提高大负荷抛丸机叶片寿命的研究

摘要：研制了奥氏体基休高铬铸铁叶片和消除其显微缩松、提高了大抛丸量抛丸机叶片寿命的措施
关键词：高铬铸铁叶片奥氏体基体
通过对大抛丸量抛丸机叶片的工况和失效分析,为提高其叶片寿命,采用调整合金成分,辅以B十V+Re一is复合孕育工艺和应用激冷及串法浇注及消除铸造缺陷,以获得低碳高铬奥氏体铸铁。
一、试验情况与结果
铁水用60kg酸性中频感应电炉熔炼。为接近生产实际,用高铬铸铁叶片回炉料作炉料,用低碳铬铁及废俐调整合金成份。用快速热电偶测定炉前出铁温度为1550~1600OC,浇注温度为1450~1500℃。
采用煤粉粘土砂型铸造,型内放HT20一40冷铁或自制石墨板激冷。冲击试块尺寸为20x20x
110mm,在JB308冲击试验机上作冲击试验。用B十V十.1Re一siFe复合孕育,其加入量(%)为:B0.06~0。08,V0.1~0.5,i,Re一51一Fe0.3~0.6。试验结果:铸态冲击试块性能及分析见表l,其金相组织见图1.激冷铸态冲击试块性能及分析见表2,金相组织见图2~3
表1铸态冲击试块性能及分析
四组试块均为同一炉铁水,故化学成分、金相组织同 表2激冷铸态冲击试块性能及分析


图1显微组织：奥氏休十共晶碳化物,铸态,非激冷,横向,8%硝酸酒精腐蚀x500
图2显微组织:奥氏休+碳化物,铸态、激冷、纵向8%硝酸酒精腐蚀x532
图3显微组织:奥氏体十碳化物铸态、激冷、横向8%硝酸酒精腐蚀x532

二、讨论
(一)B+V+Re一iS复合孕育作用
B和Si都能减少熔体中C的含量,使初生奥氏体前沿的C浓度增加,造成铁液中C的原子集团数增多,从而使碳化物的生长核心增多,有利于碳化物的细化。Re具有细化初生奥氏体因而有细化碳化物的作用。Re还能使共晶转变的相对过冷度增加,共晶凝固范围增大,改变亚共晶程度大的高铬铸铁的凝固方式,能使高铬铸铁的碳化物趋于孤立分布。B在固溶体中的溶解度很小,常在晶界偏聚或析出。Re能降低固溶体的晶界能,在晶界也有相当的富集,从而对B在晶界析出产生重要的影响,抑制B在晶界析出可能造成的脆化现象。据资料1[〕介绍:单独用B变质处理,铸铁的抗磨性提高,但韧性较低,用.1Re一iS一Fe变质处理,虽韧性提高幅度较大,但因iS含量增加,使抗磨性受影响。B和.1稀土硅铁复合,利用两者细化组织的长处,以相互弥补各自的不足。并匹配一定量的V,(它是有效的碳化物稳定元素),能增加共晶碳化物的硬度,细化柱状组织,增加激冷效应,起弥散强化作用,使碳化物断网,从而提高抗磨性和冲击韧性。VC在白口铸铁中呈孤立的球形,和基体的内聚结合力强,显微硬度高达HV28。。。综上所述,我们选用Re一B一y复合变质工艺,其较佳匹配量为:B0.06~0.08%,Re一Si一Fe0.3~0.86%(加入量),VO.1~0.3%,取得铸态试块的冲击值8一16)J/cm²和硬度HRC5~57的良好性能。显然,我们的变质工艺对材质韧性的提高效果是显著的。其金相组织见图1~3。由图可见,碳化物呈孤立分布。
对于奥氏体基体高铬铸铁,因Re元素平均原子半径比Fe大25%,溶于奥氏体提高了奥氏体在加工硬化前和加工硬化后的显微硬度,从而强化了基体和增加了基体硬化能力,所以铸态奥氏体显微硬度较高,使宏观硬度也提高。当采用激冷工艺时,奥氏体中Re的含量会有所增加,上述现象就更明显。



