熔模鑄造高鉻鑄鐵拋丸器葉片耐磨性

王學亮,王勇杰,劉立艷，王瑞國，張朝陽

(山東開泰拋丸機械股份有限公司，山東 鄒平 256217)

拋丸器耐磨件一般多用高鉻鑄鐵材料，包括葉片、定向套和分丸輪等。高速彈丸流(金屬或非金屬磨料)在高速旋轉葉片的離心力作用下，拋打所要清理的工件表面，去除毛刺、黏砂、氧化皮和銹跡等，得到一定粗糙度和清潔度的表面。拋丸器的使用壽命主要由葉片的耐磨性決定，制作葉片的材料經歷了普通白口鑄鐵、鎳硬白口鑄鐵、高鉻鑄鐵三個階段[1-3]。高鉻鑄鐵比一般白口鑄鐵有更好的耐磨性和韌性，同時還兼有良好的抗腐蝕和耐高溫性能，且成本適中、生產便捷，成為當今優良的抗磨料磨損材料之一[4-7]。高鉻鑄鐵中具有M7C3[(Cr·Fe)7C3]型碳化物，屬于六方晶系，硬度達1200～1700 HV，遠高于M3C(Fe3C)。這種呈桿狀和片狀的碳化物孤立分布，減小了對基體的割裂作用，保證了較好的韌性[8]。

高鉻鑄鐵要選用亞共晶成分，且鉻碳比需合理，否則基體組織中會析出粗大的過共晶初生碳化物。初生碳化物內部有共晶成分的組織及縮孔，其截面呈規則的六邊形。金屬磨料的沖擊擠壓易導致粗大的初生碳化物的碎裂剝落，而剝落的碳化物碎粒硬度遠高于金屬磨料，當碳化物碎粒壓入葉片表面，會犁出溝槽導致葉片磨損加劇，如圖1所示。

圖1 葉片磨損后形貌Fig.1 Morphology of the worn blade

拋丸器耐磨件一般采用砂型鑄造工藝，為提高耐磨件的精度和性能，拋丸器耐磨件熔模鑄造技術應運而生。熔模鑄造的耐磨件尺寸精度高、表面質量好、內部缺陷少、組織致密。由于在蠟模組樹黏結時，耐磨件可改變澆注位置，符合順序凝固原則，可明顯優化碳化物生產方向，提高鑄件內在質量。

山東開泰拋丸機械股份有限公司生產的高鉻鑄鐵耐磨件(葉片、定向套、分丸輪等)，在國內同行業中處于領先地位，但與國外產品相比仍有較大差距。本文旨在研究熔模鑄造高鉻鑄鐵成分配比、熱處理工藝及添加劑成分，探尋最佳的工藝參數，以改善高鉻鑄鐵件的耐磨性，提高使用壽命，降低成本。

1 試驗方法與方案

本試驗以360拋丸器用360葉片為研究對象，探索高鉻鑄鐵耐磨件生產的最佳工藝參數。試驗采用SPECTROLAB18A光譜儀測試高鉻鑄鐵化學成分，采用HR-150A洛氏硬度計測試硬度，采用JB-300型擺錘式沖擊試驗機檢測沖擊韌性(因高鉻鑄鐵韌性較低，沖擊試樣選用無缺口試樣)，在尼康MA-100光學顯微鏡上進行金相組織觀察。高鉻鑄鐵拋丸器葉片熔模鑄造工藝如圖2所示。

圖2 高鉻鑄鐵拋丸器葉片熔模鑄造工藝Fig.2 Investment casting process of high-chromium cast-iron blade of shot blasting machine

不同葉片使用壽命在同一臺Q378拋丸機上裝機試驗，同工況下，使用相同的金屬磨料、拋打相同的工件，記錄拋丸器運行時間和葉片使用壽命。

2 結果與討論

2.1 高鉻鑄鐵性能及成分設計

鉻是高鉻鑄鐵中的主要合金元素，其一部分形成碳化物，還有一部分固溶于γ相中，使淬透性提高，鉻質量分數大于10%時才能得到M7C3(Cr·Fe)7C3型碳化物。鉻和碳的含量影響高鉻鑄鐵的淬透性，鉻碳比增大，可提高淬透性，高鉻鑄鐵的鉻碳比通常為4～8[9]。

碳化物的含量直接關系到高鉻鑄鐵的耐磨性，碳化物含量提高，耐磨性隨之提高，同時淬透性和韌性降低。碳化物的含量與碳和鉻含量的定量關系可由下式表示[10]：

K=11.3A+0.5B-13.4，

(1)

式中，K為碳化物質量分數，A為碳的質量分數，B為鉻的質量分數。可知，只要提高碳和鉻的含量，就可提高碳化物的含量，其中鉻的作用比碳小得多。

加入一定的合金元素可提高高鉻鑄鐵的淬透性，這些元素通常是鉬、銅、釩、鎳等。釩元素可以使碳化物球化，并細化組織，提高韌性。

要獲得優良耐磨性的高鉻鑄鐵，首先要對其成分進行設計。一般情況下，高鉻耐磨鑄鐵要求：①選擇共晶或亞共晶成分；②碳化物數量合適；③鉻碳比合理，M7C3類型碳化物比例盡量多；④根據使用工況，使耐磨性和韌性達到最佳配合；⑤淬透性好，空冷或風冷淬火時組織中不得出現索氏體和珠光體[11]。綜合考慮各元素作用，本研究中普通360葉片的成分如表1所示。

