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解讀:拋丸機葉片潮模方案生產工藝

文章出處:原創 編輯:拋丸機發表時間:2015-4-19 11:28:21 瀏覽人數:677,1,0
   生產工藝對拋丸機葉片的使用壽命有明顯的影響,現今國內生產高鉻耐磨鑄鐵葉片多采用潮模、潮模加冷鐵工藝、鐵模工藝等,但這種工藝易使鑄件產生夾渣、冷隔、縮松、氣孔等鑄造缺陷,這些缺陷都能成為最終導致葉片斷裂的裂紋源,實踐證明有鑄造缺陷的葉片其使用壽命很低,大多失效于斷裂。 

一、試制原則 :
根據葉片的失效形式、存在問題和高鉻鑄鐵的特性確定試制原則:
1.高鉻鑄鐵化學成分中應使 Cr/C≥5,以保證獲得硬度高、韌性好的 M7C3型碳化物;
2.使葉片中的碳化物垂直于磨面定向排列,并使基體鑄態下適當細化,提高碳化物的圓整度,減弱其對機體的割裂作用;
3.力求降低殘余奧氏體數量;
4.力求消除鑄造缺陷,特別是縮松缺陷,提高鑄件致密度;
5.在保證基體足夠硬度的條件下,盡可能提高其韌性。 

二、工藝方案確定 :
   高鉻鑄鐵葉片的生產工藝包括鑄造工藝的確定、合金的熔煉、澆注工藝參數的確定、零件的熱處理等工序。 

三、放置冷鐵和不放冷鐵兩種工藝方案 :
   高鉻鑄鐵鐵水流動性好,為了獲得細晶粒組織,澆注溫度應盡可能低一些;高鉻鑄鐵液態收縮量較大,需采用冒口補縮,一般收縮率取2%。 
   高鉻鑄鐵葉片在鑄造過程中由于鑄造公藝性差,易產生多種鑄造缺陷,因而降低使用壽命,為了減少缺陷,在鑄造過程中采取加強冷卻、充分補縮、有效擋臟引氣、盡量減少收縮阻力等措施。文獻[9]介紹高鉻鑄鐵導熱性差、彈性模量高、易產生裂紋,所以在鑄造過程中應使鑄件各部位冷卻均勻,盡量減少收縮受阻現象。 
   為了使碳化物的纖維方向垂直于葉片磨面,可在鑄型底部加冷鐵,使鐵水從鑄型下部向上部順序凝固,以獲得定向凝固碳化物。見圖2-1。 
圖2-1鑄造工藝簡圖
圖2-1鑄造工藝簡圖

   圖2-1鑄造工藝簡圖

四、化學成分 :
   化學成分見表2-1。
表 2 -1  試制葉片的化學成分(%) 
表 2 -1  試制葉片的化學成分(%)

確定原則: 
   1.鉻碳比控制在 4.0~8.0[10],鉻、碳是決定高鉻鑄鐵組織和性能的主要元素,二者有較強的親和力,能形成碳化鉻固溶于奧氏體中,強化金屬基體。鉻碳比決定了碳化物的類型:該比值超過 4.0 時,幾乎全部形成高硬度的 M7C3型碳化物,從而提高材料的整體強度和韌性。鉻、碳含量還決定了高鉻鑄鐵中碳化物的體積分數。碳化物的體積分數高,有助于提高抗磨性,但韌性下降。因此,含碳量大于 3.0%的高鉻鑄鐵多用于中、低應力磨損工況;而含碳量低于3.0%時,多用于高應力的沖擊磨損工況。 
   2.為提高淬透性,可適當加入鉬、銅等元素[11]。一部分鉬進入碳化物,一部分溶入奧氏體。溶入奧氏體的鉬和銅聯合作用,提高淬透性的作用更大。鉬含量最高可達 3.0%。銅雖可提高淬透性,但它在奧氏體中的溶解度較?。ㄔ?2.0%)。為防止游離銅在晶界析出起副作用所以銅含量不宜太高,據統計如果銅、鎳等元素加入量超過標準,會使零件壽命減少5%~20%。 
   3.為增加耐磨性,可加入釩[12]、鈮[13]等強碳化物形成元素。加入釩和鈮能形成非常穩定的 VC、NbC,其硬度可高達 2600~2800HV,并能阻止奧氏體晶粒長大。 