(二)激冷的影响
1、对成分设计的影响

抛丸叶片不宜选用出现一次碳化物而使耐磨性和机械性能降低的过共晶成分,而且即使选用共品成分,在大抛丸量时,也会引起严重早期脆断。某厂曾试制两炉叶片,寿命都很短。分析结果表明:都是因为含碳量高,而引起早期脆断,碳量为3.4~3.6%出现粗大的一次碳化物如图4所示,装机试验叶片寿命很短。所以选用亚共晶程度稍大的合金成分,在采用激冷工艺时,则合金的亚共晶程度应更大些,所以我们选用含碳量在2.4~2.8%范围内。
图4、8%硝酸酒精腐蚀x532金相组织、回火马氏体+碳化物
Cr/C值是高铬铸铁的主要参数。铸铁中的铬以碳化物和固溶于奥氏体两种形式存在。Cr/C<5
时,随着比值的减小,(Fe,Cr),C:型碳化物被(Fe,Cr):C型逐步取代,奥氏体中含铬量相应减少,其稳定性降低。当Cr/C>5时,碳化物以(Fe,Cr),C:型存在,奥氏体中含铬量增加,稳定性增大,有利于得到铸态全奥氏体基体组织。采用激冷会使碳化物中的含铬量降低,从而增加奥氏体中的含铬量,进一步提高其稳定性,更利于获得铸态奥氏体基体。但过大的Cr/C值,意味着铸铁含碳量的降低,碳化物数量减少或含铬量过多,导致铸件耐磨性及机械性能下降。在砂型`铸造时,Cr/C值选5一6,而在激冷情况下,需相应降低碳的含量,Cr/C比值选用6~7。
2.对叶片内部质量的影响
提高高铬铸铁的结晶冷却速度,使铁水的过冷度增加、结晶核心增多、铸铁组织细化和不连续的(Fe,Cr),C。型共晶碳化物分散度加大,尺寸细化,数量增加,致使亚共晶铸铁的初生奥氏体细化。
从Fe一Cr一C三元状态图可知,高铬铸铁的共品反应大约在30OC的温度范围内进行,亚共晶铸铁随着含碳量减少,固液相线温度间隔加大,因此高铬铸铁有着严重的糊状凝固趋势,这就使得铸件有形成分散缩孔和析出性气孔的倾向。这个倾向随共晶度的减小而增大。根据铸件凝固理论,铸件的凝固方式是由合金本身的特性,液固相线间距、结晶温度范围tc和涛件的温度降δt所决定的。
△tc/δt<1时,铸件的凝固趋于逐层凝固。加强铸型的导热,使铸件温度降增大,即使△tc/δt减小,铸件就可能由糊状凝固方式改变为中间或逐层凝固,合金的晶间缩松倾向显著减小,合金密度增大。激冷皮涛件的密度由7.52g/cm³增至7.62g/cm³,孔洞率低了1.3%,铸件的致密性和健全性大大提高。
3.激冷对铸造工艺的要求
应用激冷提高叶片寿命,国内某铸造机械厂对激冷叶片进行了研究,已成功地用于生产。但在某铸造机械厂初试阶段,因激冷产生的“花脸”铸造缺陷对叶片寿命影响很大。为此我们对激冷所产生的表面缺陷进行了分析,认为缺陷是由于激冷使铁水的流动性降低所致。在观察充型过程中发现,“花脸”铸造缺陷的形成如图5所示。为了改变充型方式以消除这种缺陷,我们进行了平做斜浇试验,结果铸造缺陷明显减轻。若把叶片的铸造工艺改为立浇时,这种“花脸”缺陷有希望得到完全消除。
图5花脸缺陷的形成过程
把激冷应用于叶片生产时,需对浇注温度进行严格控制。若浇注温度过高,将减弱冷铁的激冷作用;浇注温度过低时会产生充型不足,得不到完整的铸件。为缩短浇注一批铸件延续的时间,宜采用串法。若用磁型生产线生产抛丸叶片可能更为理想。
参考文献
〔1〕王兆昌、韩福生:B与Re一51变质处理对高Cr一Mn白口铸铁的组织及性能的影响,《铸造》,〔8)1985: