摘要（yào）:對高鉻鑄鐵葉片（piàn）材質進行了（le）係統的實（shí）驗室研究和裝機試驗,確（què）定了碳和（hé）鉻對相結構、組織、力（lì）學性能和耐磨性能的（de）影響及其相互關（guān）係,得出較佳的高鉻鑄鐵成分,所製成葉（yè）片使（shǐ）用（yòng）壽命比原中鉻鑄鐵、高碳高鉻鑄鐵提高6倍。本文由（yóu）青島鑄造機（jī）械廠整（zhěng）理
關鍵詞:高鉻鑄（zhù）鐵;葉片;耐磨性能;使用壽命
1引言
葉片是廣泛用於鑄件清理、軋輥（gǔn）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（guó）內外常用拋丸機葉片材質有兩種:低鉻白口鑄鐵（tiě）和（hé）高鉻鑄鐵。文（wén）獻[4]指出高鉻鑄鐵激冷葉片的使用壽（shòu）命比低鉻白口鑄鐵（tiě）葉（yè）片要高出數倍,高鉻鑄鐵（tiě）中備（bèi）受重視（shì）的牌號是Cr15Mo3,性能優良,但含（hán）昂貴的鉬。上海工業大學以Cu、Mn代Mo,開發出（chū）Cr15MnCu高鉻鑄鐵作為葉片材質[4],對開發（fā）其（qí）它不含（hán）Mo元素（sù）,成分簡單的高鉻鑄鐵葉片有著重要的實際意義。本工作（zuò）研究高鉻（gè）鑄鐵中主要元素C、Cr對其相結構（gòu）、組織（zhī）、力學性能、耐磨性（xìng）能的影響規律,測定在裝機條件下不同含碳量高鉻鑄鐵（tiě）葉片的使（shǐ）用壽命,為無Mo高鉻鑄鐵葉片材質的合理選定（dìng）提供依據。
2試驗材質
設計（jì）了9種不同成分的高鉻鑄（zhù）鐵,用50kg中頻感應爐冶煉,其化（huà）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（tǐ）係電解（jiě）液,在低溫條件下（xià）電解,對析出相進行X射線衍射（shè）,鑒定碳化物相組成。電（diàn）解殘渣以硫酸冒煙後加硝酸分解製備成析出相溶（róng）液,較後以過硫酸銨氧化溶量法測定。
3.2光學顯微鏡（jìng）、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（jìn）行（háng）Cr微區（qū）成分分析。用半自動圖象儀測定K(碳化物)麵積和寬度,每個試樣測定5點（diǎn）,取平均（jun1）值,利用Mardeay關（guān）係式:碳化物數量K%=12.33x[C%]+0.55x[Cr%]-152%,計算K含（hán）量。
3.3衝擊磨（mó）料磨損試驗
在MLD10型衝擊磨料磨損試驗機進行,衝擊功2.0J,衝擊頻率（lǜ）150次/min,時間120min,磨（mó）料（liào）10/20目、20/40目精製石英砂,磨料流量30kg/h,下試樣材（cái）質U71Mn,39~41HRC。試驗程序:預（yù）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（cè）定（dìng）
用HR150A測定硬度（dù）(HRC)。用NV2顯微硬度計測量顯微硬度。衝擊（jī）韌性檢驗采用直接澆注成20mm!100mm的鑄造（zào）試樣,按（àn）GB6296-86檢驗,由於試樣的尺（chǐ）寸及形狀的影（yǐng）響,衝擊韌（rèn）性值要（yào）高（gāo）於標準無缺口試樣的衝擊韌性值。
抗彎強度試樣為30mm!330mm的棒體,澆注後經清砂處理、切割冒口和砂輪機打磨,不加工直接在試驗機上進行（háng）檢驗（yàn）。抗拉試樣是（shì）從楔形試樣上（shàng）線切割下毛坯樣,然後加工而成。試樣平行部位的直徑為（wéi）16mm,以4mm/min的速度進行拉伸,直至試樣（yàng）拉斷。
3.5裝機試驗
