摘要:对高铬铸铁叶片材质进行了系统的实验室研究和装机试验,确定了碳和铬对相结构、组织、力学性能和耐磨性能的影响及其相互关系,得出较佳的高铬铸铁成分,所制成叶片使用寿命比原中铬铸铁
、高碳高铬铸铁提高6倍。本文由青岛铸造机械厂整理
关键词:高铬铸铁;叶片;耐磨性能;使用寿命

1引言

叶片是广泛用于铸件清理、轧辊毛化的抛丸处理机的关键零件,其工况条件要求其具有良好的耐磨性和足够的韧性[1~3],国内外常用抛丸机叶片材质有两种:低铬白口铸铁和高铬铸铁

。文献[4]指出高铬铸铁激冷叶片的使用寿命比低铬白口铸铁叶片要高出数倍,高铬铸铁中备受重视的牌号是Cr15Mo3,性能优良,但含昂贵的钼。上海工业大学以Cu、Mn代Mo,开发出Cr15MnCu高铬铸铁作为叶片材质[4],对开发其它不含Mo元素,成分简单的高铬铸铁叶片有着重要的实际意义。本工作研究高铬铸铁中主要元素C、Cr对其相结构
、组织
、力学性能、耐磨性能的影响规律,测定在装机条件下不同含碳量高铬铸铁叶片的使用寿命,为无Mo高铬铸铁叶片材质的合理选定提供依据。

2试验材质

设计了9种不同成分的高铬铸铁,用50kg中频感应炉冶炼,其化学成分见表1
。
表1试验材料的化学成分(质量分数,%) 3试验方法

3.1化学相分析方法

用盐酸甲醇体系电解液,在低温条件下电解,对析出相进行X射线衍射,鉴定碳化物相组成。电解残渣以硫酸冒烟后加硝酸分解制备成析出相溶液,较后以过硫酸铵氧化溶量法测定

。
3.2光学显微镜、扫描电镜及图象仪分析

用Jenaphot2000型显微镜进行显微组织分析

。用X650扫描电镜进行Cr微区成分分析。用半自动图象仪测定K(碳化物)面积和宽度,每个试样测定5点,取平均值,利用Mardeay关系式:碳化物数量K%=12.33x[C%]+0.55x[Cr%]-152%,计算K含量
。

3.3冲击磨料磨损试验

在MLD10型冲击磨料磨损试验机进行,冲击功2.0J,冲击频率150次/min,时间120min,磨料10/20目、20/40目精制石英砂,磨料流量30kg/h,下试样材质U71Mn,39~41HRC
。试验程序:预磨30min清洗、称重磨损试验120min清洗
、称重计算失重。

3.4力学性能的测定

用HR150A测定硬度(HRC)
。用NV2显微硬度计测量显微硬度。冲击韧性检验采用直接浇注成20mm!100mm的铸造试样,按GB6296-86检验,由于试样的尺寸及形状的影响,冲击韧性值要高于标准无缺口试样的冲击韧性值
。
抗弯强度试样为30mm!330mm的棒体,浇注后经清砂处理

、切割冒口和砂轮机打磨,不加工直接在试验机上进行检验。抗拉试样是从楔形试样上线切割下毛坯样,然后加工而成
。试样平行部位的直径为16mm,以4mm/min的速度进行拉伸,直至试样拉断。
3.5装机试验

用型号为QZG20P的抛丸处理机,叶片尺寸为162mm!105mm!20mm,每组8片,以尖角形锐利钢砂作为抛丸的弹丸,对不同含碳量高Cr铸铁叶片进行磨损和寿命试验。

4试验结果与分析

4.1高铬铸铁的显微组织

以E2为基础对比试样,其铸态显微组织为奥氏体和共晶体组成的亚共晶组织,见图1a

。初生奥氏体以树枝状生长,共晶体在奥氏体枝晶间凝固而成为网状分布。从图1b中可见到共晶体是由共晶奥氏体及其转变产物和共晶碳化物所组成,先凝固的共晶奥氏体一方面和初生奥氏体连接起来,另一方面把后凝固的共晶碳化物分隔开来,图中的初生奥氏体未发生转变,而共晶奥氏体已转变。共晶碳化物以断续网状分布,以半孤立质点形态分布在金属基体之间。构成了高铬铸铁不同于其它白口铸铁的组织上的主要特征。高铬铸铁另一组织特征是基体在常温下主要以奥氏体形态存在,随化学成分的变化促使奥氏体的稳定性改变,在碳化物周边共晶奥氏体转变比较充分。四种不同铬含量的高铬铸铁的显微组织的特点
见表2。
(a)初生奥氏体树枝状晶+共晶体400x

(b)断续网状共晶碳化物800x

图1典型的高铬铸铁(2.026%C,15.77%Cr)显微组织
表 2四种不同铬含量的高铬铸铁组织特点
组织中碳化物数量、形貌及分布受到C、Cr含量的影响
。当固定碳改变铬含量或固定铬改变碳含量时,碳化物数量都发生明显变化
。用半自动图象仪测定碳化物面积和宽度,同时用经验公式计算碳化物含量,结果见表3。数据表明:随着碳、铬含量的增加,碳化物的数量增加,而碳的影响更为明显。
表3碳铬含量对碳化物数量和尺寸的影响
4.2铬在高铬铸铁中分布


