高鉻鑄鐵材質(zhì)的鑒別與適用的切割辦法

于　濤，劉文華

（煙臺(tái)恒邦泵業(yè)有限公司，山東煙臺(tái)264100）

高鉻鑄鐵材質(zhì)的鑒別與適用的切割辦法

于濤，劉文華

（煙臺(tái)恒邦泵業(yè)有限公司，山東煙臺(tái)264100）

簡(jiǎn)單介紹了金屬材料化學(xué)分析儀器的工作原理，分析了各牌號(hào)高鉻鑄鐵材質(zhì)的檢驗(yàn)方法，并根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，提出鑄件斷面的幾種特征形貌，輔助對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)車間回爐料的篩選；同時(shí)從技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性要求等方面探討了高鉻鑄鐵材質(zhì)適用的的切割方法，用于指導(dǎo)試驗(yàn)與生產(chǎn)。

高鉻鑄鐵；檢測(cè)手段；斷口；切割

我公司生產(chǎn)的渣漿泵、挖泥泵、脫硫泵等過(guò)流部件均廣泛采用具有特殊性能的高鉻鑄鐵材質(zhì)制造。經(jīng)公司幾代科研人員的不斷改進(jìn)，材料已形成多種用途的系列產(chǎn)品，如常見(jiàn)的BTMCr28、BTMCr15Mo3、BTMCr22Mn3、A49、Cr30A等，服役至今，均在相關(guān)行業(yè)內(nèi)有著突出表現(xiàn)，得到廣大客戶的一致認(rèn)可。

由于高鉻鑄鐵生產(chǎn)占有量大，材質(zhì)中且含有相當(dāng)比例的貴重金屬元素，從而對(duì)回爐料的合理歸類，準(zhǔn)確控制爐料成分，保證產(chǎn)品質(zhì)量等相關(guān)工作是十分必要的。筆者根據(jù)工作經(jīng)歷提出若干輔助性的檢測(cè)手段，可供相關(guān)人員參照運(yùn)用。這些方法也同樣適用于銷售或技術(shù)支持人員的現(xiàn)場(chǎng)辨認(rèn)分析。

此外，無(wú)論是對(duì)高鉻鑄鐵材質(zhì)試塊還是復(fù)雜鑄件，合理的切割加工方法也是保證產(chǎn)品成品率的有效手段，故本文也針對(duì)高鉻鑄鐵件在切割方法的適用性方面進(jìn)行了分析討論，希望給業(yè)內(nèi)人士提供一些幫助。

1　材料檢測(cè)技術(shù)手段論述

1.1利用電火花光譜儀

電火花直讀光譜儀是一種爐前試樣的定量分析儀器[1]。它的工作原理是通過(guò)數(shù)千度高溫的火花柱激發(fā)待檢測(cè)爐前試樣，快速捕捉汽化金屬所釋放的光的特征波長(zhǎng)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)處理后直接顯示化學(xué)成分含量。金屬化驗(yàn)前表面需要進(jìn)行適當(dāng)磨削，保證測(cè)試部位相對(duì)平整及無(wú)污染。設(shè)備廣泛用于在鋼鐵企業(yè)里金屬的一般化學(xué)元素快速的檢驗(yàn)分析，檢測(cè)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可靠，有效保證企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量。

我公司的鑄鋼鑄鐵試件的爐前成分均憑借電火花光譜儀來(lái)進(jìn)行化驗(yàn)，也可以采用這種手段在高鉻鑄鐵件的混料上取樣來(lái)檢測(cè)成分含量，雖然熱處理狀態(tài)鑄件的化驗(yàn)結(jié)果相對(duì)失真，但通過(guò)觀察特征元素的差別可清晰地區(qū)分幾種材質(zhì)。

2　利用便捷式看譜鏡

手持式看譜鏡主要應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)黑色金屬或有色金屬的定性及半定量成分分析，它以圓盤電極的電?。ɑ鸹ǎ┓烹娂ぐl(fā)被測(cè)試件，收集相關(guān)元素特定光源譜線同時(shí)顯示在觀察窗口內(nèi)[2]。定性分析是通過(guò)搜尋元素的最靈敏線來(lái)實(shí)現(xiàn)，可借助標(biāo)準(zhǔn)樣塊來(lái)減少誤判率；半定量的分析是觀察特征譜線的亮度即強(qiáng)度的大小差異來(lái)粗略估計(jì)的。該方法可在鑄件無(wú)損狀態(tài)下進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度依賴檢測(cè)人員的技能水平，它也是在工程現(xiàn)場(chǎng)分析金屬材質(zhì)較為經(jīng)濟(jì)有效的一種方式。

