摘要:對高鉻鑄鐵葉片材質進行了系統的實驗室研究和裝機試驗,確定了碳和鉻對相結構、組織、力學性能和耐磨性能的影響及其相互關系,得出較佳的高鉻鑄鐵成分,所制成葉片使用壽命比原中鉻鑄鐵、高碳高鉻鑄鐵提高6倍。本文由青島鑄造機械廠整理
關鍵詞:高鉻鑄鐵;葉片;耐磨性能;使用壽命

1引言

葉片是廣泛用于鑄件清理、軋輥毛化的拋丸處理機的關鍵零件,其工況條件要求其具有良好的耐磨性和足夠的韌性[1~3],國內外常用拋丸機葉片材質有兩種:低鉻白口鑄鐵和高鉻鑄鐵。文獻[4]指出高鉻鑄鐵激冷葉片的使用壽命比低鉻白口鑄鐵葉片要高出數倍,高鉻鑄鐵中備受重視的牌號是Cr15Mo3,性能優良,但含昂貴的鉬。上海工業大學以Cu、Mn代Mo,開發出Cr15MnCu高鉻鑄鐵作為葉片材質[4],對開發其它不含Mo元素,成分簡單的高鉻鑄鐵葉片有著重要的實際意義。本工作研究高鉻鑄鐵中主要元素C、Cr對其相結構、組織、力學性能、耐磨性能的影響規律,測定在裝機條件下不同含碳量高鉻鑄鐵葉片的使用壽命,為無Mo高鉻鑄鐵葉片材質的合理選定提供依據。

2試驗材質

設計了9種不同成分的高鉻鑄鐵,用50kg中頻感應爐冶煉,其化學成分見表1。
表1試驗材料的化學成分(質量分數,%) 3試驗方法

3.1化學相分析方法

用鹽酸甲醇體系電解液,在低溫條件下電解,對析出相進行X射線衍射,鑒定碳化物相組成。電解殘渣以硫酸冒煙后加硝酸分解制備成析出相溶液,較后以過硫酸銨氧化溶量法測定。
3.2光學顯微鏡、掃描電鏡及圖象儀分析

用Jenaphot2000型顯微鏡進行顯微組織分析。用X650掃描電鏡進行Cr微區成分分析。用半自動圖象儀測定K(碳化物)面積和寬度,每個試樣測定5點,取平均值,利用Mardeay關系式:碳化物數量K%=12.33x[C%]+0.55x[Cr%]-152%,計算K含量。

3.3沖擊磨料磨損試驗

在MLD10型沖擊磨料磨損試驗機進行,沖擊功2.0J,沖擊頻率150次/min,時間120min,磨料10/20目、20/40目精制石英砂,磨料流量30kg/h,下試樣材質U71Mn,39~41HRC。試驗程序:預磨30min清洗、稱重磨損試驗120min清洗、稱重計算失重。

3.4力學性能的測定

用HR150A測定硬度(HRC)。用NV2顯微硬度計測量顯微硬度。沖擊韌性檢驗采用直接澆注成20mm!100mm的鑄造試樣,按GB6296-86檢驗,由于試樣的尺寸及形狀的影響,沖擊韌性值要高于標準無缺口試樣的沖擊韌性值。
抗彎強度試樣為30mm!330mm的棒體,澆注后經清砂處理、切割冒口和砂輪機打磨,不加工直接在試驗機上進行檢驗。抗拉試樣是從楔形試樣上線切割下毛坯樣,然后加工而成。試樣平行部位的直徑為16mm,以4mm/min的速度進行拉伸,直至試樣拉斷。
3.5裝機試驗

用型號為QZG20P的拋丸處理機,葉片尺寸為162mm!105mm!20mm,每組8片,以尖角形銳利鋼砂作為拋丸的彈丸,對不同含碳量高Cr鑄鐵葉片進行磨損和壽命試驗。

4試驗結果與分析

4.1高鉻鑄鐵的顯微組織

以E2為基礎對比試樣,其鑄態顯微組織為奧氏體和共晶體組成的亞共晶組織,見圖1a。初生奧氏體以樹枝狀生長,共晶體在奧氏體枝晶間凝固而成為網狀分布。從圖1b中可見到共晶體是由共晶奧氏體及其轉變產物和共晶碳化物所組成,先凝固的共晶奧氏體一方面和初生奧氏體連接起來,另一方面把后凝固的共晶碳化物分隔開來,圖中的初生奧氏體未發生轉變,而共晶奧氏體已轉變。共晶碳化物以斷續網狀分布,以半孤立質點形態分布在金屬基體之間。構成了高鉻鑄鐵不同于其它白口鑄鐵的組織上的主要特征。高鉻鑄鐵另一組織特征是基體在常溫下主要以奧氏體形態存在,隨化學成分的變化促使奧氏體的穩定性改變,在碳化物周邊共晶奧氏體轉變比較充分。四種不同鉻含量的高鉻鑄鐵的顯微組織的特點
見表2。
(a)初生奧氏體樹枝狀晶+共晶體400x

(b)斷續網狀共晶碳化物800x

圖1典型的高鉻鑄鐵(2.026%C,15.77%Cr)顯微組織
表 2四種不同鉻含量的高鉻鑄鐵組織特點
組織中碳化物數量、形貌及分布受到C、Cr含量的影響。當固定碳改變鉻含量或固定鉻改變碳含量時,碳化物數量都發生明顯變化。用半自動圖象儀測定碳化物面積和寬度,同時用經驗公式計算碳化物含量,結果見表3。數據表明:隨著碳、鉻含量的增加,碳化物的數量增加,而碳的影響更為明顯。
表3碳鉻含量對碳化物數量和尺寸的影響
4.2鉻在高鉻鑄鐵中分布


鉻主要是固溶在奧氏體和富集在鉻碳化物中,少量分布在其它類型的碳化物和夾雜物中,鉻在各組成相中的分布影響著奧氏體的穩定性、碳化物的類型和數量等。
表4為化學相分析確定鉻在固溶相和析出相中的宏觀分配情況。數據表明:保持碳或鉻含量不變時,鉻在兩相中的分配保持穩定。固定碳含量(約2.0%),隨著鉻含量增加(10%~25%),碳化物微區成分中的鉻提高,鉻在析出相中的含量增加。固定鉻量(約16%),析出相的數量與碳含量增加成正比。鉻在析出相中總量的增加,在固溶相中的含量減少,從而降低了奧氏體的穩定性。
用電鏡對9個不同成分試樣進行鉻微區成分分析,取其平均值,結果見表5。數據表明,各相之間鉻的微區成分存在著差異。初生奧氏體中固溶的鉻含量普遍略高于共晶奧氏體的鉻含量,使得共晶奧氏體穩定性略低于初生奧氏體。高鉻鑄鐵中鉻量保持相對穩定時,隨碳含量的變化鉻在區域中的平均成分保持不變,卻改變了鉻在各相中的微區分布,因碳量的增加,形成鉻的碳化物數量增多,共晶碳化物中鉻的含量顯著減少,奧氏體中的鉻的含量隨碳量的增加略有降低。
4.3碳、鉻對高鉻鑄鐵力學性能的影響
4.3.1碳、鉻對硬度的影響

隨鉻含量的增加,奧氏體更趨穩定,甚至共晶奧氏體轉變成馬氏體的數量也在減少,因而硬度隨鉻量增加呈下降趨勢。另外鉻量的增加也導致組織中共晶碳化物數量有所增加,使得硬度呈上升趨勢,因此硬度變化受這兩種因素的疊加作用。在相同冷卻速度下,當基體主要為奧氏體時,鉻對硬度的影響不大,見圖2。

碳對高鉻鑄鐵硬度的影響見圖3。在相同的冷卻速度和鉻含量條件下,隨碳含量的增加,硬度呈線性提高,如碳含量為1.387%,硬度為40HRC,碳含量為2.798%時,硬度為51HRC,相當于碳含量每增加0.1%,硬度提高0.78HRC。這是由于組織中碳化物數量增加的緣故。接近共晶成分時,這種影響就基本消失。因此在Cr15系列高鉻鑄鐵中,要保持高硬度,碳含量選擇在2.8%左右即可,如繼續提高碳含量,硬度非但不能提高,反而會使其它性能急劇惡化。
表4高鉻鑄鐵中鉻的化學相分析結果
圖3碳含量對高鉻鑄鐵硬度的影響
表5高鉻鑄鐵中鉻的微區成分分析結果
表6碳、鉻對高鉻鑄鐵鑄態強度的影響
圖4鉻含量對常溫沖擊韌性的影響圖
圖5碳含量對常溫沖擊韌性的影響
4.3.2碳、鉻對強度的影響

當碳含量約為2.0%時,表6數據表明,鉻含量從10%增加至20%,強度相應提高至峰值,但繼續增加鉻含量,強度有所下降。高鉻鑄鐵中的含碳量對強度的影響是十分敏感的,隨碳含量的增加,強度呈直線下降。

4.3.3碳、鉻對室溫沖擊韌性的影響
在高鉻鑄鐵中,固定其它各元素,變化鉻含量,當碳為2.0%、鉻含量為20%左右時,可獲得較好的沖擊韌性,圖4為鉻對室溫沖擊韌性的影響。
碳對沖擊韌性影響較為明顯,在15%Cr系高鉻鑄鐵中,隨碳含量的增加,沖擊韌性降低,幾乎呈直線關系。其主要原因是隨碳含量的增加,組織中碳化物量增加,從而增加了高鉻鑄鐵的脆性,降低其沖擊韌性,見圖5

4.4碳、鉻對耐磨性的影響

圖6表明:隨鉻含量的增加,其耐磨料磨損性有所下降。這主要是由于隨著鉻含量的提高,鑄造性能下降組織疏松增多的緣故。圖7表明:碳含量<2.8%時,組織中K%較少;碳含量>28%時,硬度變化不大,但沖擊韌性下降;碳含量在2.8%左右時,耐沖擊磨料磨損性較高。
圖6鉻對沖擊磨料磨損耐磨性的影響

圖7碳對沖擊磨料磨損耐磨性的影響
4.5裝機試驗

4.5.1葉片裝機磨損試驗

取不同含碳量的高鉻鑄鐵鑄態葉片進行跟蹤裝機試驗,對比其磨損情況,結果見表7。數據表明,隨著含碳量的增加,葉片的磨損率減少,即從65385g/h降至1.6057g/h,即耐磨性增加。但當含量高至約3.5%時,葉片的磨損率明顯增加至95238g/h,即耐磨性明顯降低。可見過高和過低的含碳量都對葉片耐磨性不利。
表7葉片磨損分析表
4.5.2葉片使用壽命分析
原用材料和不同含碳量的高鉻鑄鐵葉片,裝機使用壽命對比結果見表8。數據表明,3.0Cr16高鉻鑄鐵葉片使用壽命較原用高碳高鉻鑄鐵和中鉻鑄鐵提高6倍多。


表8高鉻鑄鐵葉片與原材質裝機使用結果對比

5結論

(1)高鉻鑄鐵中Cr<10%只能得到珠光體組織,Cr>10%保證冷卻中奧氏體的穩定性。在鑄態冷卻條件下,可獲得奧氏體為主的多相組織,碳化物中的Cr>38%,形成(CrFe)7C3類型的碳化物,以斷續孤立形態分布在奧氏體基體中,極大改善高鉻鑄鐵的韌性。
(2)沖擊磨料磨損試驗和裝機磨損的數據表明:碳含量過低時,碳化物數量少,硬度較低,耐磨性不高;碳含量過高時,達到近共晶或共晶成分,因成分不均勻可出現一定量初生碳化物,使韌性變壞,導致耐磨性降低。
(3)試制的3.0Cr16的高鉻鑄鐵葉片使用246h后尚可繼續使用,而原用高碳(3.6%C)高鉻鑄鐵葉片36h即行報廢,使用壽命提高了6倍。

參考文獻:

[1]蘇俊義,賈育丁,汪鋒拋丸葉片磨損失效分析磨損失效案例選編[M].北京:機械工業出版社,1985,290~296.
[2]孫家樞,楊為慈拋丸機葉片磨損失效分析磨損失效案例選編[M].北京:機械工業出版社,1985,297~304.
[3]仝健民材料耐磨性的系統特性和磨損機制的轉化研究[J].鋼鐵,1995,30(4):46~51.
[4]張培林高鉻鑄鐵拋丸機葉片的研究[J].機械工程材料,1988,12(2):43~47.31賀同正,等:高鉻鑄鐵葉片材質研究