高 杰,郭克星,支澤林,陳思思,孫亞云,張 銀

(1.陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院, 西安 710048;2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司,寶雞 721008)

0 引 言

冷硬鑄鐵具有很好的耐腐蝕和耐沖擊磨損性能,且價(jià)格低廉,廣泛應(yīng)用于礦山、建筑、交通、軍工、航空航天等領(lǐng)域[1-5]。冷硬鑄鐵的耐磨性與其鑄態(tài)組織的相結(jié)構(gòu)有著必然聯(lián)系,其以高硬度的碳化物相作為耐磨骨架,奧氏體為基體,二者協(xié)同提高耐磨性。雖然冷硬鑄鐵具有較好的耐磨性,但冷硬鑄鐵軋輥在使用過(guò)程中仍然會(huì)出現(xiàn)局部脫落和耐磨性不佳的現(xiàn)象[6],因此不斷提高冷硬鑄鐵的耐磨性依然是材料工作者的任務(wù)。近年來(lái)為了改善冷硬鑄鐵的耐磨性,材料工作者開(kāi)始向其中添加合金元素[7-9];這些合金元素可以作為碳化物的形成元素,也可以固溶于基體相中,從而提高淬透性以及碳化物和基體的硬度,有效改善冷硬鑄鐵的耐磨性,提高其在苛刻環(huán)境下的服役能力。研究[10]發(fā)現(xiàn),釩的添加對(duì)冷硬鑄鐵耐磨性的改善效果顯著。吳來(lái)磊[11]研究發(fā)現(xiàn),釩可以使無(wú)限冷硬鑄鐵中的碳化物由網(wǎng)狀沿晶間分布逐漸細(xì)化為球狀和短棒狀均勻分布,添加釩的冷硬鑄鐵回火后的最高硬度可以達(dá)到60 HRC,耐磨性也顯著提高。然而,釩對(duì)冷硬鑄鐵不同磨損條件下耐磨性與磨損形貌的關(guān)系以及磨損機(jī)理的影響尚缺乏數(shù)據(jù)支撐?；诖?作者采用金屬型鑄造制備了不同釩添加量的冷硬鑄鐵,研究了釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)冷硬鑄鐵顯微組織以及抗沖擊磨粒磨損和摩擦磨損性能的影響,以期為耐磨軋輥的研制和開(kāi)發(fā)提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

以低硅生鐵、廢鋼、鉬鐵、錳鐵、鉻鐵、鎳鐵、釩鐵為原料,制備添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,0.4%,0.8%,1.2%,1.6%,2.0%釩的冷硬鑄鐵。將除釩鐵外的原料在10 kg高頻感應(yīng)電爐中熔煉,其名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為3.3C,0.8Si,0.7Mn,2.7Cr,0.3Mo,1.2Ni;熔煉溫度為1 550 ℃,待原料熔化后加入釩鐵,靜置5 min左右,當(dāng)合金液溫度達(dá)到1 420～1 450 ℃時(shí)澆注到尺寸為125 mm×100 mm×25 mm的金屬型中。金屬型需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理,即在表面涂刷覆膜砂涂料并預(yù)熱至150 ℃。待試驗(yàn)合金冷卻至950～1 000 ℃時(shí),快速脫模并置于支架上空冷(自淬火),當(dāng)溫度降至700 ℃時(shí)埋砂緩冷(自回火),通過(guò)自淬火+自回火達(dá)到降低鑄件內(nèi)應(yīng)力的目的。

采用線切割加工得到尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣、尺寸為10 mm×10 mm×30 mm的沖擊磨損試樣和尺寸為φ27 mm×5 mm的摩擦磨損試樣。金相試樣經(jīng)打磨、拋光,清水和無(wú)水乙醇清洗后吹干,王水腐蝕60～65 s,采用Nikon Epiphot 300U型倒置式光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。采用MLD-10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊磨料磨損試驗(yàn),沖錘質(zhì)量為10 kg,下試樣軸轉(zhuǎn)速為200 r·min-1,磨粒為粒徑125 μm的石英砂,流量為1 kg·h-1,落錘的沖擊功分別為1,3 J;磨損后將試樣置于乙醇溶液中超聲清洗20 min。采用MS105DU型電子天平稱(chēng)取沖擊磨粒磨損前后的試樣質(zhì)量,計(jì)算磨損質(zhì)量損失。采用GHT-1000E型高溫真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),電機(jī)轉(zhuǎn)速為797 r·min-1,電機(jī)頻率為17.72 Hz,測(cè)試時(shí)間為100 min,試驗(yàn)溫度為室溫,摩擦半徑為4 mm,對(duì)磨材料為45鋼,試驗(yàn)載荷分別為6.9,9.8 N。采用JEOL-6700F型掃描電鏡觀察磨損形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見(jiàn),不同釩含量冷硬鑄鐵組織中的晶粒生長(zhǎng)均呈各向異性,且形狀不規(guī)則。未添加釩的冷硬鑄鐵組織為亞共晶白口鑄鐵組織,由奧氏體基體、少量馬氏體、碳化物和萊氏體組成[12],奧氏體晶粒粗大,多呈塊狀、條狀分布,碳化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布;當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí),奧氏體與碳化物的尺寸變小,但減小的程度不明顯;當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí),奧氏體顯著細(xì)化,晶粒分布均勻,碳化物由網(wǎng)狀基本變?yōu)殚L(zhǎng)條狀[13-14];當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),碳化物顆粒尺寸增大并發(fā)生聚集。

