王　鈾,　李學偉,　潘兆義,　侯云成,　裕莉莉,　譚　強,　孫曉光

(1.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150001; 2.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院,哈爾濱 150022; 3.內(nèi)蒙古世紀恒生礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013563)

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鉻系耐磨鑄鐵的摩擦金屬學行為與納米改性

王鈾1,李學偉2,潘兆義1,侯云成1,裕莉莉1,譚強3,孫曉光1

(1.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150001; 2.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院,哈爾濱 150022; 3.內(nèi)蒙古世紀恒生礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013563)

在我國,每年設備、配件的使用磨損、腐蝕及表面失效造成材料損失高達上億萬噸,為了提高耐磨材料的性能,將宏觀的摩擦磨損現(xiàn)象與金屬組織的微觀變化相聯(lián)系,用動態(tài)金屬學的觀點研究磨損的微觀機制,即進行摩擦金屬學研究,是揭示金屬材料磨損本質(zhì)的基本途徑,有助于耐磨材料和耐磨處理方法的選擇和研究開發(fā)?；趯Ω逤r、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨鑄鐵所進行的摩擦金屬學研究,結果表明:利用納米改性技術可以改善鉻系耐磨鑄鐵的組織結構和性能,尤其是提高鉻系耐磨鑄鐵的耐磨性方面效果明顯。該研究為高鉻鑄鐵和Cr-Mo-Cu合金鑄鐵等材料耐磨性能的提高提供了一條有效途徑。

鉻系耐磨鑄鐵; 摩擦金屬學; 納米改性

在工業(yè)化進程快速發(fā)展的今天,對傳統(tǒng)金屬材料特別是耐磨材料要求其工藝及性能不斷提高。與國外同類產(chǎn)品的耐磨材料相比,我國各項耐磨、耐蝕指標都有較大的差距。在我國,水泥、鋼鐵、電力、礦山、鐵路、航空、汽車等行業(yè),所需要及應用的耐磨材料一直是困擾企業(yè)發(fā)展的瓶頸。無論是企業(yè)還是市場都在企盼真正具有高性能、優(yōu)質(zhì)的耐磨材料出現(xiàn),并取代進口。據(jù)中國工程院相關統(tǒng)計,我國因為磨損和腐蝕造成的損失約占GDP的9.5%[1]。將宏觀的摩擦磨損現(xiàn)象與金屬組織的微觀變化相聯(lián)系,用動態(tài)金屬學的觀點研究磨損的微觀機制,即進行摩擦金屬學研究。這無疑是揭示金屬材料磨損本質(zhì)的基本途徑,將有助于耐磨材料和處理方法的選擇和研究開發(fā)[2]。

納米材料雖然能夠賦予產(chǎn)品以奇特而優(yōu)異的性能,但因目前科技發(fā)展水平和生產(chǎn)成本的制約,完全以納米材料替代常用的傳統(tǒng)材料還不現(xiàn)實。為滿足新型金屬耐磨材料的發(fā)展和應用需求,簡便可行且成本低廉的金屬耐磨材料納米改性技術獨占優(yōu)勢。材料納米改性科學技術是隨著近年來新材料和納米科學技術的發(fā)展而發(fā)展起來的先進科學技術。它通過在材料中引入納米改性劑以在納米尺度上控制材料,使材料的性能潛力得到更有效地發(fā)揮[3],提高產(chǎn)品的使用性能、壽命和可靠性。

開辟耐磨材料的另一個新領域是對鉻(Cr)系鑄鐵的研究。通過向普通白口鑄鐵中加入鉻,可提高白口鑄鐵的力學性能和耐磨性。鉻系白口鑄鐵已經(jīng)取代了其他耐磨材料比如說中錳韌性鑄鐵以及高錳鋼[4]。根據(jù)鉻含量的不同,可分為低Cr、中Cr和高Cr白口鑄鐵。此外,還有Cr-Mo和Cr-Mo-Cu合金等鉻系耐磨鑄鐵。

筆者基于對高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨鑄鐵進行摩擦金屬學行為研究,利用材料的納米改性技術有效改善鉻系耐磨鑄鐵的組織結構和性能,以提高鉻系耐磨鑄鐵的耐磨性。

1　摩擦金屬學行為與納米改性效果

1.1高Cr鑄鐵

高鉻白口鑄鐵之所以存在優(yōu)異的耐磨損性,是由于含有高硬度的M7C3型(M是Cr和Fe)型碳化物。但高硬度的碳化物可能提供裂紋擴展的路徑,又會使高鉻鑄鐵在遭受高一些的沖擊載荷時易產(chǎn)生脆性斷裂[3,5-6]。文中研究表明,加入納米改性劑可以改變這些高硬度碳化物的形態(tài)、尺寸和分布(見圖1),可以有效提高高鉻鑄鐵的韌性,有利于其在沖擊載荷下的耐磨性。加入不同納米改性劑和孕育劑的高鉻鑄鐵性能如圖2所示。

