高鉻耐磨鑄鐵在大型船用挖泥泵中的開發(fā)及應(yīng)用

楊憲明

石家莊工業(yè)泵廠有限公司 河北石家莊 050100

1 序言

渣漿泵從物理學(xué)原理講屬于離心泵的一種，從概念上講，是指通過借助離心力（泵的葉輪旋轉(zhuǎn)）的作用使固、液混合介質(zhì)能量增加的一種機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成介質(zhì)的動能和勢能的設(shè)備。用在海水里選砂、河道里挖沙等工況時，渣漿泵又被稱為砂泵、挖泥泵，其中，疏浚船舶也是疏浚行業(yè)的關(guān)鍵裝備。泥沙磨損是疏浚船舶過流件（如泵殼、絞刀片、葉輪等）主要的磨損形式[1]，船用挖泥泵是最主要的過流易損件，其耐磨性直接影響其挖泥船的整體效率與經(jīng)濟(jì)效益。

2 挖泥船工況簡析

挖泥船的使用工況較為復(fù)雜，過流件的磨損不僅受到?jīng)_蝕磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損以及腐蝕磨損的作用，介質(zhì)中的固體顆粒的粒度、形狀、硬度及顆粒介質(zhì)濃度、腐蝕性等都對過流件的磨損有重要作用。在挖泥船作業(yè)過程中，常夾雜有較大的石塊，對過流件造成較大的沖擊，可能會造成設(shè)備的損壞。為了提高船用泵過流件的使用壽命，除了依靠對船用泵先進(jìn)的流體設(shè)計及合理選型外，材料的選用就顯得尤其重要。

3 成分設(shè)計分析

3.1 國外某先進(jìn)船用泵制造材料成分及力學(xué)性能

樣品材料來源于浙江舟山某船廠的挖泥泵過流件（進(jìn)口材質(zhì)），如圖1所示。我公司委托鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司做化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表1。并對樣品做了相關(guān)的力學(xué)性能檢測，沖擊試塊尺寸見圖2，沖擊韌度在沖擊實驗機(jī)（JB-300W）上檢測，抗拉強(qiáng)度由30萬t萬能試驗機(jī)測定，硬度由數(shù)顯洛氏硬度計（THRP-150D）測定。力學(xué)性能檢測平均值結(jié)果見表2。

表1 進(jìn)口材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 力學(xué)性能檢測平均值

圖1 船用泵殘塊樣品

圖2 夏比沖擊試塊尺寸

3.2 成分制定

碳、鉻兩元素是決定高鉻鑄鐵組織、性能的主要元素[2]，除此之外還需要添加硅、錳、鉬、鎳、釩等元素才能達(dá)到對高質(zhì)量抗磨鑄件的性能要求。高鉻耐磨鑄鐵中提高含碳量，碳化物越多，可改善耐磨性，但材料韌性降低。研究表明：碳含量在2.8%以內(nèi)，材料韌性變化不大，超過2.8%時，則韌性降低[3]。鉻是抗磨白口鐵的重要合金元素，是一種較強(qiáng)的提高淬透性元素，本次成分設(shè)計碳化物體積分?jǐn)?shù)為27%～30%，鉻碳比為9。硅元素也可提高馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，熔煉過程中還可以防止鐵液氧化，避免鉻過量燒損。錳元素既進(jìn)入碳化物，也溶入奧氏體，降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，有穩(wěn)定奧氏體作用。加入適量的錳元素可提高強(qiáng)韌性，當(dāng)錳含量大于1.5%時，對于馬氏體量減小，對耐磨性不利。鉬和釩都是碳化物形成元素，都可增加淬透性，其中V元素的碳化物VC硬度很高，可達(dá)2400HV，還可細(xì)化組織，但成本較貴，可酌情添加。鎳和銅都可提高材料淬透性，穩(wěn)定奧氏體，加入量超過1%，硬度降低，但韌性提高也比較明顯。

根據(jù)對國外材料成分和各元素作用的分析，設(shè)計了以下成分，見表3。

表3 設(shè)計化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

4 熱處理工藝制定

船用泵過流件尺寸較大，一般熱處理工藝為鑄件整體淬火+低溫回火，冷卻方式為自然風(fēng)冷。通過熱處理可以調(diào)整占高鉻鑄鐵件體積65%～85%的基體金屬組織和性能。在加熱過程中，以階梯方式加熱，即加熱與保溫交替進(jìn)行。盡量使各部分溫度趨于均勻。開始加熱時，鑄件由室溫隨爐升溫到250℃后開始控制加溫速度，以40～60℃/h速度將鑄件加熱到650℃，保溫1h，提高加熱速度至100～120℃/h，達(dá)到奧氏體化溫度，保溫4～6h。

