于　濤，劉文華

（煙臺恒邦泵業(yè)有限公司，山東煙臺264100）

高鉻鑄鐵材質(zhì)的鑒別與適用的切割辦法

于濤，劉文華

（煙臺恒邦泵業(yè)有限公司，山東煙臺264100）

簡單介紹了金屬材料化學(xué)分析儀器的工作原理，分析了各牌號高鉻鑄鐵材質(zhì)的檢驗方法，并根據(jù)實際工作經(jīng)驗，提出鑄件斷面的幾種特征形貌，輔助對工程現(xiàn)場或生產(chǎn)車間回爐料的篩選；同時從技術(shù)性及經(jīng)濟性要求等方面探討了高鉻鑄鐵材質(zhì)適用的的切割方法，用于指導(dǎo)試驗與生產(chǎn)。

高鉻鑄鐵；檢測手段；斷口；切割

我公司生產(chǎn)的渣漿泵、挖泥泵、脫硫泵等過流部件均廣泛采用具有特殊性能的高鉻鑄鐵材質(zhì)制造。經(jīng)公司幾代科研人員的不斷改進，材料已形成多種用途的系列產(chǎn)品，如常見的BTMCr28、BTMCr15Mo3、BTMCr22Mn3、A49、Cr30A等，服役至今，均在相關(guān)行業(yè)內(nèi)有著突出表現(xiàn)，得到廣大客戶的一致認(rèn)可。

由于高鉻鑄鐵生產(chǎn)占有量大，材質(zhì)中且含有相當(dāng)比例的貴重金屬元素，從而對回爐料的合理歸類，準(zhǔn)確控制爐料成分，保證產(chǎn)品質(zhì)量等相關(guān)工作是十分必要的。筆者根據(jù)工作經(jīng)歷提出若干輔助性的檢測手段，可供相關(guān)人員參照運用。這些方法也同樣適用于銷售或技術(shù)支持人員的現(xiàn)場辨認(rèn)分析。

此外，無論是對高鉻鑄鐵材質(zhì)試塊還是復(fù)雜鑄件，合理的切割加工方法也是保證產(chǎn)品成品率的有效手段，故本文也針對高鉻鑄鐵件在切割方法的適用性方面進行了分析討論，希望給業(yè)內(nèi)人士提供一些幫助。

1　材料檢測技術(shù)手段論述

1.1利用電火花光譜儀

電火花直讀光譜儀是一種爐前試樣的定量分析儀器[1]。它的工作原理是通過數(shù)千度高溫的火花柱激發(fā)待檢測爐前試樣，快速捕捉汽化金屬所釋放的光的特征波長，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換及計算機處理后直接顯示化學(xué)成分含量。金屬化驗前表面需要進行適當(dāng)磨削，保證測試部位相對平整及無污染。設(shè)備廣泛用于在鋼鐵企業(yè)里金屬的一般化學(xué)元素快速的檢驗分析，檢測結(jié)果相對準(zhǔn)確可靠，有效保證企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量。

我公司的鑄鋼鑄鐵試件的爐前成分均憑借電火花光譜儀來進行化驗，也可以采用這種手段在高鉻鑄鐵件的混料上取樣來檢測成分含量，雖然熱處理狀態(tài)鑄件的化驗結(jié)果相對失真，但通過觀察特征元素的差別可清晰地區(qū)分幾種材質(zhì)。

2　利用便捷式看譜鏡

手持式看譜鏡主要應(yīng)用于工程現(xiàn)場黑色金屬或有色金屬的定性及半定量成分分析，它以圓盤電極的電弧（火花）放電激發(fā)被測試件，收集相關(guān)元素特定光源譜線同時顯示在觀察窗口內(nèi)[2]。定性分析是通過搜尋元素的最靈敏線來實現(xiàn)，可借助標(biāo)準(zhǔn)樣塊來減少誤判率；半定量的分析是觀察特征譜線的亮度即強度的大小差異來粗略估計的。該方法可在鑄件無損狀態(tài)下進行，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度依賴檢測人員的技能水平，它也是在工程現(xiàn)場分析金屬材質(zhì)較為經(jīng)濟有效的一種方式。