圖1 不同釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)冷硬鑄鐵的顯微組織Fig.1 Microstructures of chilled cast iron with different mass fractions of vanadium

2.2 抗磨粒磨損性能

由圖2可見(jiàn),當(dāng)擺錘沖擊功為1 J時(shí),隨著釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,冷硬鑄鐵的磨損質(zhì)量損失先下降后略微升高,當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí),磨損質(zhì)量損失最小,抗沖擊磨粒磨損性能最佳。冷硬鑄鐵的基體和碳化物抵抗磨粒磨損的能力決定了材料的耐磨性[15]。隨著釩含量的增加,冷硬鑄鐵的組織發(fā)生細(xì)化,碳化物分布逐漸均勻,耐磨性能提高,但是當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.2%時(shí),晶粒開(kāi)始變得粗大,耐磨性降低,但是仍然高于未添加釩的冷硬鑄鐵。在沖擊磨粒磨損時(shí),隨著擺錘沖擊功的增大,磨損質(zhì)量損失增加[16]。在3 J沖擊功下釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%冷硬鑄鐵的磨損質(zhì)量損失(0.017 7 mg)遠(yuǎn)大于1 J沖擊功下的磨損質(zhì)量損失(0.007 0 mg)。

圖2 沖擊功為1 J下磨料磨損試驗(yàn)后冷硬鑄鐵的磨損質(zhì)量損失隨釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.2 Variation curves of wear mass loss vs vanadium mass fraction for chilled cast iron after abrasive wear tests under impact energy of 1 J

由圖3可以看出,磨粒對(duì)試樣表面均產(chǎn)生了顯著的犁削作用。未添加釩的冷硬鑄鐵磨損表面主要由剝落凹坑、層片狀材料剝落留下的微臺(tái)階、裂紋以及大量平行犁溝組成, 磨損機(jī)理為微觀切削。在磨損初期,硬度較低的基體相先被磨掉,石英砂磨粒在法向力的作用下壓入磨損表面,在切向力的作用下對(duì)磨損表面進(jìn)行犁削,從而形成大量平行犁溝,犁溝的兩側(cè)及前端形成材料卷曲和堆積。由于未添加釩的冷硬鑄鐵塑韌性較差[17],因此犁溝較粗大,犁脊處的撕裂痕跡較嚴(yán)重。磨粒切削產(chǎn)生的切應(yīng)力大于冷硬鑄鐵的屈服強(qiáng)度而尚未達(dá)到其剪切強(qiáng)度,裂紋在平行于表面的亞表層產(chǎn)生并擴(kuò)展形成宏觀裂紋,從而形成材料剝落[18]。因此磨損表面呈現(xiàn)出層片狀碎片。與未添加釩的冷硬鑄鐵相比,含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%釩的冷硬鑄鐵磨損表面裂紋和層片狀剝落顯著減少。這是因?yàn)楹|(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%釩的冷硬鑄鐵的組織顯著細(xì)化,碳化物分布更加均勻,硬度和塑韌性得到了提高[17],磨粒壓入基體內(nèi)部變得困難。在1 J沖擊功下沖擊磨粒磨損時(shí)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%釩的冷硬鑄鐵的磨損機(jī)理主要是塑性疲勞;在3 J沖擊功下該冷硬鑄鐵表面大量破碎,磨損形貌主要包括卷曲、剝落和少量的犁溝,且犁溝的深度和寬度較低沖擊功下增加,磨損機(jī)理主要是斷裂磨損。

圖3 不同沖擊功下沖擊磨粒磨損后不同釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)冷硬鑄鐵的磨損形貌Fig.3 Wear morphology of chilled cast iron with different mass fractions of vanadium after impact abrasive wear under different impact energies: (d) amplification of box area in (c)

