挖泥船耐磨復(fù)合管鑄造新工藝及性能研究

陳建軍

（長(zhǎng)江航道局 武漢430010）

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挖泥船耐磨復(fù)合管鑄造新工藝及性能研究

陳建軍

（長(zhǎng)江航道局 武漢430010）

［摘 要］介紹一種挖泥船雙金屬?gòu)?fù)合材料輸泥管離心鑄造新工藝，研究高鉻合金鑄鐵內(nèi)層與ZG35外層復(fù)合管的組織構(gòu)造、硬度特性。通過(guò)對(duì)復(fù)合管內(nèi)層高鉻合金鑄鐵材料進(jìn)行多種沖蝕角度的泥沙磨損實(shí)驗(yàn)，分析探討高鉻合金鑄鐵材料的磨損機(jī)理。

［關(guān)鍵詞］輸泥管；雙金屬；離心鑄造；泥沙磨損；磨損機(jī)理

引 言

當(dāng)今疏浚作業(yè)船舶越來(lái)越注重高效、耐用和維護(hù)便捷等性能，在船型設(shè)計(jì)日趨成熟的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和新材料的運(yùn)用也日益得到重視。輸泥管是挖泥船疏浚系統(tǒng)最基礎(chǔ)的過(guò)流部件之一?；诎踩徒?jīng)濟(jì)性的考慮，目前輸泥管主要采用熱軋低碳鋼板或低合金鋼板經(jīng)卷制焊接而成，該類泥管硬度偏低、耐磨性能差，工作壽命短，工程應(yīng)用中需要頻繁更換，而更換輸泥管是一項(xiàng)繁瑣的工作，尤其是艙內(nèi)輸泥管，更換時(shí)空間狹小，且多有穿艙布置，使更換難度大大增加，所以提高輸泥管的耐磨性從而降低其更換頻率是非常值得探究的課題。

為提高輸泥管的抗泥沙磨損性能和有效使用壽命，實(shí)踐中采用在低碳鋼板或低合金鋼板卷制焊接輸泥管內(nèi)壁堆焊耐磨合金的方法制造耐磨輸泥管，由于耐磨合金焊接性能較差，焊后通常在堆焊的耐磨層中存在大量龜殼狀焊接裂紋，隨使用時(shí)長(zhǎng)逐漸呈小塊剝落從而削減耐磨能力，同時(shí)堆焊基材稀釋和焊接變形等其他問(wèn)題也影響了該類輸泥管的綜合使用性能，因此該類輸泥管在實(shí)際中較少應(yīng)用。

新材料的技術(shù)突破及應(yīng)用是當(dāng)今疏浚作業(yè)船研制的一個(gè)重要方面。長(zhǎng)江航道局已有多艘挖泥船在開(kāi)發(fā)研制中采用雙金屬?gòu)?fù)合材料離心鑄造新工藝，雙金屬?gòu)?fù)合輸泥管內(nèi)層為硬度高、抗泥沙磨損性能優(yōu)異的高鉻合金鑄鐵材料，外層為強(qiáng)度、塑性及焊接性能優(yōu)異的低碳鋼材料，內(nèi)層與外層形成了良好的冶金結(jié)合。該復(fù)合管很好地解決了輸泥管既要求耐磨，又要求承壓等復(fù)合性能要求。

1　雙金屬?gòu)?fù)合管離心鑄造工藝

1.1材料成分

基于澆注時(shí)流動(dòng)性、力學(xué)性能及焊接性能的要求，復(fù)合管外層材料采用ZG35。復(fù)合管內(nèi)層材料主要受泥沙沖蝕磨損，應(yīng)具有高抗泥沙磨損性能，故選用抗泥沙磨損性能優(yōu)異的高鉻合金鑄鐵作為復(fù)合管內(nèi)層材料，其成分見(jiàn)表1。

