貝氏體復(fù)相球墨鑄鐵磨球的研究

柳 偉，張金山，趙晨波

（1.太原理工大學(xué)，山西太原 030024；2.晉城市宏創(chuàng)源耐磨材料有限公司，山西晉城 048000）

0 前言

磨球在工作過程中，必然會發(fā)生球與球、球與物料、球與磨機筒壁、襯板之間的摩擦和碰撞，這就要求磨球有較高的硬度和韌性以避免產(chǎn)生不耐磨、失圓等缺陷。貝氏體球墨鑄鐵具有較高的強度、硬度、韌性和耐磨性，同時又具有良好的鑄造性能，自20世紀(jì)70年代問世，就被譽為鑄鐵冶金方面的重大成就之一，它將是21世紀(jì)競爭力很強的材料，因此，研制和生產(chǎn)高性能的貝氏體球鐵耐磨材料具有重要意義[1]。

本文利用覆砂金屬型鑄造工藝，采用冷卻性能較強的水玻璃水溶液作為淬火液，使磨球整體獲得針狀貝氏體+少許馬氏體+殘余奧氏體的復(fù)相基體組織，從而使磨球達到高硬度、高韌性、高耐磨的目的。

1 試驗條件和方法

1.1 材料的選擇

要想提高磨球壽命，降低耗球率，首先要考慮磨球材料的成分，經(jīng)過反復(fù)研究和優(yōu)化設(shè)計出的貝氏體復(fù)相貝氏體球墨鑄鐵磨球的材料成分見表1。

1.2 鑄造工藝

工業(yè)上長期以來利用砂型鑄造或金屬型鑄造工藝來生產(chǎn)磨球，然而砂型鑄造經(jīng)常會出現(xiàn)氣孔、夾砂、表面粗糙、組織縮松等缺陷；金屬型鑄造的磨球常出現(xiàn)較大的表面白口層，皮下氣孔和皺皮等缺陷。覆砂金屬型鑄造工藝克服了砂型鑄造和金屬型鑄造的缺點，保持了它們的優(yōu)點，同時可實現(xiàn)全自動化控制的流水線生產(chǎn)[2]。本生產(chǎn)試驗球化處理采用沖入法，造型采用覆砂金屬型鑄造工藝，利用圖1所示模具生產(chǎn)，一型同時澆注16個?100 mm的磨球，圖2為該工藝的原理圖，金屬液沿澆口杯直接流入直澆道，直澆口下端分布有4個內(nèi)澆道，每個內(nèi)澆道末端設(shè)有一個內(nèi)壓冒口，每個內(nèi)壓冒口周圍分布有四個鑄件，上半模的覆砂層和下半模的覆砂層構(gòu)成了完整的鑄造型腔。

表1 磨球化學(xué)成分w %

圖1 模具示意圖

用1 t中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液，采用沖入法球化處理，出爐溫度為1 500～1 550℃，澆注溫度為1 400～1 500℃。經(jīng)批量生產(chǎn)表明：鑄造成品的造型合格率為100%，工藝出品率為71.3%。

圖2 覆砂金屬型鑄造工藝簡圖

1.3 熱處理工藝

要提高磨球壽命，降低耗球率，除了選材，還需要合理的熱處理工藝，要求達到細化鑄態(tài)組織，改善性能，并使力學(xué)性能各向同性，同時生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低[3]。為了使磨球具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，除選擇正確的淬火加熱溫度、回火溫度和保溫時間，還需選用合適廉價的連續(xù)冷卻介質(zhì)，并具有在高溫時快速冷卻而在低溫時緩慢冷卻的特性，以保證獲得高硬度的針狀貝氏體+少許馬氏體+殘余奧氏體的金相組織，又能減小應(yīng)力和開裂危險。為此，我們選用模數(shù)為2.6的水玻璃水溶液作為淬火介質(zhì)以滿足生產(chǎn)要求。具體熱處理工藝見圖3所示。

圖3 貝氏體復(fù)相球墨鑄鐵熱處理工藝曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 磨球的力學(xué)性能