3　金相分析或XRD能譜分析等顯微分析

金相分析及電子顯微分析也是實驗室級別的分析手段。如表1所示對于化學(xué)成分跨度較大的高鉻鑄鐵材質(zhì)如BTMCr28與A49[4]，BTMCr18Mn3與CR30A等[5]，它們的初生相是有明顯的形態(tài)差異，而且在熱處理狀態(tài)初生相是保持鑄態(tài)原貌的，通過光學(xué)金相分析法可有效辨認(rèn)幾種特殊材質(zhì)。

表1　有關(guān)高鉻鑄鐵材質(zhì)主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

4　利用手持式X熒光光譜儀

手持式X熒光光譜儀是基于X射線熒光光譜分析原理的設(shè)備，對金屬或礦物具有定性和半定量檢測功能[3]。它相對臺式機有體積小，便捷，準(zhǔn)確度高等突出特點。隨時隨地可以對金屬工件無損檢測，在5 s~10 s內(nèi)測定30多種元素含量，讀數(shù)可精確顯示至0.01%.精度高且操作十分簡便，但本身價格較高，定期還需更換X射線等元件，開銷費用也在數(shù)千到數(shù)萬元不等，高維護成本影響了它的適用性。

能譜儀EDS一般是掃描電鏡的配套儀器，是對樣品特定微觀區(qū)域的定量分析，其分析置信度較高。待檢樣品需要送檢至專業(yè)檢測機構(gòu)，檢驗費用較高且檢驗周期較長，該方式對于粗略歸類的鑄件材料其實并不適用。

5　斷口簡易目測

通過觀察鑄件斷面的新鮮斷口，進而區(qū)分幾種高鉻鑄鐵材質(zhì)也較為方便可行。需要一些業(yè)務(wù)積累方可提高判斷結(jié)論的置信度。不同高鉻鑄鐵材質(zhì)中，物相的組成及體積含量是有明顯差異的，有的相顯微硬度高，脆性大，有的則相對韌性好。鑄件在斷裂后，由于這些因素導(dǎo)致所呈現(xiàn)的宏觀斷口形貌也截然不同，捕捉斷口的特征組織結(jié)構(gòu)是區(qū)分高鉻鑄鐵材質(zhì)的關(guān)鍵。如圖1所示，A49材料的宏觀斷口樣貌，光線照射下會明顯發(fā)現(xiàn)獨立存在閃閃發(fā)光的組織結(jié)構(gòu)，這種片狀結(jié)構(gòu)類似六邊形，晶粒的大小取決于爐前孕育方法或是鑄件的壁厚。A49的韌性斷口區(qū)域占有比例大，在日光下呈淺灰色；Cr30A與A49的宏觀斷口較為相似，有時大斷面的情況甚至難以區(qū)分，如圖2所示Cr30A的斷口樣貌，有光亮的粗大枝晶片結(jié)構(gòu)。通過金相顯微分析發(fā)現(xiàn)，這種脆性斷面或沿初生相晶界或是脆性相自身整片晶團的穿晶撕裂而形成的，由于Cr30A的碳化物占有比例較大，與A49相比斷裂機理略有不同，所以宏觀斷口目測下，會認(rèn)為晶粒十分粗大，但經(jīng)微觀分析比較這種結(jié)論未得到證實。當(dāng)然這種視覺上差異也成為了一種有效的辨認(rèn)手段。

圖1　高鉻鑄鐵A49材質(zhì)鑄件斷面

圖2　Cr30A材質(zhì)鑄件宏觀斷口

絕大多數(shù)情況BTMCr28的斷口形貌具有如圖3所示的特征，因為鑄件未經(jīng)特別細(xì)化處理（技術(shù)難點）初生碳化物晶粒粗大，以至肉眼便可發(fā)覺它的針狀結(jié)構(gòu)，在厚壁斷面中更為明顯，這也是在現(xiàn)階段我公司生產(chǎn)的高鉻鑄鐵材質(zhì)中唯一具有的特征，借助該方法可以很容易做到區(qū)分。