表1　內(nèi)層高鉻合金鑄鐵成分wt　%

1.2復(fù)合管離心鑄造工藝

復(fù)合管內(nèi)徑為800 mm，內(nèi)層耐磨高鉻合金鑄鐵厚度為15 mm，外層ZG35厚度為17 mm。在進(jìn)行復(fù)合管離心鑄造中，先澆注復(fù)合管外層材料ZG35，待外層凝固并適當(dāng)降溫后再澆注內(nèi)層高鉻合金鑄鐵材料。表2為雙金屬?gòu)?fù)合管離心鑄造工藝參數(shù)。表2中的澆注間隔時(shí)間是指外層澆注完畢到內(nèi)層澆注開(kāi)始之間的時(shí)間間隔，澆注間隔時(shí)間是保證內(nèi)層和外層界面形成冶金結(jié)合的關(guān)鍵參數(shù)。

表2　雙金屬?gòu)?fù)合管離心鑄造工藝參數(shù)

2　雙金屬?gòu)?fù)合管離心鑄造輸泥管組織及性能分析

2.1雙金屬?gòu)?fù)合管熔合層界測(cè)試

圖1為雙金屬?gòu)?fù)合管厚度方向鑄態(tài)組織圖片，清晰可見(jiàn)白亮色雙金屬熔合界面，形成良好的冶金結(jié)合，該熔合界面左右兩側(cè)組織形貌呈現(xiàn)顯著差異。熔合界面左側(cè)為ZG35，熔合界面右側(cè)為高鉻合金鑄鐵，可見(jiàn)典型的高鉻合金鑄鐵白亮色柱狀初生Cr的碳化物組織。

圖1　雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)合界面

圖2　復(fù)合管熔合線處線掃描波形線

利用電子探針，觀察分析熔合界面兩側(cè)各元素相對(duì)含量，圖2為熔合界面及其附近線掃描波形圖。不同顏色的波形線表示不同元素沿掃描方向上的相對(duì)含量變化，顯然，元素在熔合界面兩側(cè)發(fā)生突變。Cr是內(nèi)層的最主要合金元素，而外層ZG35中含量較少，圖3為Cr元素的線掃描波形線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在熔合線界面兩側(cè)的明顯區(qū)別。選定臨近熔合線兩側(cè)區(qū)域（區(qū)域位置見(jiàn)圖4）進(jìn)行圖譜面掃描成分定量分析，表3為兩區(qū)域主要元素測(cè)試結(jié)果。圖1區(qū)域與圖2區(qū)域接近熔合線且位于熔合界面兩側(cè)，雖然兩區(qū)域非常鄰近，但表3反映成分差異較大。圖1區(qū)域成分呈現(xiàn)的是ZG35成分，圖2區(qū)域成分呈現(xiàn)的是高鉻合金鑄鐵成分。由圖4可以觀察到兩種材料清晰的熔合界面，表明ZG35與高鉻合金鑄鐵發(fā)生熔合但并未混合。

圖3　復(fù)合管熔合線處Cr元素線掃描波形線

圖4　面掃區(qū)域選取

表3　面掃描數(shù)據(jù)

圖5為沿雙金屬?gòu)?fù)合管厚度方向顯微硬度測(cè)試曲線，Z1線（鑄態(tài)）為鑄態(tài)硬度測(cè)試曲線，H1線（淬火）為熱處理態(tài)硬度測(cè)試曲線。ZG35側(cè)硬度低，而且ZG35鑄態(tài)硬度和熱處理態(tài)硬度區(qū)別不大；而高鉻合金鑄鐵一側(cè)的硬度突然增加，且熱處理態(tài)硬度比鑄態(tài)硬度明顯增加。

圖5　復(fù)合管厚度方向硬度變化曲線

2.2高鉻合金鑄鐵耐磨內(nèi)層組織

高鉻合金鑄鐵熱處理工藝過(guò)程：先加熱到奧氏體化溫度（960℃～1 060℃），并保溫一定時(shí)間后出爐空冷淬火。圖6為高鉻合金鑄鐵在鑄態(tài)下的組織為共晶體（奧氏體+共晶碳化物）+初生碳化物。圖7為空冷淬火下的組織為共晶碳化物+初生碳化物+二次碳化物+馬氏體+殘余奧氏體。

