铬系耐磨铸铁的摩擦金属学行为与纳米改性

王　铀,　李学伟,　潘兆义,　侯云成,　裕莉莉,　谭　强,　孙晓光

(1.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001; 2.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院,哈尔滨 150022; 3.内蒙古世纪恒生矿业有限公司, 内蒙古 乌兰察布 013563)



铬系耐磨铸铁的摩擦金属学行为与纳米改性

王铀1,李学伟2,潘兆义1,侯云成1,裕莉莉1,谭强3,孙晓光1

(1.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150001; 2.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院,哈尔滨 150022; 3.内蒙古世纪恒生矿业有限公司, 内蒙古 乌兰察布 013563)

在我国,每年设备、配件的使用磨损、腐蚀及表面失效造成材料损失高达上亿万吨,为了提高耐磨材料的性能,将宏观的摩擦磨损现象与金属组织的微观变化相联系,用动态金属学的观点研究磨损的微观机制,即进行摩擦金属学研究,是揭示金属材料磨损本质的基本途径,有助于耐磨材料和耐磨处理方法的选择和研究开发。基于对高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨铸铁所进行的摩擦金属学研究,结果表明:利用纳米改性技术可以改善铬系耐磨铸铁的组织结构和性能,尤其是提高铬系耐磨铸铁的耐磨性方面效果明显。该研究为高铬铸铁和Cr-Mo-Cu合金铸铁等材料耐磨性能的提高提供了一条有效途径。

铬系耐磨铸铁; 摩擦金属学; 纳米改性

在工业化进程快速发展的今天,对传统金属材料特别是耐磨材料要求其工艺及性能不断提高。与国外同类产品的耐磨材料相比,我国各项耐磨、耐蚀指标都有较大的差距。在我国,水泥、钢铁、电力、矿山、铁路、航空、汽车等行业,所需要及应用的耐磨材料一直是困扰企业发展的瓶颈。无论是企业还是市场都在企盼真正具有高性能、优质的耐磨材料出现,并取代进口。据中国工程院相关统计,我国因为磨损和腐蚀造成的损失约占GDP的9.5%[1]。将宏观的摩擦磨损现象与金属组织的微观变化相联系,用动态金属学的观点研究磨损的微观机制,即进行摩擦金属学研究。这无疑是揭示金属材料磨损本质的基本途径,将有助于耐磨材料和处理方法的选择和研究开发[2]。

纳米材料虽然能够赋予产品以奇特而优异的性能,但因目前科技发展水平和生产成本的制约,完全以纳米材料替代常用的传统材料还不现实。为满足新型金属耐磨材料的发展和应用需求,简便可行且成本低廉的金属耐磨材料纳米改性技术独占优势。材料纳米改性科学技术是随着近年来新材料和纳米科学技术的发展而发展起来的先进科学技术。它通过在材料中引入纳米改性剂以在纳米尺度上控制材料,使材料的性能潜力得到更有效地发挥[3],提高产品的使用性能、寿命和可靠性。

开辟耐磨材料的另一个新领域是对铬(Cr)系铸铁的研究。通过向普通白口铸铁中加入铬,可提高白口铸铁的力学性能和耐磨性。铬系白口铸铁已经取代了其他耐磨材料比如说中锰韧性铸铁以及高锰钢[4]。根据铬含量的不同,可分为低Cr、中Cr和高Cr白口铸铁。此外,还有Cr-Mo和Cr-Mo-Cu合金等铬系耐磨铸铁。

笔者基于对高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨铸铁进行摩擦金属学行为研究,利用材料的纳米改性技术有效改善铬系耐磨铸铁的组织结构和性能,以提高铬系耐磨铸铁的耐磨性。

1　摩擦金属学行为与纳米改性效果

1.1高Cr铸铁

高铬白口铸铁之所以存在优异的耐磨损性,是由于含有高硬度的M7C3型(M是Cr和Fe)型碳化物。但高硬度的碳化物可能提供裂纹扩展的路径,又会使高铬铸铁在遭受高一些的冲击载荷时易产生脆性断裂[3,5-6]。文中研究表明,加入纳米改性剂可以改变这些高硬度碳化物的形态、尺寸和分布(见图1),可以有效提高高铬铸铁的韧性,有利于其在冲击载荷下的耐磨性。加入不同纳米改性剂和孕育剂的高铬铸铁性能如图2所示。

图1　纳米改性前后高铬合金铸铁的SEM照片

Fig. 1SEM images of high-Cr cast ironbefore and after nano-modification

在实验中,当冲蚀角为30°时,高铬铸铁的冲蚀磨损机理为微切削。当冲蚀粒子以30°角冲向材料的表面时,冲击力可以看成是两种力的综合作用:一种力可以分解为使冲击砂粒进入材料内部,促进产生纵向裂纹的过程;另外的一种力可分解成水平方向使砂粒在材料的表面向前移动,这样就在材料的表面形成片状的唇片。当冲蚀角为90°时,高铬铸铁的冲蚀磨损机理为挤压锻打成片。冲蚀表面破坏严重,出现了很多凹坑。而随着纳米改性剂含量的增加,凹坑的数量减少,并且在凹坑的附近出现了凸起的唇片。说明加入一定含量的纳米改性剂时,能够保证高铬铸铁具有高硬度的同时,使韧性有所提高。

研究中,当向高铬铸铁里加入0.4%纳米改性剂时,对冲蚀磨损率的影响最为明显,当冲蚀角为90°时,其抗冲蚀磨损性能可提高50.87%,当冲蚀角为30°时,其抗冲蚀磨损性能可提高41.46%。如图2b所示。

在划痕实验时,划痕深度随着压头正向力增加而线性增加,最终使表面层材料破坏。碳化物的大小、形态以及在基体上的分布状态可能会直接影响划痕大小和形貌,在划痕的过程中如果碳化物的颗粒较大,则压头在经过的过程中,容易发生脆性断裂,则对应的声信号变大,摩擦力和摩擦系数增加。

N0未改性; N2～N8加入改性剂; I8加入孕育剂; N8I8加入孕育剂与改性剂

图2加入不同纳米改性剂和孕育剂的高铬铸铁冲击性能

Fig. 2Impact toughness of high-Cr cast iron with different content of nano-modifier and inoculant

ANSYS分析结果表明:碳化物距离压头越远,产生应力集中的趋势越小,碳化物不会发生明显变化,产生的位移量很小,对划痕不会产生明显作用;当碳化物距离划痕很近时,碳化物的尖端上产生很大的应力集中现象,因此当划痕划过时,该处碳化物容易断裂,声信号突然增加,这与实验结果完全吻合。

文中实验表明,添加纳米改性剂可以细化碳化物晶粒,并使碳化物在基体中均匀地分布,于是相邻碳化物的距离变小,表面上压头接触或滑过碳化物的机会增加,因此,摩擦力比没有添加纳米改性剂的高铬铸铁变得更大。

1.2低Cr铸铁

低铬白口铸铁中的Cr/C比值小,碳化物的类型为(Cr, Fe)3C,在基体上呈网状分布,对基体的割裂作用较大,导致其韧性较低。加入纳米改性剂不仅降低了低铬铸铁中碳化物的网状倾向,减少了其对基体的割裂作用,而且改变了基体中渗碳体层片的形态、尺寸和间距(如图3),改善了其界面的洁净度,于是有效提高了低铬铸铁的韧性和耐磨性。低Cr铸铁的冲击韧性和冲击磨损抗力如图4所示[7]。

图3　纳米改性前后低铬合金铸铁的SEM照片

Fig. 3SEM images of low-Cr cast iron before and after nano-modification

图4　低Cr铸铁的冲击韧性和冲蚀磨损抗力

Fig. 4Impact toughness and erosion resistance of low-Cr cast iron

1.3Cr-Mo-Cu铸铁

在干滑动严重磨损情况下,Cr-Mo-Cu合金铸铁的磨损机制以热疲劳脱落和磨粒磨损为主要形式。因此,Cr-Mo-Cu合金铸铁中石墨的形态是通过影响上述两种磨损的能力来实现的。在蠕虫状石墨形态存在的铸铁中,由于蠕虫状石墨的存在使铸铁具有良好的导热性能和强度性能,必然具有良好的抵抗热疲劳脱落的能力。如图5所示,有限元模拟计算结果显示,在相同的磨损条件下,假设磨损面上的闪光温度相同,由于蠕虫状石墨铸铁的热导率明显高于片层石墨铸铁,使其热量传递速度较高,利于磨损表面温度的降低[8]。

图5　两种石墨铸铁磨损过程中的传热分析

Fig. 5Temperature distribution during wear testing for cast irons with and without nano-additives

又由于干滑动磨损条件下的磨粒主要来源于热疲劳脱落的产物,因而抵抗热疲劳脱落磨损能力的提高必然会减小磨粒磨损发生的程度。片状石墨形态存在的铸铁强度相对较低,导致抗热疲劳脱落能力很低,其耐磨性也必然很低。Cr-Mo-Cu合金铸铁的金相组织为马氏体、碳化物和片状或蠕虫状石墨。石墨在基体中的硬度和强度接近于零,在金属组织内如同空洞,切割基体并造成应力集中,在接触应力的反复作用下,露在磨痕附近表面的石墨早期碎裂脱离而形成空穴,使金属组织显露出尖角锐刃,有利于Cr-Mo-Cu合金铸铁制成的部件具有一定的研磨或破碎加工功效。又由于石墨属于密排六面结构,质地软弱,沿底面易滑移,是一种有效的固体润滑材料,能使摩擦面保持良好的润滑条件。但当石墨的长宽比较大,石墨呈现粗长的片状,会造成石墨处过度的应力集中,发生石墨片的滑动,起不到润滑的作用,使耐磨性降低,只有当石墨长宽比小,呈现细小的蠕虫状,才能使空洞良好的“刀具”作用体现出来,达到提高磨削性能的作用,如图6所示。

图6　石墨铸铁磨损过程中石墨的自润滑和基体的切削作用

Fig. 6Illustration of wear process of Cr-Mo-Cu alloy cast iron

此外,经纳米改性的Cr-Mo-Cu合金铸铁(蠕虫状石墨铸铁)与GCr15磨球磨损,由于石墨尺寸较小,对基体的分割作用比较明显,便于产生细小的磨屑,具有相对较大的比表面积,与氧气接触的机会较大,易于发生氧化磨损,形成的氧化膜起到润滑和保护基体的作用。也就是说,石墨形态对铸铁耐磨性的影响,一方面是通过影响其导热能力和抗裂纹萌生和扩展的能力而影响其抗热疲劳脱落能力来实现的;另一方面还由于材料移除量或剥落量的不同而使得磨损时磨屑的多少不同,磨屑的黏着转移或充当磨粒的程度也就不同,于是使得磨损的程度发生改变。

纳米改性后,Cr-Mo-Cu合金铸铁的晶粒明显细化,组织细密,硬度提高。特别是,纳米改性使Cr-Mo-Cu合金铸铁试样中石墨的形态发生了明显的变化[9]。图7中可以看出纳米改性前后合金铸铁试样中石墨的变化。未改性试样的石墨的生长方向及外形尺寸很不规则,石墨形态单一,粗长且长度不一,几乎没有弯曲和分叉,石墨呈现片状形态,如图7a所示;经纳米改性的石墨整体成团簇状分布,外形细小,无明显方向性,形态短小,普遍发生弯曲,具有波浪式的外缘和较多的分叉,头部钝化,呈蠕虫状形态,如图7b所示。

与GCr15钢球对磨时,纳米改性淬火态Cr-Mo-Cu合金铸铁试样的磨损体积比普通未改性淬火态的减少65.88%,纳米改性铸态Cr-Mo-Cu合金铸铁试样的磨损体积也比普通未改性淬火态的减少61.96%。经纳米改性的Cr-Mo-Cu合金铸铁的耐磨性能显著提高[8],如表1所示。

图7　淬火态Cr-Mo-Cu合金铸铁的扫描电镜照片

表1Cr-Mo-Cu合金铸铁的磨损率与对磨的GCr15钢磨球的磨损率

Table 1Wear rates of Cr-Mo-Cu alloy cast iron and GCr15 steel ball

状态磨损率/mm3·(m·N)-1试样钢磨球未纳米改性/淬火态1.6140×10-42.1600×10-5纳米改性/铸态0.6140×10-44.0500×10-5纳米改性/淬火态0.5504×10-44.7700×10-5

