耐磨泵体铸件的生产工艺分析

柯志敏，陈鹏辉

（1.广东中天创展球铁有限公司，广东英德 513042；2.广东省高性能大型铸件制造及模拟工程技术研究中心，广东英德 513042）

泵体是泵送系统中主要的零部件，用在矿山机械设备中的泵送系统，由于泵送介质中含有硬质的颗粒物，在泵送过程中，由于涡流离心和重力作用，使得高密度硬质颗粒物紧贴腔壁运动，从而对过流部件内壁造成冲刷，摩擦损伤很大。另外，受介质腐蚀性、气蚀、电化学反应等因素影响，造成泵送系统性能低下或失效。基于各种失效模式分析，对材料的选用方面需要全面考虑，使泵送系统零部件具有硬度高、耐磨、韧性好成本可控等特点，达到稳定泵送系统性能，提高使用寿命的目的。

1 泵体铸件的技术要求

耐磨泵体铸件重量为5 460 kg，外形尺寸为2 814 mm×3 067 mm×650 mm，主要壁厚55 mm，泵体铸件结构如图1 所示。其材质牌号为QT600-3A，要求附铸试块抗拉强度≥600 MPa，延伸率≥3%，硬度190 HB～240 HB，基体组织为以珠光体为主，金相组织球化级别不低于2 级，即球化率大于90%.由于泵体恶劣的工作环境，还要保证泵体的耐磨性能。

图1 铸件结构

2 泵体铸件生产技术难点分析

泵体使用过程中高密度硬质颗粒物紧贴腔壁运动，从而对过流部件内壁造成冲刷，摩擦损伤很大，所以需要泵体本身具有高的耐磨性能。耐磨球铁主要由合金化和热处理来获得，而等温淬火球墨铸铁ADI 最具代表性，该球铁特有的奥贝体基体的耐磨性比钢更好，但为了降低成本考虑，往往是在球铁中通过加入某些合金元素以形成一定数量的硬化相来获得铸态时的耐磨性能。

影响材料耐磨性的主要因素有:

1）硬度。金属材料的耐磨性通常由材料的硬度来衡量，硬度高物料压入材料表面的深度就浅，切削产生的磨屑体积就小，即磨损就小，耐磨性就高，所有一般能提高硬度的方法也能提高材料的耐磨性。

2）塑性和韧性。塑性和韧性高说明材料可吸收的能量大，裂纹不易形成和扩展，材料承受反复变形能力大，不易形成疲劳剥落，即耐磨性好。

3）强度。磨损过程中，金属基体强度高，可以对抗磨硬质相提供良好的支撑，充分发挥抗磨硬质相抵抗磨损的能力，使耐磨材料表现出优异的耐磨性。在相同硬度下，高强度耐磨材料具有更好的耐磨性。

4）夹杂物等冶金缺陷。铸件的非塑性夹杂物等冶金缺陷，对疲劳磨损有严重的影响。氮化物、氧化物、硅酸盐等带棱角的质点，在受力过程中，其变形不能与基体协调而形成空隙，构成应力集中源，在交变应力作用下出现裂纹并扩展，最后导致疲劳磨损早期出现。

所以生产泵体铸件在保证球化合格的前提下，不仅要保证其力学性能满足一定的要求，特别是强度、硬度、塑性和韧性等性能，而且还要保证泵体铸件没有夹渣、气孔、缩松、缩孔等缺陷，以此来保证泵体铸件的耐磨性能。

3 铸造工艺

造型用砂采用呋喃树脂砂，控制砂型（芯）24 h强度σb≥1.0 MPa；造型用砂箱刚性要好，铸型吃砂量要够大，保证铸型整体刚性。采用半封闭式加过滤器底注式浇注系统，保证浇注平稳并防止铁水中夹渣进入。浇注系统各单元截面积比例为F直∶F横∶F内=1.16∶1.08∶1，过滤器尺寸为150 mm×150 mm×30 mm，铸造工艺及浇注系统结构如图2 所示。

图2 铸造工艺

4 熔炼工艺

4.1 C、Si 选择

对于耐磨泵体铸件，C 含量的选择既要保证充分的石墨化的要求，又要考虑到铸造过程中发生石墨漂浮的风险，为此选择ω（C）为3.65%～3.80%；Si 强烈促进石墨化，细化石墨球和增加石墨数量可显著提高产品性能，但其含量过高，又会急剧恶化产品的韧性，特别是在磷高的条件下，使固溶的磷量降低，导致磷共晶的数量增多，从而降低材质的韧性，固将泵壳体的ω（Si）控制在2.20%～2.40%.