圖6　內(nèi)層高鉻合金鑄鐵鑄態(tài)組織

圖7　內(nèi)層高鉻合金鑄鐵淬火組織線

2.3高鉻合金鑄鐵耐磨內(nèi)層硬度

表4為高鉻合金鑄鐵耐磨內(nèi)層鑄態(tài)和空冷淬火硬度，高鉻合金鑄鐵耐磨內(nèi)層經(jīng)淬火后，其硬度顯著增加。

表4　高鉻合金鑄鐵耐磨內(nèi)層硬度/HRC

3　雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)層材料泥沙磨損實(shí)驗(yàn)

泥沙磨損是一種液/固兩項(xiàng)流的磨粒磨損［1］，因磨粒磨損影響因素多，評(píng)價(jià)材料的耐磨性能通常采用相對(duì)耐磨性的評(píng)定方法，本實(shí)驗(yàn)在多試樣旋轉(zhuǎn)式泥沙磨損試驗(yàn)機(jī)上完成。對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)層材料進(jìn)行線切割取樣，選用傳統(tǒng)Q345泥管焊接材料作為標(biāo)樣（對(duì)比試樣）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用順序換位方法以減少實(shí)驗(yàn)誤差，考慮到輸泥管工作時(shí)泥沙沖蝕角度較小，實(shí)驗(yàn)時(shí)分別采用5°、10°、15°沖蝕角，表5為泥沙磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由此可見(jiàn)：與傳統(tǒng)焊管材料（Q345）相比，雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)層材料（高鉻合金鑄鐵）無(wú)論在鑄態(tài)還是空冷淬火后，其抗泥沙磨損性能均顯著提高，在空冷淬火條件下，抗泥沙磨損性能最好。隨著沖蝕角度減小，雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)層材料的相對(duì)耐磨性增加。

表5　雙金屬離心復(fù)合管內(nèi)層材料不同角度泥沙磨損相對(duì)耐磨性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

泥沙磨損時(shí)，材料磨損過(guò)程表現(xiàn)為顯微切削和微觀疲勞斷裂過(guò)程，雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)層材料中的馬氏體、殘奧氏體基體金屬因其硬度相對(duì)較低，受磨粒尖角的切削和犁溝作用，優(yōu)先磨耗逐漸下凹，進(jìn)而碳化鉻硬質(zhì)相逐漸凸起承受磨粒的沖擊和切削，而泥沙中的磨粒是以一定角度沖蝕磨損面的，由于凸起碳化鉻的阻擋作用，減緩了磨粒對(duì)下凹基體金屬的直接沖擊，形成如下頁(yè)圖8所示的“陰影效應(yīng)”［2］，處在“陰影”中的基體金屬受到凸起硬質(zhì)相的保護(hù)作用，被沖擊和切削的幾率減小，從而減輕磨損程度。凸起硬質(zhì)相的破壞主要是凸起硬質(zhì)相的剝離和疲勞斷裂，由于基體金屬受到“陰影效應(yīng)”的良好保護(hù)，進(jìn)而能夠充分發(fā)揮其對(duì)硬質(zhì)相的“支撐作用”。在“陰影效應(yīng)”和“支撐作用”相互促進(jìn)下，復(fù)合管內(nèi)層材料的抗磨粒磨損性能得到顯著提高。

圖8　高鉻合金鑄鐵碳化物硬質(zhì)相抗泥沙磨損示意圖

由圖8可見(jiàn)，受單個(gè)硬質(zhì)顆粒保護(hù)的“陰影”面積S與泥沙的沖蝕角關(guān)系可用式（1）表示：

式中：S為陰影面積，B為硬質(zhì)顆粒寬度， H為硬質(zhì)顆粒凸起高度。

可見(jiàn)，當(dāng)硬質(zhì)相尺寸及密度一定的條件下，隨著沖蝕角θ減小，受保護(hù)的“陰影”面積S增加，材料的抗泥沙磨損性能越好，表5的磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也說(shuō)明了這種影響。