铬主要是固溶在奥氏体和富集在铬碳化物中,少量分布在其它类型的碳化物和夹杂物中,铬在各组成相中的分布影响着奥氏体的稳定性、碳化物的类型和数量等
。
表4为化学相分析确定铬在固溶相和析出相中的宏观分配情况。数据表明:保持碳或铬含量不变时,铬在两相中的分配保持稳定
。固定碳含量(约2.0%),随着铬含量增加(10%~25%),碳化物微区成分中的铬提高,铬在析出相中的含量增加。固定铬量(约16%),析出相的数量与碳含量增加成正比。铬在析出相中总量的增加,在固溶相中的含量减少,从而降低了奥氏体的稳定性。
用电镜对9个不同成分试样进行铬微区成分分析,取其平均值,结果见表5
。数据表明,各相之间铬的微区成分存在着差异。初生奥氏体中固溶的铬含量普遍略高于共晶奥氏体的铬含量,使得共晶奥氏体稳定性略低于初生奥氏体
。高铬铸铁中铬量保持相对稳定时,随碳含量的变化铬在区域中的平均成分保持不变,却改变了铬在各相中的微区分布,因碳量的增加,形成铬的碳化物数量增多,共晶碳化物中铬的含量显著减少,奥氏体中的铬的含量随碳量的增加略有降低。
4.3碳、铬对高铬铸铁力学性能的影响
4.3.1碳
、铬对硬度的影响

随铬含量的增加,奥氏体更趋稳定,甚至共晶奥氏体转变成马氏体的数量也在减少,因而硬度随铬量增加呈下降趋势。另外铬量的增加也导致组织中共晶碳化物数量有所增加,使得硬度呈上升趋势,因此硬度变化受这两种因素的叠加作用。在相同冷却速度下,当基体主要为奥氏体时,铬对硬度的影响不大,见图2

。

碳对高铬铸铁硬度的影响见图3。在相同的冷却速度和铬含量条件下,随碳含量的增加,硬度呈线性提高,如碳含量为1.387%,硬度为40HRC,碳含量为2.798%时,硬度为51HRC,相当于碳含量每增加0.1%,硬度提高0.78HRC

。这是由于组织中碳化物数量增加的缘故

。接近共晶成分时,这种影响就基本消失
。因此在Cr15系列高铬铸铁中,要保持高硬度,碳含量选择在2.8%左右即可,如继续提高碳含量,硬度非但不能提高,反而会使其它性能急剧恶化
。
表4高铬铸铁中铬的化学相分析结果
图3碳含量对高铬铸铁硬度的影响
表5高铬铸铁中铬的微区成分分析结果
表6碳、铬对高铬铸铁铸态强度的影响
图4铬含量对常温冲击韧性的影响图
图5碳含量对常温冲击韧性的影响
4.3.2碳
、铬对强度的影响

当碳含量约为2.0%时,表6数据表明,铬含量从10%增加至20%,强度相应提高至峰值,但继续增加铬含量,强度有所下降。高铬铸铁中的含碳量对强度的影响是十分敏感的,随碳含量的增加,强度呈直线下降

。

4.3.3碳、铬对室温冲击韧性的影响
在高铬铸铁中,固定其它各元素,变化铬含量,当碳为2.0%、铬含量为20%左右时,可获得较好的冲击韧性,图4为铬对室温冲击韧性的影响。
碳对冲击韧性影响较为明显,在15%Cr系高铬铸铁中,随碳含量的增加,冲击韧性降低,几乎呈直线关系。其主要原因是随碳含量的增加,组织中碳化物量增加,从而增加了高铬铸铁的脆性,降低其冲击韧性,见图5

4.4碳、铬对耐磨性的影响

图6表明:随铬含量的增加,其耐磨料磨损性有所下降。这主要是由于随着铬含量的提高,铸造性能下降组织疏松增多的缘故。图7表明:碳含量<2.8%时,组织中K%较少;碳含量>28%时,硬度变化不大,但冲击韧性下降;碳含量在2.8%左右时,耐冲击磨料磨损性较高
。
图6铬对冲击磨料磨损耐磨性的影响

图7碳对冲击磨料磨损耐磨性的影响
4.5装机试验

4.5.1叶片装机磨损试验

取不同含碳量的高铬铸铁铸态叶片进行跟踪装机试验,对比其磨损情况,结果见表7
。数据表明,随着含碳量的增加,叶片的磨损率减少,即从65385g/h降至1.6057g/h,即耐磨性增加。但当含量高至约3.5%时,叶片的磨损率明显增加至95238g/h,即耐磨性明显降低
。可见过高和过低的含碳量都对叶片耐磨性不利
。
表7叶片磨损分析表
4.5.2叶片使用寿命分析
原用材料和不同含碳量的高铬铸铁叶片,装机使用寿命对比结果见表8
。数据表明,3.0Cr16高铬铸铁叶片使用寿命较原用高碳高铬铸铁和中铬铸铁提高6倍多。


表8高铬铸铁叶片与原材质装机使用结果对比

5结论

(1)高铬铸铁中Cr<10%只能得到珠光体组织,Cr>10%保证冷却中奥氏体的稳定性
。在铸态冷却条件下,可获得奥氏体为主的多相组织,碳化物中的Cr>38%,形成(CrFe)7C3类型的碳化物,以断续孤立形态分布在奥氏体基体中,极大改善高铬铸铁的韧性。
(2)冲击磨料磨损试验和装机磨损的数据表明:碳含量过低时,碳化物数量少,硬度较低,耐磨性不高;碳含量过高时,达到近共晶或共晶成分,因成分不均匀可出现一定量初生碳化物,使韧性变坏,导致耐磨性降低。
(3)试制的3.0Cr16的高铬铸铁叶片使用246h后尚可继续使用,而原用高碳(3.6%C)高铬铸铁叶片36h即行报废,使用寿命提高了6倍。

参考文献:

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