4.2 Mn、P 选择

Mn 与Si 相反，能抑制石墨化，促进碳化物的形成，降低产品的韧性，耐磨球墨铸铁随着锰含量的增多，首先表现为硬度的提高，这是由于锰使铁素体和珠光体的含量减少，而贝氏体量增加所致。当锰含量继续增加时，奥氏体和马氏体逐渐增加，由于奥氏体的增加硬度值有所下降。但Mn 可稳定奥氏体，提高淬透性。综合考虑，将泵壳体的ω（Mn）控制在0.50%～0.60%.因为P 的偏析倾向，加之泵体铸件对韧性的要求，所以要对P 进行严格的控制，要求ω（P）≤0.030%.

4.3 Mo、Cu 的选择

Mo 少量溶解于铁素体，强化基体，细化晶粒，均匀组织，提高淬透性，提高硬度，细化珠光体从而提高球墨铸铁的耐磨性。Mo 提高强度的作用要比Mn 和Cu 明显得多，但过高会形成碳化物偏析于晶界或晶内难以消除，影响塑、韧性，对于泵体铸件将ω（Mo）控制在0.25%～0.35%.

Cu 细化晶粒和石墨球，提高等温转变温度，延缓转变过程，促进淬透性，有益于稳定珠光体，显著提高产品的强度和硬度。但过高也会带来负面影响，使材料断后伸长率明显下降，而此时基体中珠光体的含量变化不大。综合考虑，泵壳体中ω（Cu）量控制0.50%～0.60%.

确定泵体铸件的化学成分如表1 所示。

表1 耐磨泵体铸件主要元素化学成分（质量分数，%）

5 球化及孕育处理

5.1 球化处理

选择堤坝式球化包冲入法的球化方式，选用含镁质量分数5%～6%、含稀土质量分数0.4%～0.6%的混合稀土球化剂，球化剂加入质量分数为1.20%～1.30%，使用炉前碳硅分析仪检测原铁水碳、硅成分，并根据分析仪所测结果调整ω（C）为3.65%～3.80%，ω（Si）为1.40%～1.60%，并将铁水温度升温至1 440 ℃～1 460 ℃左右时出水球化，控制出水量。浇注温度控制在1 370 ℃～1 390 ℃.

5.2 孕育处理

球化处理后铁液的过冷度大，以优质废钢+增碳剂（ω（C）≥98.5%，ω（S）≤0.030%，ω（N）≤0.025%）的熔炼工艺所产生的自发晶核少、铁液过冷度大、石墨化能力差，加之耐磨泵体铸件因为需要获得强度和硬度等性能，所以孕育要适量孕育，一方面防止形成碳化物，另一方面还要防止强化孕育导致出现大量的铁素体，所以确定如下孕育处理工艺：在包底加入质量分数0.40%～0.50%的孕育剂，浇注过程使用专用漏斗加入0.10%～0.15%质量分数、0.2 mm～0.7 mm 粒度的长效孕育剂。

6 试样制备

生产中浇注了3 件泵体铸件，分别取3 块附铸试块，3 块附铸试块的编号分别为Y30-1、Y30-2、Y30-3，附铸试块尺寸为180 mm×30 mm×85 mm，加工取得试块85 mm 方向上的20 mm 后，将其加工成如图3 所示的试棒尺寸，检查力学性能和金相组织，并对试块进行湿法分析，获取各试块的化学成分。力学性能采用WA-600KD 型电液式万能试验机测试；φ20 mm×15 mm 试棒金相采用XJG-05 大型显微镜检查组织；用TH110 里氏硬度计测量试块硬度。

图3 拉伸试棒尺寸

7 结果与分析

经检测各附铸试块化学成分如表2 所示，力学性能如表3 所示，附铸试块Y30-2（代表）金相组织如图4 所示，检测结果见表4.

表2 附铸试块的化学成分

表3 附铸试块力学性能

从附铸试块的力学性能来看，耐磨泵体铸件的三块附铸试块的力学性能均满足QT600-3 的技术要求，抗拉强度均大于600 MPa，试块硬度也符合铸件的硬度要求，而且屈服强度也有相应增加，在保证强度的前提下获得大于3%的延伸率；从金相组织来判定，泵体铸件的三块附铸试块球化级别均为2 级，石墨大小都是6 级，基体珠光体组织均大于70%，铸态下完全符合牌号为QT600-3 的力学性能和金相基体组织要求。

表4 附铸试块金相基体组织评价结果

三件泵体铸件机加后没有发现缩松缩孔、气孔、夹渣等缺陷，客户使用后泵体铸件耐磨程度和使用寿命明显增加。

8 结论

对泵体铸件使用工况的分析，确定泵体铸件的化学成分，通过严格的生产过程控制、使用高品质球化剂球化处理及适当的孕育处理工艺，同时结合合理的铸造工艺等措施，生产出具有耐磨性更优异、使用寿命更长的合格泵体铸件，完全满足客户的使用要求。

图7 Y30-2 附铸试块金相组织