高铬铸铁叶片材质研究

辽宁工程技术大学硕士学位论文钒钛高铬铸铁及其耐磨机理的研究姓名：苏丹申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：刘忆20060101辽宁工程技术大学硕士学位论文１９退火后组织如图所示：高铬白口铸铁退火后的组织结构主要是变异莱氏体＋珠光体＋二次渗碳体。

图２—２退火后组织２．３．１淬火试验高铬铸铁在铸态和热处理态都具有很好的耐磨性，但在实际工作过程中，铸态的高铬铸铁不一定能得到需要的组织，为了发挥其耐磨性，常常处理成马氏体基体，使基体本身更耐磨，更好的支持碳化物。

本试验淬火温度选取了９６０℃。

２．３．２回火试验回火是铸件淬火后必不可少的后续工序，回火温度取２６０℃，使铸件淬火后的温度趋于稳定化。

舀舞时同ｈ．·图２－３“淬火＋回火”工艺曲图３．１为ｖ含量为０．８％的铸态试样ｘ射线衍射图谱，可以看出，存在奥氏体相，生成Ｃｒ７Ｃ３，Ｆｅ３Ｃ，Ｍ０２Ｃ，ＴｉＣ和Ｖ２Ｃ等化合物；图３－２为该试样热处理后ｘ射线衍射图谱，奥氏体大部分转变成马氏体，同时还有Ｃｒ７Ｃ３，Ｍ０２Ｃ，ＴｉＣ和Ｖ２Ｃ等化合物生成。

３．１．２金相组织高铬铸铁的铸态金相组织为共晶碳化物＋奥氏体及奥氏体的转变产物．如图３．３。

当含ｃｒ大于１２％时，高铬铸铁的共晶碳化物主要是Ｍ７Ｃ３型共晶碳化物，所以高铬铸铁的铸态组织为奥氏体加Ｍ７ｃ３型碳化物及少量马氏体组成，碳化物呈美丽的菊花状和条块状。

高铬铸铁若想获得马氏体组织，必须得通过热处理来实现Ｄｓ］。

（ａ）加入０．８％钒×４００（ｂ）加入ｌ－０％钒×４００图３．３钒钛高铬铸铁铸态试样的显微组织（ａ）未加钒（ｂ）加入０．６％钒×４００辽宁工程技术大学硕士学位论丈（ｃ）加入０．８％钒ｘ４００（ｄ）加入１．０％钒Ｘ４００图３—４钒钛高铬铸铁热处理后试样的显微组织图３－４是未加钒和加不同含量的钒变质处理试样热处理后的组织，其组织均为马氏体＋碳化物＋弥散分布的二次碳化物‘９１。

TiC_x-高铬铸铁复合材料的制备及性能研究摘要：本文研究了 TiC_x/高铬铸铁复合材料的制备及性能。

通过石墨烯氧化物还原法制备了 TiC_x 纳米粉末，将其添加到高铬铸铁中，制备出不同比例的 TiC_x/高铬铸铁复合材料。

对样品进行了微观结构、力学性能和耐磨性能等方面的测试，结果表明：当 TiC_x 含量为5%时，复合材料的力学性能最佳，其摩擦系数和耐磨性能均得到了显著提高。

同时，通过扫描电镜和X射线衍射等分析方法，确定了 TiC_x 纳米颗粒和高铬铸铁间的强耦合作用，进一步验证了 TiC_x/高铬铸铁复合材料制备的可行性和有效性。

关键词：TiC_x；高铬铸铁；复合材料；石墨烯氧化物还原法；力学性能；耐磨性能1. 引言高铬铸铁具有优异的高温性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空、汽车、机械等领域中。

然而，在一些高负荷、高摩擦、高温、高磨损等恶劣环境下，高铬铸铁的性能存在一定的局限性。

为了克服这些问题，研究人员将其与其他材料复合，制备出了一系列优异性能的复合材料。

TiC_x 纳米粉末是一种具有优异耐磨性和高硬度的材料，将其添加到高铬铸铁中可以有效提高其力学性能和耐磨性能。

2. 实验材料和方法2.1 材料高铬铸铁、TiC_x 纳米粉末、石墨烯氧化物、异丙醇、乙二醇等。

2.2 方法首先通过石墨烯氧化物还原法制备出 TiC_x 纳米粉末，然后将其添加到高铬铸铁中，并采用真空感应炉对样品进行热处理。

通过SEM、XRD、TEM等分析手段对样品进行了微观结构和物理性能等方面的测试。

3. 结果与分析通过SEM观察得到，TiC_x 纳米颗粒均匀分布于高铬铸铁基体中，并且与基体间存在强耦合。

随着 TiC_x 含量的增加，样品的硬度和强度均呈现出上升趋势。

当 TiC_x 含量为5%时，复合材料的力学性能最佳，其摩擦系数和耐磨性能均得到了显著提高。

4. 结论本文采用石墨烯氧化物还原法制备了 TiC_x 纳米颗粒，并将其添加到高铬铸铁中，制备出了 TiC_x/高铬铸铁复合材料。

高铬铸铁双吸叶轮铸造工艺设计及优化近期我公司承接了国外客户来图加工的叶轮合同，要求材质为耐磨铸铁A49，叶轮运行环境弱酸性溶液。

由于叶轮作为过流部件，溶液对叶轮腐蚀性比较厉害，而我厂的A49材质属于良好耐磨耐腐蚀性材料，但是它的脆性比较强，它的铸造性能比普通的高铬铸铁差，容易抽裂，铸造废品率较高。