高鉻鑄鐵的淬火溫度直接影響溶入奧氏體中的滲碳體數(shù)量。在較低溫度下淬火，則以二次碳化物析出為主，奧氏體中碳及合金元素含量降低，冷卻后得到含碳量較低的馬氏體，故淬火后硬度較低。在較高的溫度下淬火，以二次碳化物溶入為主，奧氏體的碳及合金元素含量增加，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，冷卻后得到粗大馬氏體與大量殘留奧氏體，故冷卻后硬度也不高。所以選擇最佳的淬火溫度可以保證馬氏體中有適當(dāng)?shù)奶技昂辖鹪兀植恢劣谠斐蛇^多的殘留奧氏體。試驗中選取淬火溫度為960℃、990℃、1020℃、1050℃，空冷至室溫后，再進(jìn)行250℃回火處理。前期先做試塊熱處理試驗，選定好熱處理工藝后，做樣件的熱處理。

5 試驗過程

試塊及樣件在中頻感應(yīng)爐中熔煉，爐料為鉻鐵、廢鋼、錳鐵、硅鐵、鉬鐵、釩鐵及電解鎳。熔煉溫度1510～1530℃，澆注前，包內(nèi)加入專用變質(zhì)劑，加入量2kg/t，澆注溫度1390～1420℃，并澆注隨爐試塊若干。由于樣件重量較大，澆注7天后，開始落砂、清鏟處理。

6 試驗結(jié)果

6.1 試驗材質(zhì)力學(xué)性能

試驗材質(zhì)在鑄態(tài)、不同淬火溫度下的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度、硬度見表4。

表4 力學(xué)性能

從表4可看出，抗拉強(qiáng)度、硬度在熱處理后均有提高，性能高于進(jìn)口材質(zhì)，都在1020℃淬火時達(dá)到峰值，1050℃淬火，相較于1020℃淬火，數(shù)據(jù)變化不明顯，有緩慢下行趨勢。沖擊韌度略低于進(jìn)口材質(zhì)，在熱處理后，總體上呈下降趨勢，溫度達(dá)到1050℃，韌性不再降低。

6.2 耐磨性對比

為驗證試驗材質(zhì)與原進(jìn)口材質(zhì)相對耐磨性，用磨損試驗機(jī)進(jìn)行了對比試驗。漿料為石英砂與水，重量混合比例1∶1，試塊轉(zhuǎn)速700m/min，磨損時間8h，試驗結(jié)果見表5。

表5 磨損試驗結(jié)果

從表5中數(shù)據(jù)可看到，無論鑄態(tài)還是熱處理態(tài)都表現(xiàn)出了較好的耐磨性，耐磨性能優(yōu)于進(jìn)口材質(zhì)，其中1020℃耐磨性能最佳，這與硬度變化趨勢一致。

7 金相組織分析

圖3所示為試驗材質(zhì)的鑄態(tài)顯微組織，其組織為奧氏體+共晶碳化物。由于奧氏體中的合金元素在冷卻過程中來不及析出，使鑄態(tài)下的奧氏體含有過飽和的合金元素及碳，使Ms點下降到室溫以下。

圖3 試樣鑄態(tài)組織

圖4所示為不同淬火溫度下顯微組織形態(tài)。從金相顯微鏡可以看到在960℃淬火，碳化物已有部分析出，原來斷續(xù)網(wǎng)狀碳化物趨向于呈孤立狀，在溫度升到990～1020℃，二次碳化物析出量增多。加熱到1050℃，二次碳化物析出量減少，這是由于二次碳化物重新溶入奧氏體，使奧氏體含碳量增多、組織穩(wěn)定性也提高，鑄件中的殘留奧氏體增多。

圖4 試驗材質(zhì)淬火組織

綜合以上試塊力學(xué)性能與金相組織，實驗樣件熱處理工藝定為1020℃淬火+200℃回火。

8 樣件生產(chǎn)及應(yīng)用情況

結(jié)合試塊性能試驗數(shù)據(jù)及樣件質(zhì)量情況，我公司已經(jīng)成功將該試驗材質(zhì)應(yīng)用于800ND-185、900ND-C220等大型船用泵的生產(chǎn)，發(fā)往天津、浙江、上海等地用戶，并取得了良好的使用效果。圖5所示為我公司生產(chǎn)的船用泵部分樣件。

圖5 部分樣件

9 結(jié)束語

1）我公司開發(fā)的此種試驗材質(zhì)沖擊韌度略低于進(jìn)口材質(zhì)，但硬度與抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于進(jìn)口材質(zhì)，可開發(fā)應(yīng)用于大型船用泵過流件的生產(chǎn)。

2）成分、熔煉工藝、熱處理工藝制定及造型工藝的配合，是成功開發(fā)此種材質(zhì)并取得良好應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。

3）大型船用泵材料的成功研發(fā)，擴(kuò)大了公司耐磨材料應(yīng)用領(lǐng)域，為我公司在國內(nèi)外航道疏浚行業(yè)提供了技術(shù)保障，成為公司新的經(jīng)濟(jì)增長點，僅2021年就為公司新增產(chǎn)值1000萬元以上。