4　雙金屬?gòu)?fù)合管在疏浚挖泥船的實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)上述理論和實(shí)驗(yàn)分析，以及顯而易見(jiàn)的結(jié)果表明：雙金屬?gòu)?fù)合管的抗泥沙磨損性能優(yōu)異，所以由這種方法制造的輸泥管正日益受到重視，并在疏浚作業(yè)船舶設(shè)計(jì)中得到采用。

長(zhǎng)江航道局多艘絞吸船和耙吸船就安裝使用了這類輸泥管，在實(shí)際使用過(guò)程中，針對(duì)不同土質(zhì)和砂質(zhì)，發(fā)現(xiàn)雙金屬?gòu)?fù)合管的耐磨性能是普通鋼管的幾倍至十幾倍。當(dāng)疏浚一般砂土?xí)r，普通鋼制輸泥管大半年至一年就需要更換，而雙金屬?gòu)?fù)合管可長(zhǎng)達(dá)幾年無(wú)需更換；當(dāng)疏浚鐵板砂等堅(jiān)硬砂土?xí)r，普通鋼制輸泥管二三個(gè)月就需更換，雙金屬?gòu)?fù)合管至少一二年以上才需更換。關(guān)鍵是對(duì)于艙內(nèi)管系來(lái)說(shuō)，有效解決了頻繁換管的麻煩，節(jié)省時(shí)間和人力物力，有效提高疏浚效率。

雙金屬?gòu)?fù)合管的耐磨優(yōu)勢(shì)是顯著的，當(dāng)然也存在一定缺憾，由于這類輸泥管為內(nèi)外兩層，所以管壁比普通鋼制輸泥管稍厚，價(jià)格也偏高，但它有效降低輸泥管的更換頻率，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看更為經(jīng)濟(jì)，在船舶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)事先考慮其質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。

5　結(jié) 論

（1）通過(guò)合理控制雙金屬?gòu)?fù)合管離心鑄造工藝參數(shù)，可以獲得高鉻合金鑄鐵內(nèi)層與ZG35外層復(fù)合管，其界面能夠形成良好的冶金結(jié)合，內(nèi)層高鉻合金鑄鐵具有優(yōu)異的抗泥沙磨損性能。

（2）雙金屬?gòu)?fù)合耐磨管的新技術(shù)將對(duì)疏浚作業(yè)船舶的設(shè)計(jì)、制造和使用產(chǎn)生重要且長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義，有效降低換管頻率，提高整體疏浚效率。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 杜學(xué)銘，李愛(ài)農(nóng)，施雨湘. 碳化鎢復(fù)合耐磨堆焊層泥沙磨損性能的研究［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（2）：161-164.

［2］ 杜學(xué)銘，卜智祥，李愛(ài)農(nóng).碳化鎢條氧-乙炔火焰耐磨堆焊工藝研究［J］.船海工程，2002（2）：35-38.

New casting technology and performance research of anti-wear composite pipes for dredgers

CHEN Jian-jun
(The Yangtze River Waterway Bureau, Wuhan 430010, China)

Abstract:A new manufacturing technology of the centrifugal casting of the mud transporting pipes made of the dual-metal composite material for dredgers is described. And the organization structure and the hardness properties of the composite pipes with high-chromium cast iron inner layer and ZG35 alloy outer layer are studied. Then the wear mechanism of high-chromium cast iron is analyzed and discussed through the sediment wear tests of the high-chromium cast iron inner layer eroded with various angles.

Keywords:mud transporting pipes; dual-metal; centrifugal casting; sediment abrasion; wear mechanism

［中圖分類號(hào)］TG241

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）02-0088-05

［收稿日期］2016-02-16；［修回日期］2016-03-15

［作者簡(jiǎn)介］陳建軍（1957-），男，教授級(jí)高工，研究方向：船舶工程。