次双吸叶轮结构更复杂，合理的铸造工艺尤为重要。

本文主要探讨此双吸叶轮的铸造工艺及优化。

一、铸件简介本次生产的双吸叶轮结构如下图所示，叶轮主要特点为：双吸式叶轮，上下结构对称，被中间盖板隔开，毛坯重量为600kg，叶轮外径为800mm，叶轮高度为400mm，叶片上下个5枚叶片，叶片厚度为30mm，盖板厚度为40mm，其化学成分如下C：1.85～2.15%、Si：0.3～0.8%、Mn：0.5～1.0%、P<0.10、S<0.08、Cr：24～30%、Ni：2.0～3.0%、Cu：0.5～1.5%、Mo：2.0～3.0%。

技术要求流道内部表面光滑平整，无凸起和凹陷部位，不能有砂眼、裂纹、缩孔等铸造缺陷，静平衡质量允许差为100g，硬度要求HRC45～50。

二、铸造工艺设计2.1叶轮结构较复杂，模型和芯盒均采用木模，叶片采用铸铝，造型方法采用呋喃树脂砂造型，砂型尺寸为1200*1200*400两扇。

2.2分型面和拔模斜度。

根据叶轮的形状，在上盖板中间分型，如工艺图所示，查《铸造工程师手册》取拔模斜度取1%。

2.3收缩率与加工量。

高铬铸铁收缩率比较大，一般按照2%留收缩，结合我厂多年生产叶轮的实际经验，叶轮流道部分基本不收缩，所以流道不留收缩，其余按照2%留收缩。

加工量：高铬铸铁材质较硬和脆，不利于机械加工，所以加工量尽量留小一点，参考铸件尺寸和机械加工余量（GB/T6414-1999）以及结合我厂多年实际生产经验，取上箱加工量为5mm，下箱加工量为4mm。

2.4浇注系统和冒口设计。

高铬铸铁A49材料流动性很差，宜采用开放浇注系统，在叶轮上下两层，沿盖板芯头外圆处，内浇道六道，各浇道截面积按照F 直：F横：F内：=1.0：0.9：1.2。

《ZTA-高铬铸铁复合材料组织结构及浸渗行为研究》ZTA-高铬铸铁复合材料组织结构及浸渗行为研究一、引言随着现代工业技术的快速发展，复合材料因其优异的物理和化学性能，在众多领域中得到了广泛的应用。

其中，ZTA（氧化锆增韧的氧化铝）陶瓷和高铬铸铁复合材料因其高硬度、高耐磨性及良好的耐腐蚀性，在机械制造、汽车制造、石油化工等领域展现出显著的优势。

对这类复合材料的组织结构及浸渗行为进行研究，对于优化其性能，提高应用效果具有重要意义。

二、ZTA/高铬铸铁复合材料的组织结构1. 材料组成与制备ZTA/高铬铸铁复合材料主要由ZTA陶瓷颗粒和高铬铸铁基体组成。

制备过程中，通过粉末冶金技术将两种材料均匀混合，并经过烧结、压制等工艺，形成具有特定性能的复合材料。

2. 组织结构特点（1）ZTA陶瓷颗粒：ZTA陶瓷颗粒具有较高的硬度和良好的韧性，能够有效提高复合材料的整体强度和耐磨性。

其晶粒尺寸较小，分布均匀。

（2）高铬铸铁基体：基体具有较好的延展性和塑性，能够与ZTA陶瓷颗粒形成良好的界面结合。

同时，高铬成分能够有效提高材料的耐腐蚀性。

3. 显微结构分析通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段，可以观察到ZTA/高铬铸铁复合材料中两种材料的显微结构及分布情况。

结果显示，ZTA陶瓷颗粒均匀地分布在基体中，形成了致密的复合材料结构。

三、浸渗行为研究1. 浸渗过程浸渗行为是指复合材料在特定环境下，如高温、高压等条件下，基体对ZTA陶瓷颗粒的渗透和融合过程。

这一过程对于复合材料的性能具有重要影响。

2. 影响因素（1）温度：温度是影响浸渗行为的关键因素。

随着温度的升高，基体对ZTA陶瓷颗粒的渗透能力增强，有利于两种材料的紧密结合。

（2）压力：压力的大小也会影响浸渗效果。

适当的压力能够促进基体对ZTA陶瓷颗粒的渗透，提高两种材料的界面结合强度。

（3）时间：浸渗过程需要一定的时间。

随着浸渗时间的延长，基体与ZTA陶瓷颗粒的界面结合更加紧密，有利于提高复合材料的整体性能。

高铬铸铁
高铬铸铁是一种含有高铬（一般大于12%）的铸铁材料。

它具有良好的耐磨、耐热、抗腐蚀等性能，广泛应用于矿山、冶金、水泥、电力等行业中需要抗磨、抗腐蚀性能较高的零部件制造。

高铬铸铁的主要优点有：
1. 良好的耐磨性：高铬铸铁中的高铬元素可以形成较硬的碳化铬（Cr7C3），提高材料的硬度和耐磨性。

2. 良好的耐热性：高铬铸铁中的高铬元素可以提高材料的热稳定性和耐高温性能，适用于高温环境下的工作。

3. 抗腐蚀性能优异：高铬铸铁中的高铬元素可以形成致密的氧化铬（Cr2O3）保护膜，有效阻止氧、水和其他腐蚀介质的侵蚀。

4. 加工性能好：高铬铸铁具有良好的铸造流动性和机械加工性能，可以通过各种铸造和加工方法进行成型。

尽管高铬铸铁具有许多优点，但也存在一些缺点，如易产生铬酸盐等有害物质，需要注意环保和安全问题。

此外，高铬铸铁较为脆性，对冲击和震动敏感，需合理设计和使用。

Cr 27高铬铸铁生产工艺的实验研究cr27高铬铸铁生产工艺的实验研究cr27高铬铸铁生产工艺的实验研究由于一些特种泵工作条件严酷，忍受磨损和锈蚀等多种促进作用，国外生产企业多使用含cr23%~30%的低铬铸铁提升耐热件使用寿命，例如英国用含cg25%低铬铸铁生产杂质泵，发掘海底沙石，寿命仅约2年。

