叶轮用高韧性耐磨材料及工艺研究

2013-08-29石家庄工业泵厂有限公司河北050100贡海亭

金属加工(热加工) 2013年7期

石家庄工业泵厂有限公司（河北 050100）贡海亭

泥浆泵中主要过流部件不但要承受海（河）水的腐蚀和泥沙磨损，有时还要遇到鹅卵石、破碎岩石严重冲击的恶劣工况。由此要求过流部件（尤其是叶轮）的材料既要有一定的耐蚀性、耐磨性，又要有较高的韧性。以往泥浆泵过流部件多使用高铬铸铁材料，其洛氏硬度控制在58HRC以上，冲击韧度在5～7J/cm2，其耐磨性能优良，但韧性不足。尤其是大型泥浆泵处在绞吸鹅卵石、破碎岩石工况时，由于材料韧性低、脆性大，叶轮极易受到强烈冲击发生开裂。国内近几年建造的大型挖泥船，使用的泥浆泵多依赖国外进口。由此，为促进大型泥浆泵国产化进程，研制一种适应高韧性、高抗磨性的特殊工况新材料具有重要意义。

石家庄工业泵厂有限公司承担了某航道局900口径大叶轮的制造订单。叶轮实体数据：直径2300mm、流道宽度500mm、3叶片、净重4850kg。性能主要指标要求：硬度>55HRC、冲击韧度>10J/cm2。

一、研究思路

高铬铸铁（抗磨白口铸铁）是金属抗磨材料的一个大类别，组织为马氏体基体支撑着高硬度、高抗磨蚀的M7C3型碳化物。在其基本基体不变的情况下合理调整成分，以期望在较高硬度情况下，得到较高韧性的材料。设想在高铬铸铁中加入镍、铜元素，在增加淬透性的同时，增加奥氏体的含量，虽使铸铁的硬度和耐磨性能略有降低，但可突出增加材料韧性。

二、材料成分设计与熔炼

1.主要成分确定

（1）碳含量碳对高铬铸铁的组织和性能影响很大，如碳化物数量、硬度和韧性。含碳量越高，硬度越高，耐磨性能也越好，但冲击韧度值下降。因此选wC＝1.8%～2.4%。

（2）铬含量铬是高铬铸铁的主要合金元素，铬除与碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奥氏体中，提高淬透性，且淬透性随Cr/C增加而提高。故选取wCr＝20%～27%。

（3）铜含量铜能细化碳化物，并使之呈现不连续状，增强铸件韧性，还能抑制珠光体的形成，提高基体的电极电位，提高铸件抗氧化、腐蚀能力，并能增加淬透性，选取wCu＝0. 5%～1.5%。

（4）镍含量镍不溶于碳化物，全部进入基体，可提高淬透性，增强材料韧性。选取wNi＝2.0%～3.0%。

高韧性耐磨材料具体化学成分见附表。

耐磨材料化学成分（质量分数）（%）

2.配料和熔炼

原材料使用普通碳素废钢、铬铁、纯铜及镍板等。使用中频感应电炉熔炼，倒入保温炉保温，出炉温度在1520℃以上，两包同时浇注，浇注温度在1380～1400℃。

三、工艺设计要点

1.铸造工艺

根据试验测得的材料收缩率，确定铸件缩尺为2.1%，按顺序凝固原则设计铸造工艺，采用呋喃树脂砂造型，刷醇基锆粉耐火涂料。由于叶轮盖板和轮毂壁厚相差悬殊，成形困难，为了保证铸件整体质量，在轮毂头处设置两个腰圆形发热冒口，在后盖板和每个叶片交汇处各设置一个发热冒口，冒口底部配置有缩颈的易割片，其工艺如图1所示。从前后盖板分两层进行浇注，尤其注意加强冒口补缩效果，要进行二次点冒口，并辅置发热覆盖剂，延长高温补缩时间，以确保铁液量足和顺序凝固。为了避免开裂，叶轮浇注后2～2.5h松开卡箱螺栓，根据季节需要一般在7～10天后打箱。去除腰圆形冒口，在垂直于冒口底部处用钻床打孔若干后，撞击脱落。

图1 铸造工艺

2.热处理工艺

采用常规的高温空淬+低温回火工艺，实物叶轮附带连体试块20mm×20mm×120mm无缺口进行测试。铸态组织为奥氏体＋碳化物＋少量马氏体，硬度为40HRC左右。最终热处理态组织为回火马氏体+碳化物+少量残留奥氏体，硬度在55HRC左右，冲击韧度>10J/cm2。因叶轮尺寸较大，且有些部位壁厚相差悬殊，所以升温过程要缓慢，以防铸件开裂。

叶轮热处理出炉状态如图2所示，材料铸态金相显微组织如图3所示，热处理后金相显微组织如图4所示。