3　金相分析或XRD能譜分析等顯微分析

金相分析及電子顯微分析也是實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的分析手段。如表1所示對(duì)于化學(xué)成分跨度較大的高鉻鑄鐵材質(zhì)如BTMCr28與A49[4]，BTMCr18Mn3與CR30A等[5]，它們的初生相是有明顯的形態(tài)差異，而且在熱處理狀態(tài)初生相是保持鑄態(tài)原貌的，通過(guò)光學(xué)金相分析法可有效辨認(rèn)幾種特殊材質(zhì)。

表1　有關(guān)高鉻鑄鐵材質(zhì)主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

4　利用手持式X熒光光譜儀

手持式X熒光光譜儀是基于X射線熒光光譜分析原理的設(shè)備，對(duì)金屬或礦物具有定性和半定量檢測(cè)功能[3]。它相對(duì)臺(tái)式機(jī)有體積小，便捷，準(zhǔn)確度高等突出特點(diǎn)。隨時(shí)隨地可以對(duì)金屬工件無(wú)損檢測(cè)，在5 s~10 s內(nèi)測(cè)定30多種元素含量，讀數(shù)可精確顯示至0.01%.精度高且操作十分簡(jiǎn)便，但本身價(jià)格較高，定期還需更換X射線等元件，開(kāi)銷費(fèi)用也在數(shù)千到數(shù)萬(wàn)元不等，高維護(hù)成本影響了它的適用性。

能譜儀EDS一般是掃描電鏡的配套儀器，是對(duì)樣品特定微觀區(qū)域的定量分析，其分析置信度較高。待檢樣品需要送檢至專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢驗(yàn)費(fèi)用較高且檢驗(yàn)周期較長(zhǎng)，該方式對(duì)于粗略歸類的鑄件材料其實(shí)并不適用。

5　斷口簡(jiǎn)易目測(cè)

通過(guò)觀察鑄件斷面的新鮮斷口，進(jìn)而區(qū)分幾種高鉻鑄鐵材質(zhì)也較為方便可行。需要一些業(yè)務(wù)積累方可提高判斷結(jié)論的置信度。不同高鉻鑄鐵材質(zhì)中，物相的組成及體積含量是有明顯差異的，有的相顯微硬度高，脆性大，有的則相對(duì)韌性好。鑄件在斷裂后，由于這些因素導(dǎo)致所呈現(xiàn)的宏觀斷口形貌也截然不同，捕捉斷口的特征組織結(jié)構(gòu)是區(qū)分高鉻鑄鐵材質(zhì)的關(guān)鍵。如圖1所示，A49材料的宏觀斷口樣貌，光線照射下會(huì)明顯發(fā)現(xiàn)獨(dú)立存在閃閃發(fā)光的組織結(jié)構(gòu)，這種片狀結(jié)構(gòu)類似六邊形，晶粒的大小取決于爐前孕育方法或是鑄件的壁厚。A49的韌性斷口區(qū)域占有比例大，在日光下呈淺灰色；Cr30A與A49的宏觀斷口較為相似，有時(shí)大斷面的情況甚至難以區(qū)分，如圖2所示Cr30A的斷口樣貌，有光亮的粗大枝晶片結(jié)構(gòu)。通過(guò)金相顯微分析發(fā)現(xiàn)，這種脆性斷面或沿初生相晶界或是脆性相自身整片晶團(tuán)的穿晶撕裂而形成的，由于Cr30A的碳化物占有比例較大，與A49相比斷裂機(jī)理略有不同，所以宏觀斷口目測(cè)下，會(huì)認(rèn)為晶粒十分粗大，但經(jīng)微觀分析比較這種結(jié)論未得到證實(shí)。當(dāng)然這種視覺(jué)上差異也成為了一種有效的辨認(rèn)手段。