国内某些生产厂家使用含铬26%~28%的低铬铸铁生产特种泵铸件，获得一定效果，但在实际应用领域中存有使用寿命高、质量不平衡、加工困难等问题，本文对含铬26%~28%低铬铸铁的选矿及热处理工艺展开了实验研究，选取了合金的成分及生产工艺。

1金成分的选取碳和铬，碳是提高合金硬度的主加元素，提高含碳量能增加碳化物数量，效果比提高铬量更显著，但降低铸件韧性。

由于特种泵铸件受冲击载荷较小，应选择高碳，合金含碳量可选定为2.5%~3.5%。

铬是高铬铸铁的主加元素，特种泵主要为耐腐蚀磨损，考虑耐蚀性的影响，含铬量定为26%~28%，cr/c为8~10。

根据经验公式，基体中含铬量为cr%=1.95cr/-2.47，合金基体的平均含铬量在14%左右，大于11.7%，具有很好的抗蚀性。

碳、铬、和碳化物之间有如下关系：碳化物%=12.33%c+0.55%cr-15.2%。

合金中碳化物的数量为30%~35%，具有优良的抗磨性能。

铬大部分形成合金碳化物，因合金淬透性很差，须加入其它合金元素来改善。

钼，钼的主要促进作用就是提升合金淬透性，钼减少ms点的促进作用并不大。

当钼和铜联手采用时，提升淬透性更显著。

含钼量掌控在1.5~3.0%。

镍，镍为非碳化物形成元素，全部溶于奥氏体，使ms点明显降低。

含镍量宜控制在低于2.0%。

硅，硅可以由合金炉料带进及以脱氧剂形式重新加入。

硅可以提升ms点，但减少合金淬透性。

硅固溶基体中减少铸铁脆性，不含硅量可以掌控在0.50%~1.0%。

锰，锰能提高合金淬透性，但强烈降低ms点，使残余奥氏体明显增加，硬度下降。

高韧性高铬铸铁衬板的研制和应用冯胜山杨应凯叶学贤曹金宏余松明1 前言据统计，我国每年消耗的金属耐磨材料约300万吨以上，其中仅冶金矿山消耗的衬板就达10万吨左右。

目前我国各类矿山用磨机等选矿设备中的衬板等易损件一般都采用ZGMn13高锰钢材质。

这类易损件在使用时要承受一定的冲击和磨料磨损，因此其材质应具有良好的抗磨性能和一定的冲击韧性。

ZGMn13奥氏体高锰钢的冲击韧性很高(аk达200J/cm2),原始硬度不超过HB230，但在高的冲击负荷作用下，工件表面层能够产生硬化效应，其表面硬度可达HRC42～48，而中心仍保持优良的韧性。

但如果服役时冲击能量不够，奥氏体高锰钢表面冲击硬化效应不能充分产生，高锰钢表面达不到高硬度，则工件很快磨损。

同时高锰钢的屈服极限（б0.2）较低（约为350MPa左右），在使用中，尤其是使用前期工件易发生塑性变形。

另外球磨机衬板与研磨介质（如磨球）之间还存在一个硬度匹配问题，研磨介质硬度一般应高于衬板硬度HRC3左右较宜，但目前很多厂矿使用的低铬铸铁、高铬铸铁磨球的硬度大大高于高锰钢衬板硬度。

高锰钢在低冲击负荷下的上述不足常常导致工件的韧性有余而耐磨性不够，磨损失效快，而且变形严重，致使工件寿命短。

Cr>11%的高铬白口铸铁的共晶碳化物为六方晶系的M7C3，（CrFe）7C3的硬度为HRV50 1200～1800，比一般白口铸铁的共晶碳化物Fe3C（HRV50840～1100）高，同时凝固特性发生变化，凝固时（CrFe）7C3是孤立相，而奥氏体是连续相，因而韧性较普通白口铸铁大有改善，因此是抗磨粒磨损和抗切削磨损的首选材料。

国外应用较多，主要用于中低冲击负荷工况条件的衬板、锤头、磨球、渣浆泵过流部件等大中型磨损件。

国内外对高铬铸铁的磨损机制、断裂机制、断裂韧性（Ｋ1c值）、裂纹扩展机理进行了一系列的研究，结果表明高铬铸铁可以通过调整碳铬比，加入各类合金元素，采用稀土变质处理和热处理工艺等来控制碳化物的大小和形态、二次碳化物量及弥散度以及基体组织（马氏体、奥氏体、索氏体），从而调整性能，满足工件使用要求。

高铬铸铁化学成分范围
高铬铸铁化学成分范围
高铬铸铁是一种具有高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性的铸铁材料。

其化学成分范围对于材料的性能有着至关重要的影响。

高铬铸铁的化学成分范围通常为：C 2.5-3.5%，Si 0.5-1.5%，Mn 0.5-1.0%，Cr 12-28%，Mo 0-3%，Ni 0-3%，Cu 0-1%，P ≤0.15%，S ≤0.10%。