2.3 摩擦磨損性能

由圖4可以看出,不同釩含量冷硬鑄鐵的摩擦磨損過(guò)程均可分為急劇摩擦和穩(wěn)定摩擦兩個(gè)階段,摩擦因數(shù)在急劇摩擦階段迅速升高,經(jīng)過(guò)短時(shí)間跑合達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在跑合過(guò)程中摩擦因數(shù)出現(xiàn)了下降趨勢(shì),這是因?yàn)樵谀p過(guò)程中摩擦接觸面之間的摩擦產(chǎn)物不斷累積,當(dāng)形成連續(xù)潤(rùn)滑膜時(shí),摩擦因數(shù)下降。在穩(wěn)定磨損階段,9.8 N載荷下的摩擦因數(shù)波動(dòng)程度低于6.9 N載荷下,這與之前的的研究結(jié)果類(lèi)似[19]。添加釩后,冷硬鑄鐵的穩(wěn)定摩擦因數(shù)降低,且隨著釩含量的增加,穩(wěn)定摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì);9.8 N載荷下的穩(wěn)定摩擦因數(shù)低于6.9 N載荷下,表明較大載荷下冷硬鑄鐵的摩擦磨損過(guò)程更加平穩(wěn),摩擦潤(rùn)滑層更趨近于連續(xù)。

圖4 不同載荷摩擦磨損時(shí)不同釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)冷硬鑄鐵的摩擦因數(shù)變化曲線以及穩(wěn)定摩擦因數(shù)隨釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.4 Variation curves of friction factor (a-b) and curves of stable friction factor vs vanadium mass fraction (c) for chilled cast iron with different mass fractions of vanadium during frictional wear under different loads

由圖5可以看出,不同釩含量鑄鐵表面磨痕深度不均勻,出現(xiàn)了許多剝落坑型的孤島突出峰和犁溝,表面較粗糙[20-23]。當(dāng)載荷為6.9 N時(shí),未添加釩的冷硬鑄鐵表面有大量的犁溝和黏著剝落,磨損機(jī)理為微觀切削;添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%釩后鑄鐵表面的犁溝減少,磨損機(jī)理主要是黏著磨損;添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%釩后,鑄鐵磨痕顯著減少,磨損機(jī)理為多次塑變磨損;當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%釩時(shí),細(xì)小的潤(rùn)滑層趨近于連續(xù),磨損形貌得到顯著改善,犁溝減少,磨損機(jī)理為疲勞磨損。當(dāng)載荷為9.8 N時(shí),未添加釩的冷硬鑄鐵磨損表面有大量顆粒,磨損機(jī)理主要是磨粒磨損;當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí),犁溝數(shù)量顯著減少,細(xì)小的潤(rùn)滑層基本連續(xù),磨損機(jī)理為疲勞磨損。未添加釩的冷硬鑄鐵塑韌性較差,磨損后發(fā)生材料剝落形成磨粒,因此犁溝較為明顯。加入釩后鑄鐵組織細(xì)化,碳化物分布變均勻,基體的強(qiáng)度在一定程度上得到了提高,磨損后形成少量細(xì)小磨屑,填平磨損產(chǎn)生的凹坑并形成細(xì)小連續(xù)的潤(rùn)滑層。

圖5 不同載荷摩擦磨損后不同釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)冷硬鑄鐵的磨損形貌Fig.5 Wear morphology of chilled cast iron with different mass fractions of vanadium after frictional wear under different loads

3 結(jié) 論

(1) 隨著釩含量的增加,冷硬鑄鐵的顯微組織發(fā)生明顯細(xì)化,碳化物分布更加均勻,碳化物由網(wǎng)狀變?yōu)殚L(zhǎng)條狀,但當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.2%時(shí),碳化物過(guò)度長(zhǎng)大并發(fā)生聚集。當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)冷硬鑄鐵組織最佳。

(2) 隨著釩含量的增加,沖擊磨粒磨損試驗(yàn)后冷硬鑄鐵的磨損質(zhì)量損失先下降后略微升高,當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí),磨損質(zhì)量損失最小,抗沖擊磨粒磨損性能最佳。未添加釩冷硬鑄鐵的沖擊磨粒磨損機(jī)理在1 J沖擊功下以微觀切削為主;含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%釩的冷硬鑄鐵的沖擊磨粒磨損機(jī)理在1 J沖擊功下以塑性疲勞為主,在3 J沖擊功下以斷裂磨損為主。

(3) 添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0,0.4%,0.8%,1.2%釩的冷硬鑄鐵在6.9 N載荷下的摩擦磨損機(jī)理分別為微觀切削、黏著磨損、多次塑變磨損和疲勞磨損;添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0,1.2%釩的冷硬鑄鐵在9.8 N載荷下的摩擦磨損機(jī)理分別為磨粒磨損和疲勞磨損。