五、合金熔煉工藝 :
   1.合金熔煉采用中頻感應電爐(酸性爐襯,文獻[14]從理論與實踐結合的角度進行了這方面的研究)。 
   2.爐料為普通碳素鋼板、廢鋼軌、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、鎳、鉬鐵、電解銅、增碳劑  、硅鐵及錳鐵,要求所有爐料必須清潔無銹蝕。為調節合金含碳量往往需采用增碳劑使鐵水增碳,為降低成本增碳劑可選用磷、硫含量較低的石墨電極碎塊。 
   3.變質劑為 RE-Ti、RE-Al、RE-V-Ti,加入量適中(0.6%~0.8%)。變質處理能使碳化物在鑄態下細化,經熱處理后再提高碳化物的圓整度,減弱對機體的割裂作用,提高韌性;有資料介紹[15]影響高鉻白口鑄鐵韌性的主要因素包括:碳化物形態、分布及尺寸大??;晶界冶金質量;顯微疏松;晶粒粗細;基體組織的組成及含量等。有研究者[16]研究了稀土、釩、鈦、硼多元素變質處理對高鉻鑄鐵的影響。結果表明,碳化物成團塊狀,孤立程度明顯提高、顯著細化。韌性提高 60%~160%,磨損失重降低 17%~47%,但硬度變化不明顯。另外有學者研究證明[17],常用變質元素中,稀土有脫氧、去硫的作用,從而抑制夾雜物在晶界上聚集,改善了晶界狀況,有效地提高了韌性;而釩、鈦可以形成彌散的碳、氮化合物,阻礙晶粒長大,從而細化晶粒。 
   哈爾濱工業大學張景輝等[18]研究了鉀、鈉、鎂、鈰對高鉻鑄鐵的變質處理。研究結果表明,變質處理后的鑄態組織中碳化物出現蠕蟲狀和團塊狀,網狀分布基本消失,孤立化程度明顯改善。這是因為表面活性元素鉀、鈉吸附在碳化物擇優長大方向表面上阻礙碳化物在該方向的生長,而非吸附元素鈰、鎂在碳化物結合前沿積聚,亦阻礙碳化物生長,細化了碳化物。由于碳化物形態和分布的有利變化,變質處理后的高鉻鑄鐵韌性和抗磨性都都到了較大程度的提高,韌性指標提高 58%~112%,磨損失重降低 28%~74%,而且硬度略有提高。其中以鉀的變質效果最佳。 
   合肥工業大學蘇永等[19]研究了鵬、釩、鈦、稀土對高鉻鑄鐵的變質處理。結果表明,經多元聯合變質處理后,由于變質劑提供了較多的晶核以及對晶粒生長方向的影響,使鑄態組織中奧氏體為較均勻的等軸晶,M7C3大部分呈孤立條塊狀,從而使高鉻白口鑄鐵得韌性和抗磨性得到較大提高,韌性提高60%~160%,磨損失重降低 17%~47%,但硬度變化不明顯。其中以 RE-V-Ti-B復合變質效果最佳。 
   4.加料順序:先加(3%)高碳鉻鐵及全部鉬鐵及銅、鎳,再一次加入回爐料、廢鋼,最后加入其余鉻鐵,以保證熔煉初期不出現過高的溫度,減少氧化及燒損。 
   5.化學成分調整:鐵水中鉻鐵全部鉻鐵熔化后,取樣進行光譜分析,并迅速調整化學成分達到要求。 
   6.出爐前應進行脫氧處理,氧化物和硫化物夾雜對力學性能的影響最敏感,文獻[13]介紹用 0.5%的錳鐵在爐中預脫氧,0.25%硅鐵在爐中脫氧,0.05%的鋁在包中終脫氧;溫度控制在 1500℃~1520℃,這有利于鐵水成分均勻,氣體和夾雜物上浮,但溫度不能太高,防止合金元素燒損和晶粒粗大。 
   氮氣和氫氣在高鉻鑄鐵中有一定的溶解度,在凝固過程中析出,降低鑄鐵得韌性。有人[20]對此進行了研究,在熔煉中通過吹氬及加入 0.2%Ti 以除去氮氣和氫氣,取得了較好的效果,即提高了韌性又提高了耐磨性。 