圖1　高鉻鑄鐵A49材質(zhì)鑄件斷面

圖2　Cr30A材質(zhì)鑄件宏觀斷口

絕大多數(shù)情況BTMCr28的斷口形貌具有如圖3所示的特征，因?yàn)殍T件未經(jīng)特別細(xì)化處理（技術(shù)難點(diǎn)）初生碳化物晶粒粗大，以至肉眼便可發(fā)覺(jué)它的針狀結(jié)構(gòu)，在厚壁斷面中更為明顯，這也是在現(xiàn)階段我公司生產(chǎn)的高鉻鑄鐵材質(zhì)中唯一具有的特征，借助該方法可以很容易做到區(qū)分。

圖3　BTMCr28材質(zhì)鑄件宏觀斷口

BTMCr18Mn3，BTMCr22Mn3等亞共晶鑄鐵材料通過(guò)宏觀斷口觀察較難以辨別，細(xì)微的差異要輔以金相分析。它們的宏觀斷口樣貌的共同特征是局部具有放射針狀的組織形態(tài)，而且基體表面凹凸不平，與巖石斷口類似，適當(dāng)?shù)慕嵌扔^察就像很多小火山口，這種材料的斷裂是沿著聚集的M7C3合金碳化物晶面擴(kuò)展的，繼而形成特有的宏觀斷口形貌。

2　高鉻鑄鐵材料切割方法的討論

2.1乙炔氧氣火焰切割

在對(duì)金屬氣割時(shí)，保證坯料燃燒產(chǎn)物的熔點(diǎn)應(yīng)低于本體，形成的熔渣應(yīng)易吹剝。高鉻鑄鐵材質(zhì)經(jīng)高溫灼燒表面易形成熔點(diǎn)較高的Cr2O3保護(hù)層，使切割作業(yè)難度上升，盡管有資料顯示可以先對(duì)材質(zhì)預(yù)熱后便可順利進(jìn)行[6]，但筆者嘗試多種方法都未實(shí)現(xiàn)，而且該方式對(duì)鑄件本體破壞程度較大，鑒于燃料消耗及切割難度等方面的考慮，并不推薦這種方式。

2.2碳弧氣刨

碳弧氣刨是利用碳棒接觸電源后產(chǎn)生超高溫電弧瞬間加熱高鉻鑄鐵本體，結(jié)合壓縮空氣把溶渣去除的方法。雖成本低，且簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)脆性較大的高鉻鑄鐵件的加工安全性無(wú)法保證，故只適用于對(duì)切割精度不高、基體以?shī)W氏體為主的A49材質(zhì)鑄件冒口的清理作業(yè)，其他有耐磨要求的高鉻鑄鐵件，尤其是復(fù)雜鑄件如采用此方法需要謹(jǐn)慎對(duì)待。

2.3電火花線切割

線切割機(jī)大體可分為快走絲與慢走絲兩種?？熳呓z機(jī)床的走絲速度在6 m/s~12 m/s，其機(jī)構(gòu)中配制軸向移動(dòng)的儲(chǔ)絲筒，可以往復(fù)兩方向旋轉(zhuǎn)，電極絲多為φ0.06mm～φ0.25mm的鉬絲，這類耗材拉伸強(qiáng)度大，耐熱性與抗磨損性較好，故可以多次使用?？熳呓z的金屬表面加工后粗糙度一般為Ra1.25μm～2.5μm級(jí)[7]，目前可以順利切割的最大厚度為50cm.

慢走絲方式一般是以低于0.2 m/s的速度作單向運(yùn)動(dòng)，電極絲多為黃銅材質(zhì)，導(dǎo)電性好，只能使用一次。利用慢走絲機(jī)床加工的部件，表面粗糙度最佳可達(dá)暗光澤面程度的Ra0.2μm級(jí)[8]，但該方法一般不宜加工大厚度工件。

像BTMCr28、BTMCr18Mn3等這樣的高鉻鑄鐵材質(zhì)往往硬度高，耐磨性好，因?yàn)楸患庸っ婵梢酝ㄟ^(guò)車削來(lái)提高表面粗糙度，所以高鉻鑄鐵件的切割廣泛采用快走絲方式，并且多數(shù)限制于對(duì)規(guī)則試塊或簡(jiǎn)單形體鑄件的加工。為使電極絲平穩(wěn)放電，切割接觸面應(yīng)清理干凈，盡可能去除氧化皮。