圖1　納米改性前后高鉻合金鑄鐵的SEM照片

Fig. 1SEM images of high-Cr cast ironbefore and after nano-modification

在實驗中,當沖蝕角為30°時,高鉻鑄鐵的沖蝕磨損機理為微切削。當沖蝕粒子以30°角沖向材料的表面時,沖擊力可以看成是兩種力的綜合作用:一種力可以分解為使沖擊砂粒進入材料內(nèi)部,促進產(chǎn)生縱向裂紋的過程;另外的一種力可分解成水平方向使砂粒在材料的表面向前移動,這樣就在材料的表面形成片狀的唇片。當沖蝕角為90°時,高鉻鑄鐵的沖蝕磨損機理為擠壓鍛打成片。沖蝕表面破壞嚴重,出現(xiàn)了很多凹坑。而隨著納米改性劑含量的增加,凹坑的數(shù)量減少,并且在凹坑的附近出現(xiàn)了凸起的唇片。說明加入一定含量的納米改性劑時,能夠保證高鉻鑄鐵具有高硬度的同時,使韌性有所提高。

研究中,當向高鉻鑄鐵里加入0.4%納米改性劑時,對沖蝕磨損率的影響最為明顯,當沖蝕角為90°時,其抗沖蝕磨損性能可提高50.87%,當沖蝕角為30°時,其抗沖蝕磨損性能可提高41.46%。如圖2b所示。

在劃痕實驗時,劃痕深度隨著壓頭正向力增加而線性增加,最終使表面層材料破壞。碳化物的大小、形態(tài)以及在基體上的分布狀態(tài)可能會直接影響劃痕大小和形貌,在劃痕的過程中如果碳化物的顆粒較大,則壓頭在經(jīng)過的過程中,容易發(fā)生脆性斷裂,則對應的聲信號變大,摩擦力和摩擦系數(shù)增加。

N0未改性; N2～N8加入改性劑; I8加入孕育劑; N8I8加入孕育劑與改性劑

圖2加入不同納米改性劑和孕育劑的高鉻鑄鐵沖擊性能

Fig. 2Impact toughness of high-Cr cast iron with different content of nano-modifier and inoculant

ANSYS分析結果表明:碳化物距離壓頭越遠,產(chǎn)生應力集中的趨勢越小,碳化物不會發(fā)生明顯變化,產(chǎn)生的位移量很小,對劃痕不會產(chǎn)生明顯作用;當碳化物距離劃痕很近時,碳化物的尖端上產(chǎn)生很大的應力集中現(xiàn)象,因此當劃痕劃過時,該處碳化物容易斷裂,聲信號突然增加,這與實驗結果完全吻合。

文中實驗表明,添加納米改性劑可以細化碳化物晶粒,并使碳化物在基體中均勻地分布,于是相鄰碳化物的距離變小,表面上壓頭接觸或滑過碳化物的機會增加,因此,摩擦力比沒有添加納米改性劑的高鉻鑄鐵變得更大。

1.2低Cr鑄鐵

低鉻白口鑄鐵中的Cr/C比值小,碳化物的類型為(Cr, Fe)3C,在基體上呈網(wǎng)狀分布,對基體的割裂作用較大,導致其韌性較低。加入納米改性劑不僅降低了低鉻鑄鐵中碳化物的網(wǎng)狀傾向,減少了其對基體的割裂作用,而且改變了基體中滲碳體層片的形態(tài)、尺寸和間距(如圖3),改善了其界面的潔凈度,于是有效提高了低鉻鑄鐵的韌性和耐磨性。低Cr鑄鐵的沖擊韌性和沖擊磨損抗力如圖4所示[7]。

圖3　納米改性前后低鉻合金鑄鐵的SEM照片

Fig. 3SEM images of low-Cr cast iron before and after nano-modification

圖4　低Cr鑄鐵的沖擊韌性和沖蝕磨損抗力

Fig. 4Impact toughness and erosion resistance of low-Cr cast iron

1.3Cr-Mo-Cu鑄鐵

在干滑動嚴重磨損情況下,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的磨損機制以熱疲勞脫落和磨粒磨損為主要形式。因此,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵中石墨的形態(tài)是通過影響上述兩種磨損的能力來實現(xiàn)的。在蠕蟲狀石墨形態(tài)存在的鑄鐵中,由于蠕蟲狀石墨的存在使鑄鐵具有良好的導熱性能和強度性能,必然具有良好的抵抗熱疲勞脫落的能力。如圖5所示,有限元模擬計算結果顯示,在相同的磨損條件下,假設磨損面上的閃光溫度相同,由于蠕蟲狀石墨鑄鐵的熱導率明顯高于片層石墨鑄鐵,使其熱量傳遞速度較高,利于磨損表面溫度的降低[8]。