圖3　BTMCr28材質(zhì)鑄件宏觀斷口

BTMCr18Mn3，BTMCr22Mn3等亞共晶鑄鐵材料通過宏觀斷口觀察較難以辨別，細(xì)微的差異要輔以金相分析。它們的宏觀斷口樣貌的共同特征是局部具有放射針狀的組織形態(tài)，而且基體表面凹凸不平，與巖石斷口類似，適當(dāng)?shù)慕嵌扔^察就像很多小火山口，這種材料的斷裂是沿著聚集的M7C3合金碳化物晶面擴展的，繼而形成特有的宏觀斷口形貌。

2　高鉻鑄鐵材料切割方法的討論

2.1乙炔氧氣火焰切割

在對金屬氣割時，保證坯料燃燒產(chǎn)物的熔點應(yīng)低于本體，形成的熔渣應(yīng)易吹剝。高鉻鑄鐵材質(zhì)經(jīng)高溫灼燒表面易形成熔點較高的Cr2O3保護層，使切割作業(yè)難度上升，盡管有資料顯示可以先對材質(zhì)預(yù)熱后便可順利進行[6]，但筆者嘗試多種方法都未實現(xiàn)，而且該方式對鑄件本體破壞程度較大，鑒于燃料消耗及切割難度等方面的考慮，并不推薦這種方式。

2.2碳弧氣刨

碳弧氣刨是利用碳棒接觸電源后產(chǎn)生超高溫電弧瞬間加熱高鉻鑄鐵本體，結(jié)合壓縮空氣把溶渣去除的方法。雖成本低，且簡單易實現(xiàn)，但對脆性較大的高鉻鑄鐵件的加工安全性無法保證，故只適用于對切割精度不高、基體以奧氏體為主的A49材質(zhì)鑄件冒口的清理作業(yè)，其他有耐磨要求的高鉻鑄鐵件，尤其是復(fù)雜鑄件如采用此方法需要謹(jǐn)慎對待。

2.3電火花線切割

線切割機大體可分為快走絲與慢走絲兩種。快走絲機床的走絲速度在6 m/s~12 m/s，其機構(gòu)中配制軸向移動的儲絲筒，可以往復(fù)兩方向旋轉(zhuǎn)，電極絲多為φ0.06mm～φ0.25mm的鉬絲，這類耗材拉伸強度大，耐熱性與抗磨損性較好，故可以多次使用。快走絲的金屬表面加工后粗糙度一般為Ra1.25μm～2.5μm級[7]，目前可以順利切割的最大厚度為50cm.

慢走絲方式一般是以低于0.2 m/s的速度作單向運動，電極絲多為黃銅材質(zhì)，導(dǎo)電性好，只能使用一次。利用慢走絲機床加工的部件，表面粗糙度最佳可達暗光澤面程度的Ra0.2μm級[8]，但該方法一般不宜加工大厚度工件。

像BTMCr28、BTMCr18Mn3等這樣的高鉻鑄鐵材質(zhì)往往硬度高，耐磨性好，因為被加工面可以通過車削來提高表面粗糙度，所以高鉻鑄鐵件的切割廣泛采用快走絲方式，并且多數(shù)限制于對規(guī)則試塊或簡單形體鑄件的加工。為使電極絲平穩(wěn)放電，切割接觸面應(yīng)清理干凈，盡可能去除氧化皮。

2.4高壓水刀切割

水切割技術(shù)是通過特殊裝置將高壓水（<400MPa）與磨料混合后形成密集噴射流再實現(xiàn)對工件的加工[9]。這種方式的突出特點是幾乎不受本體材質(zhì)的限制，無論對剛性還是彈性坯料都可進行作業(yè)，如食品（豆腐），橡膠，金屬，陶瓷等的切割，而且可以保證0.1 mm~0.25 mm的切割精度及Ra1.6級的粗糙度。業(yè)內(nèi)有報導(dǎo)的最大金屬工件切割厚度為70mm，其切割速度約為15 mm/min[7].2013年中央電視臺科技欄目特別介紹了由獅邁公司研發(fā)生產(chǎn)的“智能水刀”設(shè)備，引起了極大的轟動。它的切割速度是常規(guī)水切割的3.5倍。無論是清理高鉻鑄鐵材質(zhì)的澆冒口還是切割本體鑄件，切割效率與質(zhì)量均占有優(yōu)勢，體現(xiàn)在切口區(qū)溫度可以保持在50℃-60℃左右，工件不易變形，邊緣損失小等特點。高鉻鑄鐵工件的耐蝕性較好，采用水刀切割區(qū)別于其他普通材質(zhì)鑄件的優(yōu)點在于，加工后不需要額外的表面清潔甚至是防銹處理，可以減少一道工序及節(jié)省成本。