用型號為QZG20P的拋丸（wán）處（chù）理機,葉片尺寸為162mm!105mm!20mm,每組8片,以尖（jiān）角形銳利鋼砂作為拋（pāo）丸的彈（dàn）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（yàng）,其鑄態顯微組織為奧氏體和共晶（jīng）體組（zǔ）成的亞共晶組織,見圖1a。初生奧氏體以樹枝狀生長,共晶（jīng）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（jīng）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（ào）氏體一方麵和初生奧氏體連接起來,另一方麵把後凝（níng）固的共晶（jīng）碳化物分隔開來,圖中（zhōng）的（de）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（yǐ）半孤立質點形態分布在金屬基體之間。構成了高鉻（gè）鑄（zhù）鐵（tiě）不同於其它白口鑄鐵的組織上的主（zhǔ）要特征。高（gāo）鉻鑄鐵另（lìng）一組織特（tè）征是基（jī）體在常溫下主要以奧氏（shì）體（tǐ）形態存在,隨化學成分（fèn）的變（biàn）化促使奧氏體（tǐ）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（zǔ）織的特點
見表2。
(a)初（chū）生奧氏體樹枝狀晶+共晶體400x
(b)斷續網（wǎng）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（zhī）特點
組織中碳化物數量、形貌及分布（bù）受到C、Cr含量的影響。當（dāng）固定碳（tàn）改變（biàn）鉻含量或固定鉻改變碳含量時,碳化物數量（liàng）都發生明（míng）顯變（biàn）化（huà）。用半自動圖象儀測定碳化物麵積和寬度,同時用經驗公式計算碳化物含量（liàng）,結果見表3。數據表明:隨著碳、鉻含量的增加,碳化物的（de）數量（liàng）增加,而碳的影響（xiǎng）更為（wéi）明顯。
表3碳鉻含量對碳化物數量（liàng）和尺寸（cùn）的影響
4.2鉻在高鉻鑄鐵中分布
鉻主要是（shì）固溶在奧氏體和（hé）富集在鉻碳化物中,少量（liàng）分布在其它（tā）類型的碳化物和（hé）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（fèn）配情況。數據表明:保持碳（tàn）或（huò）鉻含量（liàng）不變（biàn）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（xī）出（chū）相中的含量增加。固定（dìng）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（de）增加,在固溶相中的含量減少,從而降低了奧氏體的穩定性（xìng）。
用電鏡對9個不（bú）同（tóng）成分（fèn）試樣（yàng）進行鉻微區成（chéng）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於共晶奧氏體的鉻含（hán）量,使得共晶奧氏體穩定（dìng）性略低於初生奧氏（shì）體。高鉻鑄（zhù）鐵中鉻量保持相對穩定時（shí）,隨碳含量的（de）變化鉻在區域中的平均成分保持不變（biàn）,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（wù）數量增多,共晶碳化（huà）物中鉻的含量顯著減少,奧氏體中（zhōng）的鉻的含量隨碳量的增加略有降（jiàng）低。
4.3碳、鉻對高（gāo）鉻鑄鐵力學性能的影響
4.3.1碳、鉻對硬度的影響（xiǎng）
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（gè）量增（zēng）加呈下降（jiàng）趨勢。另外鉻量的增加也導致組織中共晶碳化物數量（liàng）有所增加,使得硬度呈上升（shēng）趨勢,因此硬度變化受這兩（liǎng）種因素的疊（dié）加作用。在相同冷卻速度下,當基（jī）體主要為（wéi）奧氏體時,鉻（gè）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（zài）相同的冷卻速度和鉻含量條件（jiàn）下,隨碳含量的增加,硬度呈線性提（tí）高,如碳含量為1.387%,硬度為40HRC,碳含（hán）量為2.798%時（shí）,硬（yìng）度（dù）為51HRC,相當於碳（tàn）含量每增加0.1%,硬度提高0.78HRC。這是由（yóu）於組（zǔ）織中碳化（huà）物數量（liàng）增加的緣故。接近共晶成分時,這種影響就基本消失。因此（cǐ）在Cr15係列高鉻鑄鐵中（zhōng）,要保持高硬（yìng）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（dàn）不能提高,反而會使其它性能急（jí）劇惡化（huà）。