其中，碳是高铬铸铁的主要合金元素之一，可以提高材料的硬度和强度。

硅可以提高铸铁的流动性和耐磨性。

锰可以提高铸铁的强度和韧性。

铬是高铬铸铁的关键合金元素，可以提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。

钼、镍和铜等元素可以进一步提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。

在高铬铸铁的化学成分范围中，磷和硫的含量也非常重要。

过高的磷和硫含量会降低材料的韧性和冲击韧性，从而影响材料的使用寿命和安全性。

在实际应用中，高铬铸铁的化学成分范围可以根据不同的使用要求进行调整。

例如，在一些高温环境下使用的高铬铸铁中，通常会增加钼的含量，以提高材料的耐热性和耐腐蚀性。

高铬铸铁的化学成分范围对于材料的性能有着至关重要的影响。

在实际应用中，需要根据不同的使用要求进行合理的调整，以获得最佳的性能表现。

山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ第３４卷第５期２０２１年１０月出版Ｖｏｌ.３４Ｎｏ.５Ｏｃｔ.２０２１ＤＯＩ:１０.３９７６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣４０２６.２０２１.０５.００６ʌ新材料ɔ收稿日期:２０２０￣０９￣３０作者简介:王学亮(１９８２ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ研究方向为先进耐磨材料ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｘｕｅ２１１１２＠１２６.ｃｏｍ∗通信作者ꎬ王瑞国ꎬ男ꎬ工程师ꎬ研究方向为表面清理工程ꎮＴｅｌ:１５１６９９１１８５７ꎬＥ￣ｍａｉｌ:１２４４０４２４９＠ｑｑ.ｃｏｍ熔模铸造高铬铸铁抛丸器叶片耐磨性王学亮ꎬ王勇杰ꎬ刘立艳ꎬ王瑞国∗ꎬ张朝阳(山东开泰抛丸机械股份有限公司ꎬ山东邹平２５６２１７)摘要:以正交试验法研究高铬铸铁抛丸器叶片最佳热处理工艺参数ꎬ通过添加微量钒元素及纳米ＷＣ/ＴｉＣ颗粒ꎬ改善高铬铸铁件的耐磨性并提高使用寿命ꎬ取得了初步的成效ꎮ试验结果发现:当淬火保温时间３ｈ㊁回火温度４５０ħ㊁回火时间２ｈ㊁叶片硬度６０ＨＲＣ时ꎬ耐磨性最好ꎻ微量钒元素和纳米ＷＣ/ＴｉＣ颗粒的加入ꎬ可细化叶片微观组织ꎬ改变碳化物形貌ꎬ使叶片耐磨性提高３０％ꎮ研究结果表明ꎬ优化热处理工艺和添加特殊成分可提高高铬叶片的耐磨性ꎬ提高综合效益ꎮ关键词:高铬铸铁ꎻ热处理ꎻ硬度ꎻ耐磨性ꎻ钒中图分类号:ＴＧ１４１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２１)０５￣００４２￣０７开放科学(资源服务)标志码(ＯＳＩＤ):Ｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ￣Ｃｒｃａｓｔ￣ｉｒｏｎｂｌａｄｅｏｆｓｈｏｔｂｌａｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗｉｔｈｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔｉｎｇＷＡＮＧＸｕｅ￣ｌｉａｎｇꎬＷＡＮＧＹｏｎｇ￣ｊｉｅꎬＬＩＵＬｉ￣ｙａｎꎬＷＡＮＧＲｕｉ￣ｇｕｏ∗ꎬＺＨＡＮＧＣｈａｏ￣ｙａｎｇ(ＳｈａｎｄｏｎｇＫａｉｔａｉＳｈｏｔＢｌａｓｔｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＺｏｕｐｉｎｇ２５６２１７ꎬＣｈｉｎａ)ＡｂｓｔｒａｃｔʒＴｈｅｏｐｔｉｍａｌｈｅａｔ￣ｔｒｅａｔｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈ￣ｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎｂｌａｄｅｓｏｆｓｈｏｔｂｌａｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗｅｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎ.Ｗｉｔｈｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓꎬｖａｎａｄｉｕｍａｎｄｎａｎｏ￣ｓｉｚｅｄＷＣ/ＴｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓꎬｔｈｅｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ￣ｃｈｒｏｍｉｕｍ(Ｃｒ)ｃａｓｔ￣ｉｒｏｎｃａｓｔｉｎｇｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄꎬｔｈｕｓｅｘｔｅｎｄｉｎｇｉｔｓｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｂｌａｄｅｓᶄｈａｒｄｎｅｓｓｗａｓ６０ＨＲＣａｎｄｉｔｓｂｅｓｔｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｔａｑｕｅｎｃｈｉｎｇｓｏａｋｉｎｇｔｉｍｅｏｆ３ｈｗｈｉｌｅｔｅｍｐｉｎｇａｔ４５０ħｆｏｒ２ｈ.Ｂｙａｄｄｉｎｇｔｈｅｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓꎬｖａｎａｄｉｕｍａｎｄｎａｎｏ￣ｓｉｚｅｄＷＣ/ＴｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓꎬｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｗａｓｒｅｆｉｎｅｄꎬｔｈｅｃａｒｂｉｄｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｗａｓｃｈａｎｇｅｄꎬａｎｄｔｈｅｗｅａｒｒｅｓｉｓｔｅｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ３０％.