但水切割智能設(shè)備價格貴，配套的耗材又是成本較高的進口產(chǎn)品，使它更適用于處理較為精密的工件。盡管如此，用于切割高鉻鑄鐵脆性材料時，水刀在切割質(zhì)量及效率上優(yōu)勢仍然使其在國內(nèi)外占有很高的關(guān)注度，隨著技術(shù)的成熟有關(guān)它的發(fā)展推廣會越來越快。

2.5等離子切割

這種切割的特點有加工移動速度快，壞料本體幾乎沒有熱影響區(qū)，熱變形小，切割面粗糙度達Ra12.5[10].用于切割高鉻鑄鐵材質(zhì)規(guī)則體是可行的，但工件厚度應(yīng)限制在50mm以內(nèi)。其生產(chǎn)能力強及運行成本低的特點平衡了一次性投資較大的問題，整體經(jīng)濟效益可觀。

3　結(jié)束語

1）高鉻鑄鐵含有較高的貴重金屬元素，對無法區(qū)分的鑄鐵回收料或現(xiàn)場工況下鑄件的辯認(rèn)可借助便攜式看譜鏡檢測來實現(xiàn)，這種方法較為經(jīng)濟可靠。

2）斷口的目測觀察雖然具有人為因素，但如果對其要領(lǐng)正確的掌握，該技能的運用同樣也是快速有效。

3）無論是高鉻鑄鐵試塊、工件本體的材料切割還是鑄件澆冒口清理，根據(jù)材質(zhì)特性及加工要求，采取相應(yīng)的切割方式是提高生產(chǎn)效率及降低廢品率的有效措施之一。

［1］吳齊偉.光電直讀光譜儀分析的誤差探討［J］.現(xiàn)代冶金，2006，34（4）:52-53.

［2］王利軍.看譜鏡在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用［J］.哈爾濱軸承，2011，32（1）:51-52.

［3］王志遠，姜翠霞等.X射線熒光光譜分析儀應(yīng)用實踐［J］.浙江冶金，2008（1）：23-25.

［4］張山綱.高鉻鑄鐵A49的耐磨耐蝕性探討［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2013（4）:28-33.

［5］王乃華，魯天毅.石灰石/石膏濕法煙氣脫硫金屬漿液循環(huán)泵國產(chǎn)化研究及實踐［J］.電力環(huán)境保護，2005（2）:197-199.

［6］王青賢.淺談氧乙炔火焰手工切割工藝［J］.金屬加工（熱加工），2008（24）:66-68.

［7］伍俊，李明輝.淺談高速走絲電火花線切割加工技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］.電加工與模具，2000（2）:1-4.

［8］丁海.慢走絲線切割工藝參數(shù)的研究［J］.模具工程，2010（10）: 92-93.

［9］陳波.超高壓水切割機的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2009（6）:66-68.

［10］杭爭翔，馬學(xué)智.等離子切割在熱切割中的地位［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，21（6）:479-481.

Identification of High Chromium Cast Iron and Its Applicable Cutting Method

YU Tao，LIU Wen-hua
（Yantai Hengbang Pump Co.，LTD.，Yantai Shandong 264100，China）

The working principle of chemical analysis instrument for metal materials is introduced briefly.Methods for the determination of various grades of high chromium cast iron material are analyzed.Some characteristics of the casting section are put forward to choose the scrap returns in the workshop.At the same time，the applicable crutting methods of high chromium cast iron material are discussed from technical and economic requirements，which can be used to guide the test and production.

high chromium cast iron，testing method，fracture surface，cutting

TG25

A

1674-6694（2016）05-0044-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.05.014

2016-03-20

于濤（1981-），男，吉林，中級工程師，碩士學(xué)位，主要從事金屬材料研發(fā)工作。E-mail：ytemails@163.com