

（1）力学性能：抗拉强度较高，硬度略低于普通灰铁。增碳处理增加了铁水中的晶核数量，有利于石墨形核生长，使得石墨化更加完全，而且熔炉内不添加碳化促进元素，使游离渗碳体减少，因此合成灰铁与普通灰铁相比，白口倾向更小^[9]，合成灰铁的强度提高，硬度降低，其铸件本体硬度更加均匀，导致合成灰铁的壁厚敏感性小；

（2）铸造、切削性能良好：用废钢加增碳剂熔炼合成灰铁 ，在灰铁凝固过程中有利于石墨形核，可获得细小片状石墨，而且石墨变得短小而均匀，更利于切削。合成灰铁不易形成集中缩孔和分散缩孔，铸件生产容易控制、质量稳定，可以获得更为精良的铸件^[10]；

（3）收缩倾向减少：生铁中含有很多粗大的过共晶石墨，这些石墨具有遗传性，熔炼过程中很难被消除，减弱了铁液在凝固过程中石墨化析出的膨胀作用。加强了铁液在凝固过程中的收缩倾向^[11]。合成灰铁使用废钢和增碳剂增碳的工艺，碳原子的扩张速度加快，增碳速度加快，提高了铁液的石墨化能力，反而使铁液的收缩性变小，减小了铸件产生缩松的倾向，同时减少了冒口和冷铁的使用，铸造工艺的设计变得更加简单，使工人容易操作，从而降低了铸件废品率；

（4）工艺性能：在碳含量相同的情况下，因为铁液纯度高，杂质少，与普通灰铁铁液相比较，合成灰铁铁液流动性稍好，线收缩率、体收缩率以及铸造应力与普通灰铁铁液相近。同一型号铁液合成灰铁的碳含量比普通灰铁铁液含量高出0.2%~0.5%，因此可以说合成灰铁的铸造工艺性能较好。

1.3耐铝液腐蚀的材料及应用的研究现状与进展

液态金属的腐蚀在冶金，化学，制造业和其他领域广泛发生^[12]。每年，近20％的钢材被液态金属侵蚀，导致全球损失数十亿美元^[13]。铝及其合金是应用最广泛的一类有色金属结构材料，在机械制造、汽车、航天航空及化学工业中以大量使用。但铝液的腐蚀性极强，在铸造和热浸镀铝生产中对直接接触的材料造成腐蚀，大大降低了材料的使用寿命。它发生在许多场合，包括电解铝生产，热浸镀铝和热锻。其中，由于Al或Al合金的广泛应用以及Al对Fe的高化学亲和力，熔融铝的腐蚀引起了越来越多的关注因此，探讨不同材料耐铝液腐蚀性能，提高铸件的使用寿命，降低成本，均具有现实意义。

研究人员对不同材料在铝液中的腐蚀行为作了大量研究。比如石墨在高温下只与铝液发生细微反应，对铝液具有足够的抵抗能力，然而石墨强度差，价格高，不适合工厂大规模使用，主要应用于实验室；钛合金与铝液接触形成TiAl₃合金层，钛在铝液中的溶解度很低，其在铝液中达到饱和后阻止钛的进一步溶解，结果表明钛合金具有较好的耐铝液腐蚀性能，然而钛合金成本也较高，主要用于飞机制造和医疗行业；灰铁中含大量石墨，耐铝液腐蚀性能也十分优良，而且灰铁的生产成本低廉，在铸造领域和试验室都能得到广泛使用。本课题将对灰铁的耐铝液腐蚀性能进行进一步的研究，分析灰铁的耐铝液腐蚀机理和新型合成灰铁耐铝液腐蚀的能力，为沉没辊筒铸件材质原则作出重要依据，为企业创造更高的收益。

众多研究和实践证明，灰铁和熔融金属的腐蚀是一种机械-物理化学的过程，涉及溶解，扩散，液体跟固体的反应，磨损以及它们之间的相互作用^[14]。灰铁在铝液中腐蚀，是因为铝原子扩散到铁基体中形成铁铝金属间化合物层，即合金层，进而脱落和溶解，造成灰铁的腐蚀^[15]。灰铁表面的合金层脱落和溶解后，会露出新的金属，再次与铝液接触形成新的合金层，不断的腐蚀下去。但由于灰铁中含有大量片状石墨，石墨稳定性高，即使在高温下也只与铝液发生细微的反应，所以，灰铁中的石墨在很大程度上可以缓解灰铁在熔融铝液中的腐蚀速率，该作用于与石墨数量和形态都有关系^[16]。

石墨形态是影响合成灰铁耐铝液腐蚀性能的最主要因素，交织成网状结构的片状石墨对铝原子的扩散有着最强的阻碍作用^[17]，在灰铁表面形成的石墨、碳化物和Fe-Al金属间化合物层提高了灰铁的耐铝液腐蚀性能。在合成灰铁中添加合金元素，有助于获得均匀分布的细小片状石墨，提高耐腐蚀性能。例如张友寿等人在灰铁中添加质量分数为0.8%~1.6%的硅和0.3%~0.9%的铜，增加了石墨的均匀程度和珠光体的细小程度、均匀程度和数量，使基体表面与铝液接触时形成完整而致密的石墨与铁铝化合物层，堵塞铝向基体渗入的“通道”，从而降低腐蚀速度^[18]。因此，能够稳定石墨形态，是耐铝合成灰铁成分设计的原则。

1.4研究目的与主要内容

为了减少能源损耗，符合绿色生产的理念，降低生产成本，为企业带来更高的收益，本课题拟研究新型合成灰铁材质的耐Al-10%Si合金熔体腐蚀的能力，分析耐铝液腐蚀的因素，为沉没辊筒铸件的材质选择及应用提供重要的参考依据，提高沉没辊筒的使用寿命，增加企业效益。

本次研究的主要内容有：

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