耐磨鑄鐵的研制及其耐磨性的試驗研究①

王三軍

(營口經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)鑫豐管件有限公司,遼寧 營口 115007)

0 引 言

摩擦和磨損會造成零件尺寸的改變、振動的加劇、疲勞損壞，以及通道被磨屑堵塞、流體從機殼內(nèi)泄漏出來、運轉效率降低等，因此，研究磨損和不斷發(fā)展新的耐磨材料是一項永遠要更進一步的課題。

鑄鐵是廣泛應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，而且力學性能、可加工性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性、熱導率和減振性能之間有良好的配合，也具有較高強度，因此被廣泛應用[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，無游離滲碳體。均勻分布的二元磷共晶對耐磨性是有利的，因為在較軟的基體組織中，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象，分別澆注制備兩組試樣，研究兩組試樣組織、硬度和耐磨性，為材料耐磨性方面的應用提供參考和理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

將各種原材料放入感應爐中熔化，見表1和表2。經(jīng)一段時間爐料熔化，鐵水溫度達到要求后，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，準備試驗。Ni-Cr-Mo鑄鐵的化學成分范圍[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)

對澆注好的試樣分別進行金相組織觀察、物相分析、硬度測試和耐磨性試驗。物相分析的條件：X射線管功率為40kV、40mA。硬度測試選用HRC-150A型洛氏硬度計測試試樣硬度，每個試樣打5點硬度，去掉最大值和最小值，剩余三個取其平均值。采用銷盤式磨粒磨損實驗機，型號為ML-100。將試樣加上10N的試驗力緊壓在旋轉圓盤上，試樣以7cm的半徑的方向做往復運動。磨粒磨損試驗機的轉速為60r/min。磨損質量使用精度為萬分之一的AEU-210型電子天平稱量。磨痕形貌采用掃描電鏡(JEOL-6360)觀察磨損表面的形貌特征。

表1 Ni-Cr-Mo鑄鐵配料原料(質量百分數(shù)，%)

表2 磷鑄鐵配料原料(質量百分數(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 實驗結果及分析

2.1 金相組織觀察

將截取的金相試樣經(jīng)過4%的硝酸酒精腐蝕15S后在奧林巴斯金相顯微鏡下進行觀察，結果如圖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。通過對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；Mn以Fe2MnSi形式存在，它可以使組織組織細化、致密。這些硬質相的形成可以很大程度促進了P鐵的耐磨性的提高。

2.3 硬度試驗

硬度試驗結果如表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系。合金元素種類、含量以及硬質相的分布都會影響耐磨性，一般而言硬度越高，耐磨性越好。

表3 硬度試驗結果HRC

2.4 耐磨性試驗

磨損試驗進行20min、40min等時間點的失重質量如表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等高溫硬質相通常呈三維連續(xù)的網(wǎng)狀存在，對于鉻系耐磨鑄鐵的硬度和耐磨性和機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，對提高鑄鐵的耐磨性是有意義的，因為在較軟的基體組織中，二元磷共晶作為較硬的相，起到很好的耐磨和支承作用。當灰口鑄鐵中含磷量超過0.3%時，就會在組織中出現(xiàn)硬而脆的磷共晶，當這些斷續(xù)網(wǎng)狀的磷共晶均勻分布時，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為磨損實驗100min后的磨痕SEM觀察照片，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，這一結果與上述表4一致，也說明了在相同條件下，Ni-Cr-Mo鑄鐵的耐磨性優(yōu)于P鐵。

3 結 論

綜合以上實驗結果，得出以下結論：

(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鑄鐵的硬質相為Cr13Ni5Si2、Cr3Ni2Si、Cr23C；P鑄鐵中所含的硬質相分別為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] 吉化集團公司組織,工程材料.化學工業(yè)出版社.2001:195-196.

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

[3] 子澍,張云霞,宋潤澤,等.在反復強烈沖擊磨料磨損時高鉻白口鑄鐵的化學成分及顯微組織的選擇[J].現(xiàn)代鑄鐵,2006:73-76.