錳含量對鑄造CADI磨球組織與性能的影響

王井會，王景榮，李佳穎，宋開紅，姜延飛

（1.承德榮茂鑄鋼有限公司，河北承德 067601；2.河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，天津 300401；3.河北省耐磨金屬鑄造技術(shù)創(chuàng)新中心，河北承德 067601；4.高性能鐵基耐磨材料河北省工程實驗室，河北承德 067601）

磨球作為礦山、冶金行業(yè)的一種消耗較大的研磨體，不僅需要很好的耐磨性，還要有一定的沖擊韌度，保證磨球在使用中不發(fā)生破碎。CADI（含碳化物奧鐵體球墨鑄鐵）磨球因其優(yōu)良力學(xué)性能及很好的耐磨性已經(jīng)成為礦山、冶金等行業(yè)主要耐磨產(chǎn)品之一。CADI磨球的關(guān)鍵是保證耐磨性的同時，在使用過程中不破碎，國內(nèi)外科研人員在各合金元素和熱處理工藝等方面對CADI組織性能的影響方面做了大量研究[1-4]，作者結(jié)合公司生產(chǎn)的CADI磨球，做了錳含量對CADI組織及磨球綜合力學(xué)性能影響的研究，通過合理的設(shè)計化學(xué)成分及熱處理工藝，能夠得到具有良好的綜合力學(xué)性能的CADI磨球，能很好地將磨球硬度和沖擊韌度結(jié)合在一起，既能使磨球有很好的耐磨性，又有一定的沖擊韌度，使磨球在使用中不發(fā)生破碎。

1 試樣制備

試樣的化學(xué)成分如表1所示。按照成分配比，采用500kg中頻感應(yīng)電爐熔煉，鐵水出爐溫度1500～1520℃，采用鐵水包內(nèi)沖入法進(jìn)行球化處理，球化劑選用稀土鎂硅鐵合金，加入量1.5%；孕育處理采用沖入法在鐵水包和中間包兩次孕育，鐵水包加入0.8%，中間包加入0.5%，孕育劑選用含鋇硅鐵合金。經(jīng)過處理的鐵水澆入?120mm磨球的金屬型模具成型。熱處理前后分別對不同錳含量的?120mm磨球，用線切割在磨球的中心部位抽取各種檢測用試樣。

表1 試樣化學(xué)成分 ωB/%

2 試驗方法

隨機(jī)選取不同成分的5個磨球進(jìn)行熱處理，采用箱式電阻爐加熱，經(jīng)過900℃奧氏體化保溫3小時，放入260℃鹽浴爐內(nèi)等溫2小時，出爐空冷至室溫。用線切割在?120mm磨球的中心部位抽取檢測沖擊韌度、洛氏硬度、磨損試驗的試樣，每種試樣取5只。沖擊試驗選用設(shè)備型號為JWB-300Y，沖擊試樣為尺寸10mm×10mm×55mm的無缺口試樣，試樣沖擊點取在磨球的二分之一半徑處。硬度測試的設(shè)備型號為洛氏硬度計HRS-150，測試試樣尺寸為10mm×10mm×120mm。磨損試驗選用MLS-225型干濕橡膠輪式磨損試驗機(jī)，磨損試驗的試樣尺寸為57mm×25.5mm×6mm，試樣中心切取位置為磨球的二分之一半徑處。試驗時向試驗機(jī)中加入1500克細(xì)石英砂（40～70目）與1000毫升水，試驗中施加的載荷為210N，主軸轉(zhuǎn)速240r/min，旋轉(zhuǎn)3000轉(zhuǎn)后取下超聲清洗，采用電子分析天平稱重，每組試樣測試6個，取失重平均值。金相組織分析用試樣的切取位置為磨球的二分之一半徑處，砂紙打磨并拋光后使用4%硝酸酒精腐蝕，碳化物含量采用圖像分析法測量，每個試樣選取5個視場圖像的平均值。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 錳含量對CADI鑄態(tài)顯微組織的影響

圖1 不同錳含量磨球的鑄態(tài)顯微組織

表2 不同錳含量試樣的碳化物含量 ωB/%

圖1為5種錳含量磨球的鑄態(tài)顯微組織的金相照片。由照片可以看出鑄態(tài)組織均為珠光體+球狀石墨+碳化物，隨著錳含量的增加碳化物含量也不斷增加（如表2和圖2所示），因為錳能促進(jìn)形成碳化物和珠光體，增大白口傾向，降低CADI材料的沖擊韌度，但錳也是增加奧氏體穩(wěn)定性、擴(kuò)大奧氏體化溫度區(qū)域的元素，提高淬透性，對于大直徑磨球的整體淬透性是有利的，所以對于大直徑的磨球要有足夠的錳含量。

3.2 錳含量對CADI熱處理后顯微組織的影響

圖2 錳含量對CADI組織中碳化物含量的影響

圖3為5種錳含量磨球經(jīng)等溫淬火后顯微組織的金相照片。由照片可以看出熱處理后的顯微組織均為：奧鐵體（富碳奧氏體和針狀鐵素體）+球狀石墨+碳化物，但因錳含量不同，5種材料中各組織占比不同，隨著錳含量的增加組織中碳化物含量增加，而錳含量由2.32%增加到2.58%時碳化物含量增加明顯，碳化物形態(tài)也變得粗大。

3.3 錳含量對CADI材料力學(xué)性能的影響

3.3.1 錳含量對硬度與沖擊值的影響

表3為5種錳含量CADI磨球熱處理后試樣的硬度和沖擊韌度測試結(jié)果。由表3可以看出隨著錳含量的增加，試樣表面硬度有所增加，而1#、2#、3#試樣因錳含量相對低，淬透性較差，磨球心部與表面硬度差大，而4#、5#試樣錳含量更高，淬透性好，磨球心部與表面硬度差小。隨著錳含量的增加，組織中碳化物含量增加，致使5個試樣的沖擊韌度不斷降低，特別是5#試樣沖擊韌度急劇下降。

表3 試樣硬度和沖擊韌度測試結(jié)果

3.3.2 錳含量對磨損性能的影響

圖4給出了錳含量變化對磨損失重的影響關(guān)系曲線。由圖4可以看出1#、2#、3#、4#試樣隨著錳含量的增加，磨損失重減小，這是因為隨著錳含量的增加，CADI材料的硬度提高，組織中碳化物含量增加，所以耐磨性也不斷提高。而5#試樣隨著錳含量達(dá)到2.58%時，耐磨性卻比4#試樣降低很多，這是因為過多的Mn使得組織中的碳化物含量過多，而且碳化物形態(tài)變得粗大，在磨損過程中容易剝落，反而使其耐磨性下降。

圖4 錳含量對耐磨性的影響

4 結(jié)論

（1）隨著錳含量的增加，CADI磨球的鑄態(tài)組織中碳化物的含量不斷增加，而且形態(tài)變得越來越粗大。

（2）Mn可以提高磨球的淬透性，經(jīng)過900℃奧氏體化保溫3小時，260℃鹽浴等溫2小時熱處理后，含錳量2.32%的試樣，表面硬度59HRC，心部硬度55HRC，沖擊韌度16J/cm2，綜合性能最好。