王三軍

(營(yíng)口經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)鑫豐管件有限公司,遼寧 營(yíng)口 115007)

0 引 言

摩擦和磨損會(huì)造成零件尺寸的改變、振動(dòng)的加劇、疲勞損壞，以及通道被磨屑堵塞、流體從機(jī)殼內(nèi)泄漏出來(lái)、運(yùn)轉(zhuǎn)效率降低等，因此，研究磨損和不斷發(fā)展新的耐磨材料是一項(xiàng)永遠(yuǎn)要更進(jìn)一步的課題。

鑄鐵是廣泛應(yīng)用的一種鐵碳合金材料，鑄鐵成本低，鑄造性能良好，體積收縮不明顯，而且力學(xué)性能、可加工性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性、熱導(dǎo)率和減振性能之間有良好的配合，也具有較高強(qiáng)度，因此被廣泛應(yīng)用[1]。合金化是提高耐磨性的主要途徑，在鑄鐵中加入Mo、Al、Cr、P、Ni 等合金元素的試驗(yàn)表明：含鉻鑄鐵和磷鐵都具有良好的耐磨性。據(jù)了解，鉻與鐵可無(wú)限制的互相溶解，在Fe-Cr-C三元合金中，鉻可以縮小r區(qū)和形成特殊的碳化物，鉻與碳的親和力要比鉻與鐵的親和力大得多[2]，因而形成很穩(wěn)定且堅(jiān)固的化合物，所以鉻的加入有利于提高鑄鐵的耐磨性。磷化物以二元磷共晶為主體，無(wú)游離滲碳體。均勻分布的二元磷共晶對(duì)耐磨性是有利的，因?yàn)樵谳^軟的基體組織中，二元磷共晶作為較硬的相，起到很好的耐磨和支承作用。因此，選取合金化方式，以Ni-Cr-Mo鑄鐵和磷鐵為研究對(duì)象，分別澆注制備兩組試樣，研究?jī)山M試樣組織、硬度和耐磨性，為材料耐磨性方面的應(yīng)用提供參考和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

將各種原材料放入感應(yīng)爐中熔化，見(jiàn)表1和表2。經(jīng)一段時(shí)間爐料熔化，鐵水溫度達(dá)到要求后，從爐中倒出鐵水，將處理后的鐵水澆到已造好的型腔中。Ni-Cr-Mo鑄鐵澆注后再熔煉澆注P鐵。待試樣冷卻后，從砂箱中取出并將試樣表面打磨，準(zhǔn)備試驗(yàn)。Ni-Cr-Mo鑄鐵的化學(xué)成分范圍[3]是：WC=3.1-3.5%，WSi=0.6-0.9%，WS≤0.06%，WP≤0.06%，WMn=0.5-0.8%，WNi=4.2-4.6%，WCr=1.6-1.95%，WMo=0.20-0.50%；P鐵化學(xué)成分范圍為WC=3.0-3.3%，WSi=1.6-1.8%，WS≤0.10%，WP=0.25-0.35%，WMn=0.8-1.0%，WCr=0.08-0.12%。

圖1 (a)磷鐵和(b)Ni-Cr-Mo鑄鐵的金相照片(500X)

對(duì)澆注好的試樣分別進(jìn)行金相組織觀(guān)察、物相分析、硬度測(cè)試和耐磨性試驗(yàn)。物相分析的條件：X射線(xiàn)管功率為40kV、40mA。硬度測(cè)試選用HRC-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)試試樣硬度，每個(gè)試樣打5點(diǎn)硬度，去掉最大值和最小值，剩余三個(gè)取其平均值。采用銷(xiāo)盤(pán)式磨粒磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為ML-100。將試樣加上10N的試驗(yàn)力緊壓在旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上，試樣以7cm的半徑的方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速為60r/min。磨損質(zhì)量使用精度為萬(wàn)分之一的AEU-210型電子天平稱(chēng)量。磨痕形貌采用掃描電鏡(JEOL-6360)觀(guān)察磨損表面的形貌特征。

表1 Ni-Cr-Mo鑄鐵配料原料(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%)

表2 磷鑄鐵配料原料(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%)

圖2 Ni-Cr-Mo鑄鐵和磷鐵的XRD圖譜

圖3 P鑄鐵的掃描劃痕(a)和 Ni-Cr-Mo鑄鐵的掃描劃痕(b)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織觀(guān)察

將截取的金相試樣經(jīng)過(guò)4%的硝酸酒精腐蝕15S后在奧林巴斯金相顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：Ni-Cr-Mo鑄鐵的形態(tài)分析出鑄鐵中主要含有的組織為片狀石墨均勻的分布在鐵素體上；P鐵的組織形貌為硬而脆的二元磷共晶(α-Fe+Fe3P)，這些斷續(xù)網(wǎng)狀的磷共晶均勻分布在石墨+鐵素體的基體上。