圖5　兩種石墨鑄鐵磨損過程中的傳熱分析

Fig. 5Temperature distribution during wear testing for cast irons with and without nano-additives

又由于干滑動磨損條件下的磨粒主要來源于熱疲勞脫落的產(chǎn)物,因而抵抗熱疲勞脫落磨損能力的提高必然會減小磨粒磨損發(fā)生的程度。片狀石墨形態(tài)存在的鑄鐵強度相對較低,導致抗熱疲勞脫落能力很低,其耐磨性也必然很低。Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的金相組織為馬氏體、碳化物和片狀或蠕蟲狀石墨。石墨在基體中的硬度和強度接近于零,在金屬組織內(nèi)如同空洞,切割基體并造成應力集中,在接觸應力的反復作用下,露在磨痕附近表面的石墨早期碎裂脫離而形成空穴,使金屬組織顯露出尖角銳刃,有利于Cr-Mo-Cu合金鑄鐵制成的部件具有一定的研磨或破碎加工功效。又由于石墨屬于密排六面結構,質(zhì)地軟弱,沿底面易滑移,是一種有效的固體潤滑材料,能使摩擦面保持良好的潤滑條件。但當石墨的長寬比較大,石墨呈現(xiàn)粗長的片狀,會造成石墨處過度的應力集中,發(fā)生石墨片的滑動,起不到潤滑的作用,使耐磨性降低,只有當石墨長寬比小,呈現(xiàn)細小的蠕蟲狀,才能使空洞良好的“刀具”作用體現(xiàn)出來,達到提高磨削性能的作用,如圖6所示。

圖6　石墨鑄鐵磨損過程中石墨的自潤滑和基體的切削作用

Fig. 6Illustration of wear process of Cr-Mo-Cu alloy cast iron

此外,經(jīng)納米改性的Cr-Mo-Cu合金鑄鐵(蠕蟲狀石墨鑄鐵)與GCr15磨球磨損,由于石墨尺寸較小,對基體的分割作用比較明顯,便于產(chǎn)生細小的磨屑,具有相對較大的比表面積,與氧氣接觸的機會較大,易于發(fā)生氧化磨損,形成的氧化膜起到潤滑和保護基體的作用。也就是說,石墨形態(tài)對鑄鐵耐磨性的影響,一方面是通過影響其導熱能力和抗裂紋萌生和擴展的能力而影響其抗熱疲勞脫落能力來實現(xiàn)的;另一方面還由于材料移除量或剝落量的不同而使得磨損時磨屑的多少不同,磨屑的黏著轉移或充當磨粒的程度也就不同,于是使得磨損的程度發(fā)生改變。

納米改性后,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的晶粒明顯細化,組織細密,硬度提高。特別是,納米改性使Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣中石墨的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化[9]。圖7中可以看出納米改性前后合金鑄鐵試樣中石墨的變化。未改性試樣的石墨的生長方向及外形尺寸很不規(guī)則,石墨形態(tài)單一,粗長且長度不一,幾乎沒有彎曲和分叉,石墨呈現(xiàn)片狀形態(tài),如圖7a所示;經(jīng)納米改性的石墨整體成團簇狀分布,外形細小,無明顯方向性,形態(tài)短小,普遍發(fā)生彎曲,具有波浪式的外緣和較多的分叉,頭部鈍化,呈蠕蟲狀形態(tài),如圖7b所示。

與GCr15鋼球?qū)δr,納米改性淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣的磨損體積比普通未改性淬火態(tài)的減少65.88%,納米改性鑄態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣的磨損體積也比普通未改性淬火態(tài)的減少61.96%。經(jīng)納米改性的Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的耐磨性能顯著提高[8],如表1所示。

圖7　淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的掃描電鏡照片

表1Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的磨損率與對磨的GCr15鋼磨球的磨損率

Table 1Wear rates of Cr-Mo-Cu alloy cast iron and GCr15 steel ball

狀態(tài)磨損率/mm3·(m·N)-1試樣鋼磨球未納米改性/淬火態(tài)1.6140×10-42.1600×10-5納米改性/鑄態(tài)0.6140×10-44.0500×10-5納米改性/淬火態(tài)0.5504×10-44.7700×10-5

與Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣不同的是,GCr15鋼對磨球的磨損體積卻呈現(xiàn)出相反的趨勢:即使當與改性鑄態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵下試樣對磨時,GCr15鋼磨球的磨損體積是與普通淬火態(tài)合金鑄鐵對磨時的1.88倍,而當與改性淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣對磨時,鋼磨球的磨損體積更大,是與普通淬火態(tài)合金鑄鐵對磨時的2.20倍。

用兩者比值(G′=球體材料的磨損體積/鑄鐵試樣的磨損體積)可以表示在一定加工時間和載荷及轉速條件下,鑄鐵試樣與某一球體材料對磨時的耐磨與磨削性能。G′越大,反映鑄鐵試樣的耐磨與磨削性能越好。結果發(fā)現(xiàn)納米改性淬火態(tài)鑄鐵試樣與GCr15磨球?qū)δr的G′值是普通淬火態(tài)的6.52倍,納米改性鑄態(tài)試樣的G′值也比普通淬火態(tài)時提高3.96倍。說明納米改性不但能顯著改善Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的耐磨性,也能提高對GCr15鋼的磨削作用。

2　納米改性鉻系耐磨鑄鐵的應用效果

納米改性耐磨合金磨球及襯板的硬度和斷裂韌性等均得到明顯改善,使用壽命大幅度提高。納米改性高鉻鑄鐵(相當于ZQCr10)磨球硬度HRC為59～64,沖擊值達到4.0 J/cm2(通常3.0 J/cm2左右),納米改性低鉻鑄鐵磨球硬度HRC為46～52,沖擊值大于3.0 J/cm2(通常2.0 J/cm2左右),較未改性的鑄鐵磨球具有更高的韌性。在落球落高為3.5 m時進行落球?qū)嶒?落球次數(shù)大于18 000 (冶金標準YB/T091—2005規(guī)定為8 000次, 已知最高紀錄接近12 500次),即采用納米改性技術不僅具有較好的耐磨性能,更明顯減少了磨球使用過程中的破碎率。

生產(chǎn)過程中,考察了由Cr-Mo-Cu合金鑄鐵制成的光球磨板的磨削加工效率及使用壽命。如用Cr-Mo-Cu合金鑄鐵磨板加工φ7.938 mm的成品軸承鋼球,使用納米改性合金磨板可使磨削時間節(jié)省25.0%,磨削加工性能是原來的4倍;在加工鋼球數(shù)量一定時,磨板的耐用度是原來的3倍。而用Cr-Mo-Cu合金鑄鐵磨板加工鎢合金毛坯球時,磨板的工作時間增加了1倍,磨削效率提高了1倍;在加工成品球時,磨板工作時間增加了85.7%,磨削量提高了92.9%,表明納米改性使Cr-Mo-Cu合金鑄鐵光球磨板的磨削效率和使用壽命明顯提高[9]。

3　結束語

高鉻鑄鐵和Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的微觀組織結構決定了其摩擦金屬學行為。通過對高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨鑄鐵進行摩擦金屬學研究,與納米改性效果實驗,以及應用考核,結果表明,納米改性技術可以改變材料中的微觀組織結構,如碳化物或石墨的形態(tài)、尺寸和分布等來改善其摩擦金屬學行為。納米改性技術為高鉻鑄鐵和Cr-Mo-Cu合金鑄鐵等材料耐磨性能的提高提供了一條有效途徑。

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(編輯徐巖)

Tribo-metallurgy behavior of chromium wear-resistant cast irons and their nano-modification

WANGYou1,LIXuewei2,PANZhaoyi1,HOUYuncheng1,YULili1,TANQiang3,SUNXiaoguang1

(1.School of Materials Science & Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3.Inner Mongolia Century Hengsheng Mining Co.Ltd., Wulanchabu 013563, China)

Aimed at improving wear-resisting material performance for reducing the an annual loss of millions of tons of materials due to wear, corrosion, and surface failure of industrial equipment and components, this paper is a dynamic metallurgical study of micro-mechanism of friction and wear by combining the macro phenomena of friction and wear with the micro-structural changes. The tribo-metallurgical study functions as the basic way to reveal the nature of metal material wear and makes for the selection and development of wear-resistant materials and wear-resistant treatment method. The tribo-metallurgical study of high-Cr, low-Cr and Cr-Mo-Cu cast irons suggests that the use of nano-modification technology provides a significant improvement in the microstructure and properties of chromium cast irons, especially in its wear resistance.

chromium wear-resistant cast irons; tribo-metallurgy; nano-modification

2013-04-16

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目(2006RFQXG100)

王鈾(1954-),男,黑龍江省五常人,教授,博士生導師,研究方向:納米表面工程、納米改性材料,E-mail:wangyou@hit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.002

TG143.8

1671-0118(2013)03-0222-05

A