表4高鉻鑄鐵中鉻的化學相（xiàng）分析結（jié）果
圖3碳含量對高鉻鑄鐵硬度（dù）的影（yǐng）響
表5高鉻（gè）鑄鐵中鉻的微區成分（fèn）分析結果
表6碳、鉻對高鉻（gè）鑄鐵鑄態強度的影響
圖（tú）4鉻含量對常溫衝擊韌性的（de）影響圖
圖5碳含量對常（cháng）溫衝擊韌性的影響
4.3.2碳、鉻對強度的影響
當碳含量約為2.0%時（shí）,表6數據表明（míng）,鉻含量從10%增加至20%,強（qiáng）度（dù）相應提（tí）高（gāo）至峰值,但繼續增加鉻含（hán）量（liàng）,強度有所下降。高鉻（gè）鑄鐵中的含碳（tàn）量對強度的影響是十（shí）分敏感的,隨碳含量的增加,強度呈直（zhí）線下降。
4.3.3碳、鉻對室溫衝擊韌性的影響
在高鉻鑄鐵中,固定其它各元素,變化鉻含量（liàng）,當（dāng）碳為2.0%、鉻含量為20%左右時,可獲得較（jiào）好的衝擊韌性,圖4為鉻對室溫衝擊韌（rèn）性的影響（xiǎng）。
碳對衝擊韌（rèn）性影響較為明顯,在15%Cr係高鉻鑄鐵中,隨碳含量的增加,衝擊韌性降低,幾（jǐ）乎呈直（zhí）線關係。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（gāo）鉻鑄鐵（tiě）的脆性,降低其衝擊韌性,見圖5
4.4碳、鉻對耐磨性的影響
圖（tú）6表明:隨鉻含量的增加,其耐磨料磨損性有所（suǒ）下降。這主要是由於隨著鉻含量的提高,鑄造性能下降組織疏鬆增多的緣故。圖7表明:碳含量<2.8%時,組織中K%較少;碳含量>28%時,硬度（dù）變化不大,但衝擊韌性下降;碳（tàn）含（hán）量在2.8%左（zuǒ）右時,耐衝擊磨（mó）料磨損性較高（gāo）。
圖6鉻對（duì）衝擊磨料磨損（sǔn）耐磨性的影響
圖7碳對衝擊磨料磨損耐磨性的影響
4.5裝機（jī）試驗
4.5.1葉片裝機磨損試驗
取不同含碳量的（de）高（gāo）鉻鑄鐵鑄（zhù）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（míng）,隨著含碳量的增加,葉片的磨損率減少（shǎo）,即從65385g/h降至1.6057g/h,即耐磨（mó）性增加。但當（dāng）含量高至（zhì）約3.5%時,葉片的磨（mó）損（sǔn）率（lǜ）明（míng）顯增加（jiā）至95238g/h,即耐磨（mó）性明顯降低。可見過高和（hé）過低的含碳量（liàng）都對葉片耐磨性不利。
表（biǎo）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（shòu）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（gāo）鉻鑄鐵（tiě）和（hé）中鉻鑄鐵提（tí）高6倍多。
表8高（gāo）鉻鑄鐵葉片與原材（cái）質裝機使用結果對比
5結論
(1)高鉻鑄鐵中Cr<10%隻能得到珠光體組織,Cr>10%保證冷卻中奧氏體的（de）穩定性。在（zài）鑄（zhù）態冷卻條件下,可獲得奧氏體為主的多相組織,碳化物（wù）中的Cr>38%,形成(CrFe)7C3類型的碳化物,以斷續孤立形態分（fèn）布在奧氏體基（jī）體中,極大改善高鉻鑄鐵的韌性。
(2)衝擊（jī）磨料磨損試驗和裝機磨損的數據表明:碳含量過（guò）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（chéng）分,因成分不均（jun1）勻可出（chū）現一定量初生碳（tàn）化物（wù）,使韌（rèn）性（xìng）變壞,導致耐磨性降低。
(3)試製的3.0Cr16的高鉻鑄鐵葉片使用246h後尚可繼續使用,而原用高碳(3.6%C)高鉻鑄鐵葉（yè）片36h即行報廢,使用壽命提高了6倍。
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2018-04-12
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