六、澆注工藝 :
   1.澆注時變質劑加入包底,出鐵后攪拌并覆蓋集渣劑;
   2.澆注溫度控制在 1460℃~1480℃。 

七、  熱處理工藝 :
   采用高溫鹽爐進行淬火及回火處理,熱處理曲線見圖 2-2。實驗過程中在800℃~900℃區域加熱,硬度不足,主要由于加熱溫度過低,在奧氏體化時溶入的碳和合金元素較少,致使在冷卻后得到的馬氏體含碳和合金元素也較低。而在1000℃以上加熱,硬度也不高,這主要由于在高溫時溶入了大量的碳和合金元素,使 Ms 點急劇下降,室溫組織中存在大量的殘余奧氏體,二次碳化物聚集長大,失去了彌散強化作用。只有在 900℃~1000℃之間加熱是比較適當的,它得到較高強度的馬氏體基體和適當尺寸的二次碳化物以及少量的殘余奧氏體,然后進行 200℃以下的低溫回火,以消除淬火應力,并保持基體硬度不變。文獻[17]介紹了高溫球化處理過程,將鑄件加熱到 1140℃~1180℃,保溫16h 使碳化物全部呈團球狀,以消除或減少大塊狀或連續狀碳化物對基體割裂作用,可明顯提高葉片的韌性和耐磨性。從試驗可知,較快的冷速抑制了碳和合金元素的析出,從而保證了基體馬氏體具有較高的硬度。在相同的奧氏體化溫度加熱,而在冷卻初期采用緩冷隨后再風冷的試樣,有的碳化物以彌散狀析出,使得基體馬氏體硬度降低,與直接風冷試樣相比基體硬度明顯下降。從提高基體的強韌性和耐磨性來看,提高馬氏體硬度比起第二項彌散強化來更為重要。有資料介紹對含有鎳、錳、銅的高鉻鑄鐵,在鑄態時含有較多的殘留奧氏體,硬度和抗磨性低,為提高這類高鉻鑄鐵的硬度,采用珠光體預處理工藝,鑄態工件在 650℃保溫 1.5h,再加熱至淬火溫度,經處理后組織均勻且溶入馬氏體中的合金元素增多,可使淬火馬氏體硬度提高。 
圖 2-2  高鉻鑄鐵熱處理工藝

圖 2-2  高鉻鑄鐵熱處理工藝
   回火處理可提高高鉻鑄鐵的抗磨型和韌性。傳統的回火溫度一般為 200℃左右,近來許多試驗認為,回火溫度應采用 450~500℃,這比低溫回火對奧氏體的分解有利,特別適用于鑄態奧氏體含量高的高鉻鑄鐵。有研究者提出了殘留奧氏體含量和溫度對硬度的影響分析,認為淬火后的殘留奧氏體數量越多,回火后的硬度越高,如含有 67%的殘留奧氏體時,在 450℃回火后硬度可達65HRC。 

八、結果分析 :
   通過適當的復合變質處理及淬火回火處理可獲得符合 GB/T8263 中KmTBCr20Mo 及 KmTBCr26 牌號各項性能指標的耐磨鑄件。但冷鐵造成的冷隔缺陷及材質的局限性使該鑄件的使用壽命達不到使用要求。另外由于夾渣、冷隔、縮松、氣孔等鑄造缺陷的存在使產品合格率只有60%左右。 由表 2-2 和表 2-3 可以看出經變質處理與未經變質處理的試棒硬度相差很大,但經淬火后試棒硬度提高,這因為淬火后基體發生馬氏體相變以及釩、鈦元素以二次碳化物形式析出增加基體硬度有關。沖擊值卻有很大程度提高,是由于基體晶粒細化和碳化物呈孤立狀分布,削弱了對基體的割裂作用。 
表 2-2 Cr13 試樣力學性能測定均值
表 2-2 Cr13 試樣力學性能測定均值 
表 2-3   試制葉片的硬度值
表 2-3   試制葉片的硬度值 
   圖 2-3 為試棒未經變質處理和分別用 RE-Ti、RE-Al、RE-V-Ti 復合變質處理的金相組織顯微放大照片的對比??梢鑰闖鑫淳渲蝕硎園艚鶼嘧櫓刑薊锍識閑蟯捶植?;經變質劑復合變質處理后共晶碳化物 M7C3、二次碳化物呈團塊狀,其分布更加孤立和均勻,強化了基體,提高了韌性,使葉片具有良好的耐磨性及抗剝落抗破碎能力。提高了葉片的工作壽命。 
圖 2-3  含鉻  13%葉片鑄態、熱處理后的金相組織
a)未經變質處理         b)經 RE-Ti 變質處理  c)經 RE-Al 變質處理    d)經 RE-V-Ti 變質處理 
圖 2-3  含鉻  13%葉片鑄態、熱處理后的金相組織 

   試制葉片的金相組織如表 2-4 所示。分別為鑄態或鑄態并去應力和硬化態或硬化并去應力情況下金相組織。 
表 2-4   試制葉片的金相組織
表 2-4   試制葉片的金相組織 

   由表 2-5 中通過近兩個月的裝機試驗可以看出自產葉片已能滿足生產要求。效果比外購葉片好。資料[21]介紹,拋丸機工況對葉片壽命有很大影響。除彈丸材質的影響外,葉片的壽命還與彈丸拋出速度的 4 次方、彈丸直徑的 3 次方成反比;拋丸量越大,磨損越快。 
表 2-5 裝機試驗(2t 履帶拋丸機)
表 2-5 裝機試驗(2t 履帶拋丸機) 

九、本章小結 :
   1、復合變質劑的使用是提高葉片耐磨性的關鍵,其不僅改變了碳化物的形態及分布,而且使組織的到了細化。
   2、適當的熱處理工藝,可以提高葉片的強韌性。
   3、葉片鑄造缺陷較多,成品率低。 


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