熱處理后，用線切割機沿磨球直徑方向截取10.5×10.5×55.5（mm）的試棒六組用于機械性能的測試。用HR-150A型洛氏硬度計測量硬度，JB-30型沖擊試驗機測試沖擊韌性,在JB-30 kg·m磨損試驗機上進行磨損試驗。取其中三組試棒分別經(jīng)400#、800#、1000#、1200# 的砂紙打磨、拋光。經(jīng)觀察，磨球內(nèi)部致密,無縮松、縮孔缺陷。在試棒上依次均勻取5個點進行表面硬度測量，測試結(jié)果見圖4（位置3為磨球中心位置）。由圖4可知，熱處理后的硬度HRC可達到55～58，心表硬度差值不超過2.0 HRC。將其余三組試樣磨制成 10×10×55（mm）的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣棒，經(jīng)測試知沖擊韌性值可達21～23 J/cm2。耐磨性實驗結(jié)果顯示其耐磨率為3.8226%，耐磨性是馬氏體球鐵的2.4倍左右，顯然在該熱處理工藝下磨球有較好的硬度與韌性的配合。

圖4 試樣磨球表面硬度值

2.2 磨球組織特征

用線切割機截取 10.5×10.5×10.5（mm）的試樣,經(jīng)打磨拋光后分別采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察其組織，該磨球顯微組織為石墨，石墨形態(tài)較圓整而且分布較均勻，球化率為1～2級，球墨大小7～8級，如圖5所示。基體組織為針狀貝氏體+少許馬氏體+殘余奧氏體，如圖6為其光學(xué)顯微照片，圖7為SEM照片。

圖5 石墨形態(tài)與數(shù)量圖

圖6 光學(xué)顯微照片

圖7 SEM照片

貝氏體球墨鑄鐵的力學(xué)性能是由其石墨組織和基體組織決定的。要實現(xiàn)強度與韌性的最佳配合，石墨需呈細小、均勻分布，石墨的形狀對延伸率和沖擊值的影響極大，球化越好，韌性也越好，沖擊值也越高。石墨大小對沖擊韌性也有影響,石墨球徑減小就意味著數(shù)量增多，也就是共晶團細化，沖擊韌性有增加的趨勢。基體組織應(yīng)由細化的針狀貝氏體和呈穩(wěn)定的奧氏體組成,不應(yīng)有脆性碳化物和磷共晶[4]。貝氏體球墨鑄鐵的硬度主要取決于貝氏體中固溶碳含量，由于鑄鐵中含有較多的硅，而硅具有顯著阻礙碳化物析出的能力，因此，材料基體組織表現(xiàn)出較高的硬度。同時殘余奧氏體在應(yīng)力作用下可以緩沖應(yīng)力集中并抑制裂紋擴展，延緩斷裂破壞，提高耐磨性。本試驗試制的貝氏體球墨鑄鐵磨球在連續(xù)冷卻并經(jīng)回火處理后得到回火針狀貝氏體＋少許馬氏體＋殘余奧氏體組織。

3 工業(yè)應(yīng)用

為了驗證磨球的實際使用性能，在某選礦廠進行實際裝機考核。生產(chǎn)統(tǒng)計表明，該貝氏體球墨鑄鐵磨球的硬度均勻，耐磨性好，破碎率小于0.5%，停機后檢查磨球不失圓,受到用戶的肯定,為進一步在其它領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)論

（1）采用覆砂金屬型鑄造工藝生產(chǎn)磨球，工藝出品率高，?100 mm的磨球可以達到71.3%。

（2）水玻璃水溶液冷卻性能優(yōu)良，是一種理想的淬火介質(zhì)。使用時只需控制好水玻璃水溶液的溫度、濃度、比重三項參數(shù)并配合合適的熱處理工藝便會使磨球整體得到針狀貝氏體＋少許馬氏體＋殘余奧氏體組織，該組織心表硬度值相差不超過2.0 HRC，硬度值在55～58 HRC之間，沖擊韌性可達21～23 J/cm2，有較好的硬度和韌性配合。

（3）實際應(yīng)用考核表明，磨球耐磨性好，破碎率小于0.5%，無剝落，是一種理想的耐磨材料。

[1]魏秉慶，梁吉，吳德海.連續(xù)冷卻淬火貝氏體球墨鑄鐵的斷裂韌性[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1999，39(2)：46-48.

[2]周元行.覆砂金屬型鑄造工藝在磨球生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].鑄造，2012,61（7）：779-782.

[3]王振國,周曉猛,王禹.高耐磨性貝氏體球墨鑄鐵磨球的研制[J].冶金叢刊，2012，（197）：5-7.

[4]魏秉慶，梁吉，吳德海.貝氏體球墨鑄鐵[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001:53-54.