表1 普通葉片成分配比(質量分數)Table 1 Composition proportion of common blade

2.2 高鉻鑄鐵葉片熱處理工藝改進

高鉻鑄鐵產品傳統熱處理工藝為：260、420、560、880 ℃下各保溫1 h，然后升溫至1000 ℃，保溫后出爐空淬，220 ℃井式爐回火。為了得到熱處理最優工藝流程，設計正交試驗進行熱處理試驗，為保證完全奧氏體化，加熱溫度需維持在1000 ℃，正交試驗的因素水平表如表2所示。正交試驗結果如表3所示。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Orthogonal factor level

表3 普通葉片正交試驗熱處理方案及結果分析Table 3 Analysis of the scheme and results of heat treatment for common blade with orthogonal experimental design

通過分析表3中硬度結果，可以發現最優的熱處理工藝為：保溫時間3 h 、回火溫度450 ℃、回火時間2 h。圖3為常規熱處理工藝與最優熱處理工藝后葉片金相組織對比，通過對比發現，基體組織均為馬氏體，但在最優熱處理工藝下的葉片金相組織的碳化物更細小，對基體的割裂作用更小，因此具有更好的耐磨性。

(a)常規熱處理工藝(400倍) (b)最優熱處理工藝(400倍)圖3 常規熱處理工藝與最優熱處理工藝葉片金相組織對比Fig.3 Comparison of the metallographic structures of conventional and optimal prepared blade

2.3 添加釩對高鉻鑄鐵葉片性能的影響

釩是優良的合金添加劑，鋼或鑄鐵中加入微量的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性[12]。因此在高鉻葉片中嘗試加入微量釩，細化組織晶粒，同時減少鉻鐵的使用量，降低成本。加釩葉片成分(質量分數)見表4，圖4為加釩葉片金相結果。分析圖4可知，加釩葉片熱處理后碳化物較普通葉片更細小，硬度平均值為54.8 HRC，沖擊韌性9 J/cm2，雖然硬度較普通葉片60 HRC有所降低，但沖擊韌性有所提高，通過裝機試驗對比，其使用壽命略低于普通葉片5%左右，但其成本比常規葉片低20%。

表4 加釩葉片成分(質量分數)Table 4 Composition proportion of the vanadium blade

(a)100倍 (b)400倍圖4 含釩葉片金相組織Fig.4 Metallographic structure of the vanadium blade

2.4 納米WC/TiC復合顆粒對高鉻鑄鐵葉片性能的影響

利用納米WC/TiC復合顆粒增強高鉻鑄鐵，制備新型高鉻鑄鐵基復合材料，是高鉻鑄鐵未來發展的趨勢之一[13-16]。由于納米WC/TiC復合顆粒粒徑小、分布均勻、比表面積大、表面活性高、耐高溫、抗氧化、硬度高，是一種很好的耐熔耐磨材料。在拋丸器中加入WC/TiC復合顆粒，可抑制基體生長，改變M7C3的生長形貌，可作為形核質點細化晶粒，提高高鉻鑄鐵的硬度和韌性，從而提高其耐磨性。

顆粒增強高鉻鑄鐵可采取如下試驗方案：第一組，無添加；第二組，將納米WC/TiC復合顆粒變質劑(12 g)出鐵水前加入澆包(100 kg)內，依靠高溫鐵水將復合顆粒熔化，靜置2～3 min。添加納米WC/TiC復合顆粒后金相組織如圖5所示，其碳化物較普通葉片明顯細小，碳化物由粗大的板條狀變為斷續的網狀分布，對基體的割裂作用減小。裝機試驗使用壽命提高了30%，約100 h。

(a)無添加 (400倍) (b)添加納米WC/TiC材料 (400倍)圖5 添加納米材料前后的葉片顯微組織Fig.5 Microstructure of the blade before and after the addition of nanomaterials

3 結論

(1)通過正交試驗方案探索了熱處理工藝，得出1000 ℃保溫時間3 h 、回火溫度450 ℃、回火時間2 h為最佳熱處理工藝。添加微量釩及納米WC/Ti顆粒均可改善高鉻葉片的耐磨性或降低生產成本。

(2)添加微量釩元素，硬度平均值為54.8 HRC，沖擊韌性9 J /cm2，雖然硬度較普通葉片60 HRC有所降低，但沖擊韌性有所提高，通過裝機試驗對比，其使用壽命略低于普通葉片5%左右，但其成本比常規葉片低20%，提高了綜合效益。

(3)通過添加納米WC/TiC復合顆粒，碳化物由粗大的板條狀變為斷續的網狀分布，使用壽命提高了30%，約100 h 。