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ￣Ｃｒｂｌａｄｅｓｃａｎｂｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｈｅａｔ￣ｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｂｌａｄｅｓᶄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎꎬｔｈｅｒｅｂｙｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｂｅｎｅｆｉｔｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓʒｈｉｇｈ￣ｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎꎻｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔꎻｈａｒｄｎｅｓｓꎻｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎻＣｒ第５期王学亮ꎬ等:熔模铸造高铬铸铁抛丸器叶片耐磨性㊀㊀抛丸器耐磨件一般多用高铬铸铁材料ꎬ包括叶片㊁定向套和分丸轮等ꎮ高速弹丸流(金属或非金属磨料)在高速旋转叶片的离心力作用下ꎬ抛打所要清理的工件表面ꎬ去除毛刺㊁黏砂㊁氧化皮和锈迹等ꎬ得到一定粗糙度和清洁度的表面ꎮ抛丸器的使用寿命主要由叶片的耐磨性决定ꎬ制作叶片的材料经历了普通白口铸铁㊁镍硬白口铸铁㊁高铬铸铁三个阶段[１￣３]ꎮ高铬铸铁比一般白口铸铁有更好的耐磨性和韧性ꎬ同时还兼有良好的抗腐蚀和耐高温性能ꎬ且成本适中㊁生产便捷ꎬ成为当今优良的抗磨料磨损材料之一[４￣７]ꎮ高铬铸铁中具有Ｍ７Ｃ３[(Ｃｒ Ｆｅ)７Ｃ３]型碳化物ꎬ属于六方晶系ꎬ硬度达１２００~１７００ＨＶꎬ远高于Ｍ３Ｃ(Ｆｅ３Ｃ)ꎮ这种呈杆状和片状的碳化物孤立分布ꎬ减小了对基体的割裂作用ꎬ保证了较好的韧性[８]ꎮ高铬铸铁要选用亚共晶成分ꎬ且铬碳比需合理ꎬ否则基体组织中会析出粗大的过共晶初生碳化物ꎮ初生碳化物内部有共晶成分的组织及缩孔ꎬ其截面呈规则的六边形ꎮ金属磨料的冲击挤压易导致粗大的初生碳化物的碎裂剥落ꎬ而剥落的碳化物碎粒硬度远高于金属磨料ꎬ当碳化物碎粒压入叶片表面ꎬ会犁出沟槽导致叶片磨损加剧ꎬ如图１所示ꎮ图１㊀叶片磨损后形貌Ｆｉｇ.１㊀Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｗｏｒｎｂｌａｄｅ抛丸器耐磨件一般采用砂型铸造工艺ꎬ为提高耐磨件的精度和性能ꎬ抛丸器耐磨件熔模铸造技术应运而生ꎮ熔模铸造的耐磨件尺寸精度高㊁表面质量好㊁内部缺陷少㊁组织致密ꎮ由于在蜡模组树黏结时ꎬ耐磨件可改变浇注位置ꎬ符合顺序凝固原则ꎬ可明显优化碳化物生产方向ꎬ提高铸件内在质量ꎮ山东开泰抛丸机械股份有限公司生产的高铬铸铁耐磨件(叶片㊁定向套㊁分丸轮等)ꎬ在国内同行业中处于领先地位ꎬ但与国外产品相比仍有较大差距ꎮ本文旨在研究熔模铸造高铬铸铁成分配比㊁热处理工艺及添加剂成分ꎬ探寻最佳的工艺参数ꎬ以改善高铬铸铁件的耐磨性ꎬ提高使用寿命ꎬ降低成本ꎮ１㊀试验方法与方案本试验以３６０抛丸器用３６０叶片为研究对象ꎬ探索高铬铸铁耐磨件生产的最佳工艺参数ꎮ试验采用ＳＰＥＣＴＲＯＬＡＢ１８Ａ光谱仪测试高铬铸铁化学成分ꎬ采用ＨＲ￣１５０Ａ洛氏硬度计测试硬度ꎬ采用ＪＢ￣３００型摆锤式冲击试验机检测冲击韧性(因高铬铸铁韧性较低ꎬ冲击试样选用无缺口试样)ꎬ在尼康ＭＡ￣１００光学显微镜上进行金相组织观察ꎮ高铬铸铁抛丸器叶片熔模铸造工艺如图２所示ꎮ不同叶片使用寿命在同一台Ｑ３７８抛丸机上装机试验ꎬ同工况下ꎬ使用相同的金属磨料㊁抛打相同的工件ꎬ记录抛丸器运行时间和叶片使用寿命ꎮ图２㊀高铬铸铁抛丸器叶片熔模铸造工艺Ｆｉｇ.２㊀Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｉｇｈ￣ｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔ￣ｉｒｏｎｂｌａｄｅｏｆｓｈｏｔｂｌａｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ３４山㊀东㊀科㊀学２０２１年２㊀结果与讨论２.１㊀高铬铸铁性能及成分设计铬是高铬铸铁中的主要合金元素ꎬ其一部分形成碳化物ꎬ还有一部分固溶于γ相中ꎬ使淬透性提高ꎬ铬质量分数大于１０％时才能得到Ｍ７Ｃ３(Ｃｒ Ｆｅ)７Ｃ３型碳化物ꎮ铬和碳的含量影响高铬铸铁的淬透性ꎬ铬碳比增大ꎬ可提高淬透性ꎬ高铬铸铁的铬碳比通常为４~８[９]ꎮ碳化物的含量直接关系到高铬铸铁的耐磨性ꎬ碳化物含量提高ꎬ耐磨性随之提高ꎬ同时淬透性和韧性降低ꎮ碳化物的含量与碳和铬含量的定量关系可由下式表示[１０]:Ｋ＝１１.３Ａ＋０.５Ｂ－１３.４ꎬ(１)式中ꎬＫ为碳化物质量分数ꎬＡ为碳的质量分数ꎬＢ为铬的质量分数ꎮ可知ꎬ只要提高碳和铬的含量ꎬ就可提高碳化物的含量ꎬ其中铬的作用比碳小得多ꎮ加入一定的合金元素可提高高铬铸铁的淬透性ꎬ这些元素通常是钼㊁铜㊁钒㊁镍等ꎮ钒元素可以使碳化物球化ꎬ并细化组织ꎬ提高韧性ꎮ要获得优良耐磨性的高铬铸铁ꎬ首先要对其成分进行设计ꎮ一般情况下ꎬ高铬耐磨铸铁要求:①选择共晶或亚共晶成分ꎻ②碳化物数量合适ꎻ③铬碳比合理ꎬＭ７Ｃ３类型碳化物比例尽量多ꎻ④根据使用工况ꎬ使耐磨性和韧性达到最佳配合ꎻ⑤淬透性好ꎬ空冷或风冷淬火时组织中不得出现索氏体和珠光体[１１]ꎮ综合考虑各元素作用ꎬ本研究中普通３６０叶片的成分如表１所示ꎮ表１㊀普通叶片成分配比(质量分数)０.