王守仁，翟永真，陳雪梅

（1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東開(kāi)泰拋丸機(jī)械有限公司，山東 鄒平 256217）

1 前 言

拋丸器上的耐磨件由進(jìn)丸管、定向套、分丸輪、葉片、葉輪和拋丸器耐磨防護(hù)襯板組成。葉片利用離心力作用將高速?gòu)椡枇鳎ń饘倩蚍墙饘倌チ希佅蛩謇淼墓ぜ砻妫匀コぜ砻娴恼成?、氧化皮和小的飛邊毛刺等，并得到一定粗糙度的表面。葉片最早使用普通白口鑄鐵制作，后來(lái)改換為鎳硬白口鑄鐵，從20世紀(jì)70年代，人們開(kāi)始使用高鉻鑄鐵（抗磨合金白口鑄鐵）制作葉片，成為第三代抗磨材料。高鉻鑄鐵在耐磨性上，它比合金鋼高得多，在韌性、強(qiáng)度上，它又比一般白口鑄鐵高得多，同時(shí)，它還兼有良好的抗高溫和抗腐蝕性能，而且生產(chǎn)便捷、成本適中，因此成為當(dāng)代最優(yōu)良的抗磨料磨損材料之一。由于高鉻鑄鐵中存在M7C3[（Cr·Fe）7C3]、M7C3型碳化物，碳化物硬度1200HV～1700HV，比M3C（Fe3C）硬度高許多，其形貌為板條狀，改變了滲碳體（Fe3C）的蜂窩狀形貌，脆性大大降低，耐磨性明顯提高。但高鉻鑄鐵中碳、鉻等元素含量到底為多少時(shí)最抗磨，其微觀結(jié)構(gòu)分布形態(tài)還不清楚，需要進(jìn)行深入研究。20世紀(jì)90年代，美國(guó)學(xué)者Dogon.O.N[1，2]等人對(duì)Cr26白口鑄鐵的亞共晶（2.76%C）、共晶（3.07%C）、過(guò)共晶（3.66%）3種類(lèi)型鑄鐵在低、高應(yīng)力和高應(yīng)力沖擊磨料磨損工況條件下的抗磨性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出亞共晶合金和共晶合金最抗磨的結(jié)論。Laird N G[3]經(jīng)過(guò)分析不同成分的抗磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為共晶合金和過(guò)共晶合金具有優(yōu)良的抗摩擦磨損性能。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，冶金學(xué)者經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，亦認(rèn)為共晶合金或稍過(guò)共晶合金最耐磨，至此，人們沖破了白口鑄鐵為保證不破裂應(yīng)采用亞共晶成分的傳統(tǒng)觀念，并在實(shí)際生產(chǎn)中逐步投入使用過(guò)共晶高鉻鑄鐵耐磨材料。但是化學(xué)成分的影響、共晶點(diǎn)的漂移、微觀組織、微觀結(jié)構(gòu)的變化

2 實(shí)驗(yàn)方法

在山東開(kāi)泰拋丸機(jī)械有限公司采用200kW、250kg中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉，分別采用砂型鑄造和熔模鑄造工藝，澆注溫度為1450℃，鑄態(tài)葉片在高溫硅碳棒箱式電阻爐中經(jīng)930℃加熱，空冷至室溫，或經(jīng)鹽浴處理后再在空氣中冷卻。對(duì)上述幾家公司的葉片在HX-100TM光學(xué)顯微鏡和SEM掃描電鏡上進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。采用SPECTRO MAX2009光譜儀測(cè)試化學(xué)成分，將測(cè)試結(jié)果列于表1中。采用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)試硬度值，采用開(kāi)泰生產(chǎn)的拋丸器對(duì)葉片的抗磨性進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從表1中可以看出，DISA公司和大豐公司的葉片含碳量最高，分別達(dá)3.97%和3.99%，諸城宏盛公司的葉片含碳量最低，為2.21%，開(kāi)泰和中鋼公司的葉片含碳量適中。眾所周知，添加合金元素后會(huì)造成共晶點(diǎn)漂移，各種元素對(duì)共晶點(diǎn)的影響以共晶含碳量當(dāng)量CE表示，，將CE計(jì)算結(jié)果列于表2中，可以看出，諸城葉片為亞共晶組織，中鋼葉片為共晶組織，而DISA公司、大豐公司、新東公司、中鋼公司和開(kāi)泰公司的葉片為過(guò)共晶組織。利用普通鑄鐵共晶點(diǎn)含碳量WC與共晶含碳量當(dāng)量CE的比值（SC）反映鑄鐵的成分接近共晶的程度，即共晶度，并分別計(jì)算鉻碳比（WCr/WC），將結(jié)果列于表3中，可以看出，DISA公司葉片的共晶含碳量當(dāng)量為2.586，共晶度為1.535，鉻碳比為6.877，遠(yuǎn)偏離共晶點(diǎn)，屬于典型的過(guò)共晶組織。新東公司葉片的共晶含碳量當(dāng)量為2.786，共等方面還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。特別是制作成拋丸器葉片后其微觀組織結(jié)構(gòu)的變化以及硬度等力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)抗磨性的影響還沒(méi)有形成系統(tǒng)而完整的認(rèn)識(shí)。筆者對(duì)丹麥DISA公司、美國(guó)潘邦公司、BLAST TCH公司、日本新東公司、江蘇大豐公司、諸城宏盛公司、青島雙星公司、南通匯杰公司和山東開(kāi)泰拋丸機(jī)械公司的葉片的微觀組織、成分、力學(xué)性能以及抗磨性進(jìn)行了分析，以期揭示高鉻鑄鐵抗摩擦磨損的機(jī)理。晶度為1.152，其共晶度稍低，但鉻碳比高達(dá)8.383。大豐公司葉片的共晶含碳量當(dāng)量為3.332，共晶度為1.189，鉻碳比為3.699，接近于共晶組織，但鉻碳比偏低。開(kāi)泰公司葉片的共晶含碳量當(dāng)量為3.045，共晶度為1.087，更接近于共晶組織，但鉻碳比高達(dá)6.233。諸城公司葉片的共晶含碳量當(dāng)量為3.169，共晶度為0.697，鉻碳比為7.081，屬于典型的亞共晶組織，但鉻碳比較高。綜上分析。筆者認(rèn)為，SC＜0.95時(shí)為亞共晶組織，SC=0.95～1.05時(shí)為共晶組合，SC＞1.05時(shí)為過(guò)共晶組織，共晶度數(shù)值越大，表明這種組織向過(guò)共晶方向越偏離共晶點(diǎn)，共晶度數(shù)值越小，表明這種組織向亞共晶方向越偏離共晶點(diǎn)。另外，鉻碳比應(yīng)控制在4.0～8.0。鉻碳比決定了碳化物類(lèi)型，當(dāng)比值超過(guò)4.0時(shí)，幾乎全部形成高硬度的M7C3型碳化物，從而提高材料整體的硬度和韌性。

