中铬铸铁磨球制造工艺研究

中铬铸铁磨球制造工艺研究
王仲珏;王小非
【摘要】与传统工艺相比,新工艺制造的磨球韧性好、硬度高、应力小,球的使用寿命和适应工况能力显著提高.
【期刊名称】《大型铸锻件》
【年(卷),期】2007(000)002
【总页数】3页(P8-10)
【关键词】规模化生产;中铬白口铸铁;磨球
【作者】王仲珏;王小非
【作者单位】安徽工程科技学院,安徽,241000;安徽工程科技学院,安徽,241000【正文语种】中文
【中图分类】TG2
中铬白口铸铁磨球的组织可以被看成是海绵网状的M3C型渗碳体，里面镶嵌奥氏体的转变物和在空间呈三维开放式骨架分布的M7C3型为主的合金碳化物的混合物。

磨球强度和韧性取决于脆性的M3C型碳化物相的体积百分数和分布形态。

结合大多数的服役工况条件，应将中铬白口铸铁磨球在获得较好韧性的前提下进一步提高硬度作为工艺设计的指导原则。

因此，中铬铸铁磨球的生产既要控制碳化物的数量、大小，还要通过成分设计和变质、孕育化处理获得尽可能多的M7C3型合金碳化物，并对M3C型碳化物施行断网、细化，改变非金属夹杂物的形态和分布
状态。

当然，使零件中没有内应力、显微裂纹及其它组织上的不连续性等现象，使组织晶粒细化，形成细而弥散的硬组织体和获得细片状马氏体对实现这一工艺设计目标极为有利。

就组织转变而言，相变温度区间的冷却速度是更有意义的。

打箱(脱型)温度应以此选择，并进而确定冷却方式。

在控制冷速+成分设计+冶金处理+热处理过程中应高度一致地体现工艺设计的指导原则，并以此为依据进行试验设计以确定合理的工艺参数。

1 组织与性能期望
1.1 组织期望
铸态组织：马氏体+适量残余奥氏体+以M7C3为主+断网及条粒状M3C+MC
亚温处理的组织：马氏体+少量残余奥氏体+ M7C3+断网及条粒状M3C+MC
这主要是基于以下的考虑：
1)铸铁的抗磨性和韧性随碳化物的种类变化，按M3C、M7C3、MC排列而明显
提高。

碳化物组成及形态对导热率及热扩散率影响最大，以粗大网状的M3C型碳化物导热率、热扩散率为最差；碳化物百分数以控制在15%～30%为宜。

2)添加V、Ti、W、Nb等元素，不仅能形成比M3C型铬碳化物硬度高的VC、TiC、WC、NbC等MC型碳化物，且能细化共晶组织。

3)奥氏体向马氏体转变发生的比容变化，造成体积膨胀引起内应力。

但如在基体组织中保留适量的残余奥氏体，因它比容小，便可部分抵消这种膨胀作用，减少内应力。

此外，残留一定量的奥氏体对抗磨料磨损是有益的，其作用是：阻止裂纹扩展；奥氏体与碳化物结合较马氏体与碳化物好；可吸收能量，消耗外界功。

4)马氏体、奥氏体的腐蚀抗力明显高于珠光体。

1.2 性能期望
硬度：54～60HRC，冲击值(无缺口)αK >5.0 J/cm2，3.5 m落球试验次数：磨球直径<∅80 mm时，15 000次以上；磨球直径≥∅80 mm时，10 000次以上。

2 工艺设计
2.1 主体方案
1)根据球径和冷却方式确定“触变元素”Mn的含量，采用正确的成分设计实现铸态组织的期望目标；强化稀土复合变质效果实现碳化物缩颈、断网、条杆化；采用微量多元合金化元素，提高基体韧性和硬度，改善和细化共晶组织并形成硬度高的硬组织体。

2)以强化精炼、脱氧和变质效果为切入点，保证铸态组织的均匀性、稳定性。

3)采用离心金属型浇注机进一步细化晶粒，密实凝固组织，改变枝晶大小、形态，减少夹杂。

4)全过程高度重视减少磨球可能产生的内应力，以此为中心，对熔炼、浇注和凝固过程，脱型和冷却方式，亚温处理过程的工艺参数采用有效的技术措施。

2.2 试验条件
试验采用的是20 kg中频炉，用双铂铑快速热电偶测温，出炉温度1 500～1
550 ℃，浇注温度1 360～1 410 ℃ ，∅80 mm磨球用离心式金属型浇注机铸造。

2.3 成分设计
成分设计则应考虑：
1)通过合理选择碳含量，控制碳化物总量；针对不同球径磨球的冷却速度选择
Si/C；在削弱其碳化物“网络态势”的同时，由于非碳化物元素Si的溶入造成Cr 原子的析出将增加M7C3的相对量；采用分级稀土复合变质处理以加强碳化物断
网和条杆化的变质效果；采用正确的成分配置实现合理的相间结构。

2)通过精炼、变质和孕育等冶金手段使晶界净化、晶粒细化；控制非金属夹杂数量，改善非金属夹杂形态、大小来进一步提高韧性。

3)在努力获得较高韧性的前提下，充分发挥马氏体基体的硬度特性，用微合金化进一步提高材料硬度。

中铬白口铁共晶组织领先相是渗碳体，碳含量过低不利于硬度的提高，而碳含量过高可能在增加组织中的碳化物体积的同时会形成粗大的网状碳化物，直接影响马氏体组织形成的程度和分布状况。