２５％~０.４５％１８％~２３％３.９％~４.４％１７％~２５％６％~９％５.０~８.５余量２.２㊀高铬铸铁叶片热处理工艺改进高铬铸铁产品传统热处理工艺为:２６０㊁４２０㊁５６０㊁８８０ħ下各保温１ｈꎬ然后升温至１０００ħꎬ保温后出炉空淬ꎬ２２０ħ井式炉回火ꎮ为了得到热处理最优工艺流程ꎬ设计正交试验进行热处理试验ꎬ为保证完全奥氏体化ꎬ加热温度需维持在１０００ħꎬ正交试验的因素水平表如表２所示ꎮ正交试验结果如表３所示ꎮ表２㊀正交试验因素水平表２２３５０１.５３３４５０２.０４４５５０２.５４４第５期王学亮ꎬ等:熔模铸造高铬铸铁抛丸器叶片耐磨性表３㊀普通叶片正交试验热处理方案及结果分析Ｔａｂｌｅ３㊀Ａｎａｌｙｓｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎ２１３５０１.５５８.７３１４５０２.０６１.５４１５５０２.５５８.５５２２５０１.５５８.１６２３５０２.０６１.１７２４５０２.５６０.５８２５５０１.０５７.５９３２５０２.０６１.９１０３３５０２.５６１.１１１３４５０１.０６１.７１２３５５０１.５６１.４１３４２５０２.５５７.５１４４３５０１.０６１.２１５４４５０１.５６１.５１６４５５０２.０６０.３Ｋ１２４０.２２３９.０２４１.９Ｋ２２３７.２２４２.１２３９.７Ｋ３２４６.１２４５.２２４４.８Ｋ４２４０.５２３７.７２３７.６ｋ１６０.０５０５９.７５０６０.４７５ｋ２５９.３００６０.５２５５９.９２５ｋ３６１.５２５６１.３００６１.２００ｋ４６０.１２５５９.４２５５９.４００极差Ｒ２.２２５１.８７５１.８００主次顺序ＡꎬＢꎬＣ最优水平Ａ３Ｂ３Ｃ３㊀㊀通过分析表３中硬度结果ꎬ可以发现最优的热处理工艺为:保温时间３ｈ㊁回火温度４５０ħ㊁回火时间２ｈꎮ图３为常规热处理工艺与最优热处理工艺后叶片金相组织对比ꎬ通过对比发现ꎬ基体组织均为马氏体ꎬ但在最优热处理工艺下的叶片金相组织的碳化物更细小ꎬ对基体的割裂作用更小ꎬ因此具有更好的耐磨性ꎮ(ａ)常规热处理工艺(４００倍)㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)最优热处理工艺(４００倍)图３㊀常规热处理工艺与最优热处理工艺叶片金相组织对比Ｆｉｇ.３㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｎｄｏｐｔｉｍａｌｐｒｅｐａｒｅｄｂｌａｄｅ５４山㊀东㊀科㊀学２０２１年２.３㊀添加钒对高铬铸铁叶片性能的影响钒是优良的合金添加剂ꎬ钢或铸铁中加入微量的钒可细化组织晶粒ꎬ提高强度和韧性[１２]ꎮ因此在高铬叶片中尝试加入微量钒ꎬ细化组织晶粒ꎬ同时减少铬铁的使用量ꎬ降低成本ꎮ加钒叶片成分(质量分数)见表４ꎬ图４为加钒叶片金相结果ꎮ分析图４可知ꎬ加钒叶片热处理后碳化物较普通叶片更细小ꎬ硬度平均值为５４.８ＨＲＣꎬ冲击韧性９Ｊ/ｃｍ２ꎬ虽然硬度较普通叶片６０ＨＲＣ有所降低ꎬ但冲击韧性有所提高ꎬ通过装机试验对比ꎬ其使用寿命略低于普通叶片５％左右ꎬ但其成本比常规叶片低２０％ꎮ表４㊀加钒叶片成分(质量分数)０.０３２％０.３７２％８３.４８７％４.１９％１９.８９％７.９１％５.３２(ａ)１００倍㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)４００倍图４㊀含钒叶片金相组织Ｆｉｇ.４㊀Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｖａｎａｄｉｕｍｂｌａｄｅ２.４㊀纳米ＷＣ/ＴｉＣ复合颗粒对高铬铸铁叶片性能的影响利用纳米ＷＣ/ＴｉＣ复合颗粒增强高铬铸铁ꎬ制备新型高铬铸铁基复合材料ꎬ是高铬铸铁未来发展的趋势之一[１３￣１６]ꎮ由于纳米ＷＣ/ＴｉＣ复合颗粒粒径小㊁分布均匀㊁比表面积大㊁表面活性高㊁耐高温㊁抗氧化㊁硬度高ꎬ是一种很好的耐熔耐磨材料ꎮ在抛丸器中加入ＷＣ/ＴｉＣ复合颗粒ꎬ可抑制基体生长ꎬ改变Ｍ７Ｃ３的生长形貌ꎬ可作为形核质点细化晶粒ꎬ提高高铬铸铁的硬度和韧性ꎬ从而提高其耐磨性ꎮ颗粒增强高铬铸铁可采取如下试验方案:第一组ꎬ无添加ꎻ第二组ꎬ将纳米ＷＣ/ＴｉＣ复合颗粒变质剂(１２ｇ)出铁水前加入浇包(１００ｋｇ)内ꎬ依靠高温铁水将复合颗粒熔化ꎬ静置２~３ｍｉｎꎮ添加纳米ＷＣ/ＴｉＣ复合颗粒后金相组织如图５所示ꎬ其碳化物较普通叶片明显细小ꎬ碳化物由粗大的板条状变为断续的网状分布ꎬ对基体的割裂作用减小ꎮ装机试验使用寿命提高了３０％ꎬ约１００ｈꎮ㊀㊀㊀㊀(ａ)无添加(４００倍)㊀㊀㊀㊀(ｂ)添加纳米ＷＣ/ＴｉＣ材料(４００倍)图５㊀添加纳米材料前后的叶片显微组织Ｆｉｇ.５㊀Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ６４７４第５期王学亮ꎬ等:熔模铸造高铬铸铁抛丸器叶片耐磨性３㊀结论(１)通过正交试验方案探索了热处理工艺ꎬ得出１０００ħ保温时间３ｈ㊁回火温度４５０ħ㊁回火时间２ｈ为最佳热处理工艺ꎮ添加微量钒及纳米ＷＣ/Ｔｉ颗粒均可改善高铬叶片的耐磨性或降低生产成本ꎮ(２)添加微量钒元素ꎬ硬度平均值为５４.８ＨＲＣꎬ冲击韧性９Ｊ/ｃｍ２ꎬ虽然硬度较普通叶片６０ＨＲＣ有所降低ꎬ但冲击韧性有所提高ꎬ通过装机试验对比ꎬ其使用寿命略低于普通叶片５％左右ꎬ但其成本比常规叶片低２０％ꎬ提高了综合效益ꎮ(３)通过添加纳米ＷＣ/ＴｉＣ复合颗粒ꎬ碳化物由粗大的板条状变为断续的网状分布ꎬ使用寿命提高了３０％ꎬ约１００ｈꎮ参考文献:[１]孙建昌ꎬ王波ꎬ边功勋ꎬ等.Ｃｒ１５Ｍｏ３高铬铸铁件的生产和检测[Ｊ].铸造设备与工艺ꎬ２０１８(１):２９￣３０.ＤＯＩ:１０.１６６６６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１００４￣６１７８.２０１８.０１.０１０.ＳＵＮＪＣꎬＷＡＮＧＢꎬＢＩＡＮＧＸꎬｅｔａｌ.ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＣｒ１５Ｍｏ３ｈｉｇｈ￣ｃｈｒｏｍｉｕｍｉｒｏｎｃａｓｔｉｎｇ[Ｊ].ＦｏｕｎｄｒｙＥｑｕｉｐｍｅｎｔ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８(１):２９￣３０.ＤＯＩ:１０.１６６６６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１００４￣６１７８.２０１８.０１.０１０.[２]何成文ꎬ许云龙ꎬ何龙.高铬铸铁(Ｃｒ１５)密封盘材质耐磨性能研究[Ｊ].盐科学与化工ꎬ２０１７ꎬ４６(９):５０￣５２.ＤＯＩ:１０.１６５７０/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７３￣６８５０.２０１７.０９.０１７.ＨＥＣＷꎬＸＵＹＬꎬＨＥＬ.Ｈｉｇｈｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎ(Ｃｒ１５)ｓｅａｌｉｎｇｐａｄｍａｔｅｒｉａｌｗｅａｒ￣ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｅａｒｃｈ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳａｌｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０１７ꎬ４６(９):５０￣５２.ＤＯＩ:１０.１６５７０/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７３￣６８５０.２０１７.０９.０１７.[３]郭克星ꎬ夏鹏举.含硼Ｃｒ２６高铬铸铁组织和性能研究[Ｊ].热加工工艺ꎬ２０２０ꎬ４９(１２):４５￣４８.ＤＯＩ:１０.１４１５８/ｊ.ｃｎｋｉ.１００１￣３８１４.２０１８２１７９.ＧＵＯＫＸꎬＸＩＡＰＪ.Ｓｔｕｄｙｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂｏｒｏｎ￣ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＣｒ２６ｈｉｇｈ￣ｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎ[Ｊ].ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４９(１２):４５￣４８.ＤＯＩ:１０.１４１５８/ｊ.ｃｎｋｉ.１００１￣３８１４.２０１８２１７９.[４]王阳阳ꎬ贾晨ꎬ杨建锋ꎬ等.高铬铸铁的冲蚀磨损性能研究[Ｊ].热加工工艺ꎬ２０１９ꎬ４８(４):６４￣６６.ＤＯＩ:１０.１４１５８/ｊ.ｃｎｋｉ.１００１￣３８１４.２０１９.０４.０１５.ＷＡＮＧＹＹꎬＪＩＡＣꎬＹＡＮＧＪＦꎬｅｔａｌ.Ｅｒｏｓｉｏｎｗｅａｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ￣Ｃｒｗｈｉｔｅｃａｓｔｉｎｇｉｒｏｎ[Ｊ].ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４８(４):６４￣６６.ＤＯＩ:１０.１４１５８/ｊ.ｃｎｋｉ.１００１￣３８１４.２０１９.０４.０１５.[５]刘夙伟ꎬ季峰ꎬ张艳ꎬ等.钛含量对高铬铸铁耐磨性能的影响[Ｊ].铸造ꎬ２０２１ꎬ７０(１):６８￣７３.ＬＩＵＳＷꎬＪＩＦꎬＺＨＡＮＧＹꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｉｔａｎｉｕｍｃｏｎｔｅｎｔｏｎｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｉｇｈｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎａＦｏｕｎｄｒｙꎬ２０２１ꎬ７０(１):６８￣７３.[６]唐慧文ꎬ刘海华ꎬ周学平ꎬ等.二次回火对高铬铸铁组织的影响[Ｊ].金属热处理ꎬ２０１７ꎬ４２(１２):１２２￣１２６.ＤＯＩ:１０.１３２５１/ｊ.ｉｓｓｎ.０２５４￣６０５１.２０１７.１２.０２５.ＴＡＮＧＨＷꎬＬＩＵＨＨꎬＺＨＯＵＸＰꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｏｕｂｌｅｔｅｍｐｅｒｉｎｇｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓꎬ２０１７ꎬ４２(１２):１２２￣１２６.ＤＯＩ:１０.１３２５１/ｊ.ｉｓｓｎ.０２５４￣６０５１.２０１７.１２.０２５.[７]王学亮ꎬ王瑞国ꎬ刘立艳ꎬ等.几种常见耐磨耐冲击材料的综合性能对比分析[Ｊ].山东工业技术ꎬ２０２０(４):４６￣５２.ＤＯＩ:１０.１６６４０/ｊ.ｃｎｋｉ.３７￣１２２２/ｔ.２０２０.０４.００６.ＷＡＮＧＸＬꎬＷＡＮＧＲＧꎬＬＩＵＬＹꎬｅｔａｌ.Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｍｅｗｅａｒ￣ｒｅｓｉｓｔｉｎｇａｎｄｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓ[Ｊ].ＳｈａｎｄｏｎｇＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０(４):４６￣５２.ＤＯＩ:１０.１６６４０/ｊ.ｃｎｋｉ.３７￣１２２２/ｔ.２０２０.０４.００６. 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保温及深冷处理对改善高铬铸铁性能的研究摘要：根据高铬铸铁在各种领域中的使用性能特点，本研究在原有热处理工艺的基础上，为了改善其组织性能进一步探讨两种保温及深冷处理工艺对高铬铸铁性能的影响。

