耐磨铸铁的研制及其耐磨性的试验研究①

王三军

(营口经济技术开发区鑫丰管件有限公司,辽宁 营口 115007)

0 引 言

摩擦和磨损会造成零件尺寸的改变、振动的加剧、疲劳损坏，以及通道被磨屑堵塞、流体从机壳内泄漏出来、运转效率降低等，因此，研究磨损和不断发展新的耐磨材料是一项永远要更进一步的课题。

铸铁是广泛应用的一种铁碳合金材料，铸铁成本低，铸造性能良好，体积收缩不明显，而且力学性能、可加工性、耐磨性、耐蚀性、耐热性、热导率和减振性能之间有良好的配合，也具有较高强度，因此被广泛应用[1]。合金化是提高耐磨性的主要途径，在铸铁中加入Mo、Al、Cr、P、Ni 等合金元素的试验表明：含铬铸铁和磷铁都具有良好的耐磨性。据了解，铬与铁可无限制的互相溶解，在Fe-Cr-C三元合金中，铬可以缩小r区和形成特殊的碳化物，铬与碳的亲和力要比铬与铁的亲和力大得多[2]，因而形成很稳定且坚固的化合物，所以铬的加入有利于提高铸铁的耐磨性。磷化物以二元磷共晶为主体，无游离渗碳体。均匀分布的二元磷共晶对耐磨性是有利的，因为在较软的基体组织中，二元磷共晶作为较硬的相，起到很好的耐磨和支承作用。因此，选取合金化方式，以Ni-Cr-Mo铸铁和磷铁为研究对象，分别浇注制备两组试样，研究两组试样组织、硬度和耐磨性，为材料耐磨性方面的应用提供参考和理论依据。

1 试验材料及方法

将各种原材料放入感应炉中熔化，见表1和表2。经一段时间炉料熔化，铁水温度达到要求后，从炉中倒出铁水，将处理后的铁水浇到已造好的型腔中。Ni-Cr-Mo铸铁浇注后再熔炼浇注P铁。待试样冷却后，从砂箱中取出并将试样表面打磨，准备试验。Ni-Cr-Mo铸铁的化学成分范围[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铁化学成分范围为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%。

图1 (a)磷铁和(b)Ni-Cr-Mo铸铁的金相照片(500X)

对浇注好的试样分别进行金相组织观察、物相分析、硬度测试和耐磨性试验。物相分析的条件：X射线管功率为40kV、40mA。硬度测试选用HRC-150A型洛氏硬度计测试试样硬度，每个试样打5点硬度，去掉最大值和最小值，剩余三个取其平均值。采用销盘式磨粒磨损实验机，型号为ML-100。将试样加上10N的试验力紧压在旋转圆盘上，试样以7cm的半径的方向做往复运动。磨粒磨损试验机的转速为60r/min。磨损质量使用精度为万分之一的AEU-210型电子天平称量。磨痕形貌采用扫描电镜(JEOL-6360)观察磨损表面的形貌特征。

表1 Ni-Cr-Mo铸铁配料原料(质量百分数，%)

表2 磷铸铁配料原料(质量百分数，%)

图2 Ni-Cr-Mo铸铁和磷铁的XRD图谱

图3 P铸铁的扫描划痕(a)和 Ni-Cr-Mo铸铁的扫描划痕(b)

2 实验结果及分析

2.1 金相组织观察

将截取的金相试样经过4%的硝酸酒精腐蚀15S后在奥林巴斯金相显微镜下进行观察，结果如图1所示。

由图1可知：Ni-Cr-Mo铸铁的形态分析出铸铁中主要含有的组织为片状石墨均匀的分布在铁素体上；P铁的组织形貌为硬而脆的二元磷共晶(α-Fe+Fe3P)，这些断续网状的磷共晶均匀分布在石墨+铁素体的基体上。

2.2 XRD物相分析

图2为两组所制备耐磨铸铁的XRD，由图2可知，Ni-Cr-Mo铸铁中形成了新的化合物Cr13Ni5Si2、Cr3Ni2Si、Cr23C6。通过对P铸铁的XRD图谱分析可知，P、Si、Mn等元素的添加使基体内的各元素形成新的化合物Fe3Si、Fe2MnSi。Fe3Si硅系金属间化合物中的一种，具有金属硅化物的耐磨损、耐高温、抗氧化、抗腐蚀等优点；Mn以Fe2MnSi形式存在，它可以使组织组织细化、致密。这些硬质相的形成可以很大程度促进了P铁的耐磨性的提高。

2.3 硬度试验

硬度试验结果如表3所示，从表3中可知，Ni-Cr-Mo铸铁的硬度值高于P铁的硬度值。耐磨性好坏与硬度高低有直接关系。合金元素种类、含量以及硬质相的分布都会影响耐磨性，一般而言硬度越高，耐磨性越好。

表3 硬度试验结果HRC

2.4 耐磨性试验

磨损试验进行20min、40min等时间点的失重质量如表4所示，从表4中可以清晰地看出所制备的两组铸铁材料都具有较好的耐磨性能。

表4 磨损失重质量(g)

Cr元素使得Ni-Cr-Mo铸件较易获得白口组织，使其性能产生较大的改善。从XRD分析中可知Cr13Ni5Si2和Cr23C6等高温硬质相通常呈三维连续的网状存在，对于铬系耐磨铸铁的硬度和耐磨性和机械性能有着重要影响。磷铁中的磷共晶的硬度很高，且以断续的网状分布在金属基体中，不易剥落，对提高铸铁的耐磨性是有意义的，因为在较软的基体组织中，二元磷共晶作为较硬的相，起到很好的耐磨和支承作用。当灰口铸铁中含磷量超过0.3%时，就会在组织中出现硬而脆的磷共晶，当这些断续网状的磷共晶均匀分布时，就起着支撑骨架的作用存在于铸铁基体中，提高了耐磨性。从表4中也可计算得出Ni-Cr-Mo铸铁、P铁的平均磨损量分别为：0.00332g、0.0138g，因此在相同条件下，Ni-Cr-Mo铸铁的失重量小于P铁的失重量。

图3为磨损实验100min后的磨痕SEM观察照片，从图3中可以清晰地看出，在同样的磨损条件下P铸铁的表面划痕明显比Ni-Cr-Mo铸铁的划痕深，这一结果与上述表4一致，也说明了在相同条件下，Ni-Cr-Mo铸铁的耐磨性优于P铁。

3 结 论

综合以上实验结果，得出以下结论：

(1)Ni-Cr-Mo铸铁为白口组织，P铁的组织形貌为硬而脆的二元磷共晶(α-Fe+Fe3P)。

(2)Ni-Cr-Mo铸铁的硬质相为Cr13Ni5Si2、Cr3Ni2Si、Cr23C；P铸铁中所含的硬质相分别为Fe3Si、Fe2MnSi，它们均能有效地提高铸铁的耐磨性。

(3)Ni-Cr-Mo铸铁的硬度平均值高于P铁表面的硬度值。

(4)同等试验条件下Ni-Cr-Mo铸铁的磨损量小于P铸铁的磨损量。

[1] 吉化集团公司组织,工程材料.化学工业出版社.2001:195-196.

[2] 韩进军,吕振林.合金元素对球墨铸铁冲蚀腐蚀磨损特性的影响[J].铸造技术2007:28-31.

[3] 子澍,张云霞,宋润泽,等.在反复强烈冲击磨料磨损时高铬白口铸铁的化学成分及显微组织的选择[J].现代铸铁,2006:73-76.