当含碳量从3.2%降低为2.5%时，共晶碳化物数
量减少了40%～50%。

当选定热处理工艺后，由于析出弥散粒状二次渗碳体，加
上共晶渗碳体数量减少，共晶碳化物就容易断网并继而有可能进一步向条块状方向发展。

含碳量通常视球径大小和铸型条件在1.8%～2.8%之间。

在碳含量确定的基础上，从γ相与铁铬碳化物构成的共晶体的化学成分来看，共
晶体中所含的Cr和C存在着一定的对应关系，共晶体中铁铬碳化物所占的总百分比与共晶体的化学成分也存在着对应关系，这种对应关系大致可为：共晶体中的铁铬碳化物百分比(%)=12.33×%C+0.55×%Cr-15.2。

一般情况下铬含量在8%左右时不但在凝固过程中能完全溶入碳化物中而且所形成的合金铁铬碳化物也相当稳定。

普通白口铁主要通过按壁厚调整硅来得到，对于合金白口铁来说硅同样是相当重要的元素，对硅的控制必须很慎重。

试验证明，以∅80 mm磨球为例，当硅量取
0.5%～1.0%，Si/C值为0.35时，M7C3的相对量最大，硅量过高时，对形成高
碳马氏体不利。

硫、磷元素控制在≤0.06%。

大多合金元素在奥氏体中均起延缓奥氏体转变作用。

在考虑多元合金化实现铸态组织期望的同时，应避免出现部分珠光体组织，而这种情况通常在多元合金化延缓奥氏体转变的程度择取不当时出现，这种马氏体、珠光体混合组织会由于两种不同的转变而引起内应力，因为在奥氏体中首先进行珠光体转变，马氏体基体则在以后转变。

实践和理论研究发现，“触变元素”Mn与Cu、Ni、Mo、V的适当搭配可使磨球基体铸态下稳定地获得细片状马氏体+适量奥氏体，并在随后的亚温处理过程发生部分A残→M转变，基体得到二次硬化；弥散细小的二次渗碳体分布于基体内。

Mn量一般取2.0%～3.5%即可。

添加微量V、Ti、W、Nb等元素一则形成
更高硬度的MC型碳化物。

二则由于此类MC型碳化物熔点高，在凝固初期就弥
散形核细化了共晶组织，随凝固时间的延续，晶粒数不断增加，液膜逐渐减少，变形减小，塑性增强，热裂敏感性显著减小。

2.4 主参数设计
网状共晶碳化物的断网主要发生在一些截面突变处和弱的分枝处等网状中的薄弱连接部位，据此特点，通过采用合理的技术措施能有效地实现碳化物断网和向条杆或团块状转变，达到在增加韧性的前提下靠硬组织基体和弥散分布的MC型碳化物以及二次渗碳体获得较高的硬度。

1) 加强奥氏体初晶细化，对稀土复合变质剂实行“二步法”处理，即把变质剂分别在炉内及铁水包内加入。

这样可以发挥奥氏体枝晶细化和控制共晶结晶，形成更多的碳化物薄弱连接部位，强化和加速断网行为。

用Si20Al50Fe+SiC作综合脱氧剂，用CaC2作脱硫剂，并在中频感应炉中采用中等程度的电磁搅拌力以实现对合金元素和处理剂的充分搅拌。

2)采用离心金属型铸球机彻底消除夹渣、缩松、气孔等缺陷。

金属型用陶瓷纤维喷涂作基础涂料，喷吹乙炔烟作工作涂料，控制铸件冷速，使铸态凝固组织细小又均匀，且铸造应力小。

3)将Mn作为增大奥氏体稳定性的“触变元素”，铸态组织实现：M+A残。

4)施行550～650 ℃亚温处理工艺，严格控制加热速度，实现缓慢升温，以防增大应力。

3 应用效果与讨论
1)磨球力学性能和抗疲劳冲击性能均达期望值。

硬度分布如图1所示，铸态及亚温处理后的金相组织如图2、图3所示。

2)采用XY-73型X射线应力仪按图4所示共进行了6点检测，结果列于表1。

由于凝固过
图1 磨球截面的硬度分布Figure.1 Picture of M7C3 alloy carbide after deeply
corroding
图2 磨球铸态组织Figure.2 Cast structure of grinding ball
图3 磨球亚温处理后组织Figure.3 The structure of grinding ball after sub-heating
图4 磨球表面应力测试取点示意Figure.4 Point-selected schematic for the stress test on grinding ball surface表1 磨球表面宏观残余应力测试结果Table.1 Macroscopical residual stress testing result on the surface of grinding ball
处理条件测试点残余应力/MPa铸态ABCDEF-57.32-58.43-71.16-49.83-65.61-66.48铸态+回火态ABCDEF+43.15-43.18-57.26-70.10-46.83-43.20
程内部的高温液体阻碍球表面的凝固收缩而使球表面产生压应力，从服役条件考虑，表面具有较大残余压应力的磨球应更有利。

3)中铬白口铸铁经过上述冶金处理后，采用MLD-1型冲击磨料磨损机对同类材质现工艺与传统工艺生产的中铬磨球进行同磨料、同工况的相对磨损寿命β值的测定，其结果见表2。

表2 磨球性能对比Table.2 Performance comparison between grinding
ballsαK /(J/cm2)(平均值)HRC(平均值)相对耐磨系数β传统工艺处理改进工艺后3.87.1525611.68
如表2所示，力学性能、耐磨性能均发生了较大的变化。

与传统工艺相比，磨球韧性好、硬度高、应力小，球的使用寿命和适应工况能力显著提高。

参考文献
【相关文献】
[1] 王仲珏.稀土低铬铸铁磨球的质量稳定性研究.现代铸铁, 2000, (3).
[2] 王仲珏.稀土中锰白口铸铁衬板类零件的生产工艺.机械开发, 2000, (2): 43-45.
[3] 栾军.试验设计的技术与方法.上海交通大学出版社, 1987: 193-202.。