关键词：高铬铸铁;深冷处理;回火含铬量在12%～28%之间的白口铸铁就属于高铬铸铁，它是一种广泛应用于采矿、电力、筑路机械、水泥、耐火材料等各个领域，常见于磨料磨损和冲击磨损的机件，如衬板、抛丸清理机室体、叶片、锤头、磨球等。

高铬铸铁具有比合金钢优良的耐磨性能、比一般白口铸铁优良的韧性和强度，同时抗腐蚀和抗高温性能也很突出，并且成本较低、容易生产。

为了提高高铬铸铁的各项性能指标，改善它的韧性、减少它的脆性等问题，使得在某些冲击较大的情况下也能很好地发挥它的使用价值，毫无疑问地在一定程度上会更加扩大其推广和使用。

所以提高高铬铸铁的冲击韧性、增加它的耐磨性等力学性能，也一直具有可研究的价值和意义。

热处理工艺的不断发展和改进，深冷技术逐渐地被许多研究人员用来来改进材料的性能。

深冷处理技术是一种通过改善工件内部组织的成分比例、分布均匀性，从而能够改善金属工件耐磨性、尺寸稳定性、强韧性、使用寿命的热处理工艺。

深冷处理指温度在-130℃以下的冷处理，通过低温处理来改善材料组织性能，可以转变残余奥氏体、析出超细碳化物、提高马氏体的抗蚀性、减少工件变形、开裂等，而且工艺简单、成本低、无污染，具有很好的应用前景，但是在各种实施热处理方案、把深冷技术更好地融合进去，还是具有一定的复杂程度和可变化性。

为了发挥高铬铸铁的潜在能力，本研究将在原有的研究基础上采用两种工艺，从而来探讨保温与深冷处理之间的互相配合对高铬铸铁性能的影响。

借助学院力学性能检测实验室及中航一集团下属工厂的热处理车间，针对高铬铸铁展开两套方案的热处理实验。

1 确立热处理的方案工艺一为针对高铬铸铁试样采用1100℃保温2小时，空淬后进行深冷处理，即空淬后放入液氮（-196℃）中保冷2小时，再进行回火保温4小时，回火温度分别取150、250、350、450、550和650℃，完成后空冷。