2.2 XRD物相分析

圖2為兩組所制備耐磨鑄鐵的XRD，由圖2可知，Ni-Cr-Mo鑄鐵中形成了新的化合物Cr13Ni5Si2、Cr3Ni2Si、Cr23C6。通過(guò)對(duì)P鑄鐵的XRD圖譜分析可知，P、Si、Mn等元素的添加使基體內(nèi)的各元素形成新的化合物Fe3Si、Fe2MnSi。Fe3Si硅系金屬間化合物中的一種，具有金屬硅化物的耐磨損、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)；Mn以Fe2MnSi形式存在，它可以使組織組織細(xì)化、致密。這些硬質(zhì)相的形成可以很大程度促進(jìn)了P鐵的耐磨性的提高。

2.3 硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，從表3中可知，Ni-Cr-Mo鑄鐵的硬度值高于P鐵的硬度值。耐磨性好壞與硬度高低有直接關(guān)系。合金元素種類(lèi)、含量以及硬質(zhì)相的分布都會(huì)影響耐磨性，一般而言硬度越高，耐磨性越好。

表3 硬度試驗(yàn)結(jié)果HRC

2.4 耐磨性試驗(yàn)

磨損試驗(yàn)進(jìn)行20min、40min等時(shí)間點(diǎn)的失重質(zhì)量如表4所示，從表4中可以清晰地看出所制備的兩組鑄鐵材料都具有較好的耐磨性能。

表4 磨損失重質(zhì)量(g)

Cr元素使得Ni-Cr-Mo鑄件較易獲得白口組織，使其性能產(chǎn)生較大的改善。從XRD分析中可知Cr13Ni5Si2和Cr23C6等高溫硬質(zhì)相通常呈三維連續(xù)的網(wǎng)狀存在，對(duì)于鉻系耐磨鑄鐵的硬度和耐磨性和機(jī)械性能有著重要影響。磷鐵中的磷共晶的硬度很高，且以斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在金屬基體中，不易剝落，對(duì)提高鑄鐵的耐磨性是有意義的，因?yàn)樵谳^軟的基體組織中，二元磷共晶作為較硬的相，起到很好的耐磨和支承作用。當(dāng)灰口鑄鐵中含磷量超過(guò)0.3%時(shí)，就會(huì)在組織中出現(xiàn)硬而脆的磷共晶，當(dāng)這些斷續(xù)網(wǎng)狀的磷共晶均勻分布時(shí)，就起著支撐骨架的作用存在于鑄鐵基體中，提高了耐磨性。從表4中也可計(jì)算得出Ni-Cr-Mo鑄鐵、P鐵的平均磨損量分別為：0.00332g、0.0138g，因此在相同條件下，Ni-Cr-Mo鑄鐵的失重量小于P鐵的失重量。

圖3為磨損實(shí)驗(yàn)100min后的磨痕SEM觀(guān)察照片，從圖3中可以清晰地看出，在同樣的磨損條件下P鑄鐵的表面劃痕明顯比Ni-Cr-Mo鑄鐵的劃痕深，這一結(jié)果與上述表4一致，也說(shuō)明了在相同條件下，Ni-Cr-Mo鑄鐵的耐磨性?xún)?yōu)于P鐵。

3 結(jié) 論

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)Ni-Cr-Mo鑄鐵為白口組織，P鐵的組織形貌為硬而脆的二元磷共晶(α-Fe+Fe3P)。

(2)Ni-Cr-Mo鑄鐵的硬質(zhì)相為Cr13Ni5Si2、Cr3Ni2Si、Cr23C；P鑄鐵中所含的硬質(zhì)相分別為Fe3Si、Fe2MnSi，它們均能有效地提高鑄鐵的耐磨性。

(3)Ni-Cr-Mo鑄鐵的硬度平均值高于P鐵表面的硬度值。

(4)同等試驗(yàn)條件下Ni-Cr-Mo鑄鐵的磨損量小于P鑄鐵的磨損量。

[1] 吉化集團(tuán)公司組織,工程材料.化學(xué)工業(yè)出版社.2001:195-196.

[2] 韓進(jìn)軍,呂振林.合金元素對(duì)球墨鑄鐵沖蝕腐蝕磨損特性的影響[J].鑄造技術(shù)2007:28-31.

[3] 子澍,張?jiān)葡?宋潤(rùn)澤,等.在反復(fù)強(qiáng)烈沖擊磨料磨損時(shí)高鉻白口鑄鐵的化學(xué)成分及顯微組織的選擇[J].現(xiàn)代鑄鐵,2006:73-76.