表1 國(guó)內(nèi)外拋丸器葉片化學(xué)成分對(duì)照（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 國(guó)內(nèi)外拋丸器葉片工藝與力學(xué)性能對(duì)照

表3 各種高鉻鑄鐵葉片共晶點(diǎn)碳當(dāng)量、共晶度與鉻碳比以及金相組織對(duì)照

根據(jù)Jackson的Fe-C-Cr三元相圖可知，F(xiàn)e-C-Cr合金凝固時(shí)，隨合金成分的不同，可以析出α、γ、β1、β2、β3五種不同的相。在這五種相中，α 和 γ 是固溶體相，其余三個(gè)相為碳化物相，其碳化物類(lèi)型、晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)以及溶解C、Cr的能力見(jiàn)表4。可以看出，三種碳化物分別為（Cr，F(xiàn)e）3C、（Cr，F(xiàn)e）23C6和（Cr，F(xiàn)e）7C3，隨著鉻含量的提高，碳化物由（Fe，Cr）3C 型依次向（Fe，Cr）7C3和（Fe，Cr）23C6型轉(zhuǎn)變，其晶體結(jié)構(gòu)亦分別由斜方晶系向六方晶系和面心立方晶系轉(zhuǎn)變，（Fe，Cr）23C6的溶碳能力達(dá)5.6%，溶鉻能力高達(dá)59.0%。

表4 各種高鉻鑄鐵葉片工藝與力學(xué)性能對(duì)照

研究表明，鉻元素對(duì)白口鑄鐵產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，添加鉻元素能減小γ相區(qū)，并使共析點(diǎn)左移，γ相中碳的最大溶解度降低，當(dāng)鉻量達(dá)到20%時(shí)γ相區(qū)縮為一點(diǎn)，不再有單獨(dú)的γ相存在。同時(shí)由于鉻的加入使δ相的穩(wěn)定溫度降低，使α相的穩(wěn)定溫度升高。

將熔模鑄造的葉片經(jīng)空冷和鹽浴+水淬后，觀察組織形貌的變化（圖1g、h與圖2g、h），可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)空冷后仍發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)狀的碳化物，割裂了基體組織，使得強(qiáng)度和韌性都較低，耐磨性也不好。經(jīng)鹽浴+水淬處理后，碳化物呈桿狀分布的M7C3型為孤立相，且形成較多的菊花狀碳化物，減輕了其對(duì)基體的割裂作用。

圖1 各種葉片橫面金相組織比較

圖2 各種葉片縱面金相組織比較

圖3 各種葉片平均硬度比較

4 結(jié) 論

合適的鉻碳比是保證高鉻鑄鐵抗磨性的關(guān)鍵，綜合分析幾家企業(yè)的成分，碳量一般在2.21%～4.0%之間變化，鉻量一般在13%～27%之間變化，鉬量一般在0.1%～2.0%之間變化，硅量一般在0.5%～1.0%之間變化，錳量一般在0.5%～1.2%之間變化。鉻碳比一般在5～8之間選擇。另外，合理的熱處理工藝也是材料提高耐磨性的關(guān)鍵。

［1］Dogan O N，Hawk J A.Three Types of wear of 26Cr white cast iron［J］.AFS Tran saction，1998，106：625-631.

［2］Hawk J A，Wilson R D，Dogan O N.Laboratory wear testing of terrous alloys and composites［J］.AFS Transactions，1998，106：651-656.

［3］Laird N J.Some comment s on white cast iron microstructures and wear properties［J］.AFS Transaction，1993，101：497-504.