2.4高壓水刀切割

水切割技術(shù)是通過(guò)特殊裝置將高壓水（<400MPa）與磨料混合后形成密集噴射流再實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工[9]。這種方式的突出特點(diǎn)是幾乎不受本體材質(zhì)的限制，無(wú)論對(duì)剛性還是彈性坯料都可進(jìn)行作業(yè)，如食品（豆腐），橡膠，金屬，陶瓷等的切割，而且可以保證0.1 mm~0.25 mm的切割精度及Ra1.6級(jí)的粗糙度。業(yè)內(nèi)有報(bào)導(dǎo)的最大金屬工件切割厚度為70mm，其切割速度約為15 mm/min[7].2013年中央電視臺(tái)科技欄目特別介紹了由獅邁公司研發(fā)生產(chǎn)的“智能水刀”設(shè)備，引起了極大的轟動(dòng)。它的切割速度是常規(guī)水切割的3.5倍。無(wú)論是清理高鉻鑄鐵材質(zhì)的澆冒口還是切割本體鑄件，切割效率與質(zhì)量均占有優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在切口區(qū)溫度可以保持在50℃-60℃左右，工件不易變形，邊緣損失小等特點(diǎn)。高鉻鑄鐵工件的耐蝕性較好，采用水刀切割區(qū)別于其他普通材質(zhì)鑄件的優(yōu)點(diǎn)在于，加工后不需要額外的表面清潔甚至是防銹處理，可以減少一道工序及節(jié)省成本。

但水切割智能設(shè)備價(jià)格貴，配套的耗材又是成本較高的進(jìn)口產(chǎn)品，使它更適用于處理較為精密的工件。盡管如此，用于切割高鉻鑄鐵脆性材料時(shí)，水刀在切割質(zhì)量及效率上優(yōu)勢(shì)仍然使其在國(guó)內(nèi)外占有很高的關(guān)注度，隨著技術(shù)的成熟有關(guān)它的發(fā)展推廣會(huì)越來(lái)越快。

2.5等離子切割

這種切割的特點(diǎn)有加工移動(dòng)速度快，壞料本體幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)，熱變形小，切割面粗糙度達(dá)Ra12.5[10].用于切割高鉻鑄鐵材質(zhì)規(guī)則體是可行的，但工件厚度應(yīng)限制在50mm以內(nèi)。其生產(chǎn)能力強(qiáng)及運(yùn)行成本低的特點(diǎn)平衡了一次性投資較大的問(wèn)題，整體經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3　結(jié)束語(yǔ)

1）高鉻鑄鐵含有較高的貴重金屬元素，對(duì)無(wú)法區(qū)分的鑄鐵回收料或現(xiàn)場(chǎng)工況下鑄件的辯認(rèn)可借助便攜式看譜鏡檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法較為經(jīng)濟(jì)可靠。

2）斷口的目測(cè)觀察雖然具有人為因素，但如果對(duì)其要領(lǐng)正確的掌握，該技能的運(yùn)用同樣也是快速有效。

3）無(wú)論是高鉻鑄鐵試塊、工件本體的材料切割還是鑄件澆冒口清理，根據(jù)材質(zhì)特性及加工要求，采取相應(yīng)的切割方式是提高生產(chǎn)效率及降低廢品率的有效措施之一。

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Identification of High Chromium Cast Iron and Its Applicable Cutting Method

YU Tao，LIU Wen-hua
（Yantai Hengbang Pump Co.，LTD.，Yantai Shandong 264100，China）

The working principle of chemical analysis instrument for metal materials is introduced briefly.Methods for the determination of various grades of high chromium cast iron material are analyzed.Some characteristics of the casting section are put forward to choose the scrap returns in the workshop.At the same time，the applicable crutting methods of high chromium cast iron material are discussed from technical and economic requirements，which can be used to guide the test and production.

high chromium cast iron，testing method，fracture surface，cutting

TG25

A

1674-6694（2016）05-0044-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.05.014

2016-03-20

于濤（1981-），男，吉林，中級(jí)工程師，碩士學(xué)位，主要從事金屬材料研發(fā)工作。E-mail：ytemails@163.com