与Cr-Mo-Cu合金铸铁试样不同的是,GCr15钢对磨球的磨损体积却呈现出相反的趋势:即使当与改性铸态Cr-Mo-Cu合金铸铁下试样对磨时,GCr15钢磨球的磨损体积是与普通淬火态合金铸铁对磨时的1.88倍,而当与改性淬火态Cr-Mo-Cu合金铸铁试样对磨时,钢磨球的磨损体积更大,是与普通淬火态合金铸铁对磨时的2.20倍。

用两者比值(G′=球体材料的磨损体积/铸铁试样的磨损体积)可以表示在一定加工时间和载荷及转速条件下,铸铁试样与某一球体材料对磨时的耐磨与磨削性能。G′越大,反映铸铁试样的耐磨与磨削性能越好。结果发现纳米改性淬火态铸铁试样与GCr15磨球对磨时的G′值是普通淬火态的6.52倍,纳米改性铸态试样的G′值也比普通淬火态时提高3.96倍。说明纳米改性不但能显著改善Cr-Mo-Cu合金铸铁的耐磨性,也能提高对GCr15钢的磨削作用。

2　纳米改性铬系耐磨铸铁的应用效果

纳米改性耐磨合金磨球及衬板的硬度和断裂韧性等均得到明显改善,使用寿命大幅度提高。纳米改性高铬铸铁(相当于ZQCr10)磨球硬度HRC为59～64,冲击值达到4.0 J/cm2(通常3.0 J/cm2左右),纳米改性低铬铸铁磨球硬度HRC为46～52,冲击值大于3.0 J/cm2(通常2.0 J/cm2左右),较未改性的铸铁磨球具有更高的韧性。在落球落高为3.5 m时进行落球实验,落球次数大于18 000 (冶金标准YB/T091—2005规定为8 000次, 已知最高纪录接近12 500次),即采用纳米改性技术不仅具有较好的耐磨性能,更明显减少了磨球使用过程中的破碎率。

生产过程中,考察了由Cr-Mo-Cu合金铸铁制成的光球磨板的磨削加工效率及使用寿命。如用Cr-Mo-Cu合金铸铁磨板加工φ7.938 mm的成品轴承钢球,使用纳米改性合金磨板可使磨削时间节省25.0%,磨削加工性能是原来的4倍;在加工钢球数量一定时,磨板的耐用度是原来的3倍。而用Cr-Mo-Cu合金铸铁磨板加工钨合金毛坯球时,磨板的工作时间增加了1倍,磨削效率提高了1倍;在加工成品球时,磨板工作时间增加了85.7%,磨削量提高了92.9%,表明纳米改性使Cr-Mo-Cu合金铸铁光球磨板的磨削效率和使用寿命明显提高[9]。

3　结束语

高铬铸铁和Cr-Mo-Cu合金铸铁的微观组织结构决定了其摩擦金属学行为。通过对高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨铸铁进行摩擦金属学研究,与纳米改性效果实验,以及应用考核,结果表明,纳米改性技术可以改变材料中的微观组织结构,如碳化物或石墨的形态、尺寸和分布等来改善其摩擦金属学行为。纳米改性技术为高铬铸铁和Cr-Mo-Cu合金铸铁等材料耐磨性能的提高提供了一条有效途径。

[1]王铀. 纳米结构涂层与纳米改性材料[J]. 金属热处理, 2010, 35(1): 9-14.

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[4]AN WEIKE, CAI ANHUI, LUO YUN, et al. Optimization of composition of as-cast chromium white cast iron based on wear-resistant performance[J]. Materials and Design, 2009, 30(7): 2339-2344.

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(编辑徐岩)

Tribo-metallurgy behavior of chromium wear-resistant cast irons and their nano-modification

WANGYou1,LIXuewei2,PANZhaoyi1,HOUYuncheng1,YULili1,TANQiang3,SUNXiaoguang1

(1.School of Materials Science & Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3.Inner Mongolia Century Hengsheng Mining Co.Ltd., Wulanchabu 013563, China)

Aimed at improving wear-resisting material performance for reducing the an annual loss of millions of tons of materials due to wear, corrosion, and surface failure of industrial equipment and components, this paper is a dynamic metallurgical study of micro-mechanism of friction and wear by combining the macro phenomena of friction and wear with the micro-structural changes. The tribo-metallurgical study functions as the basic way to reveal the nature of metal material wear and makes for the selection and development of wear-resistant materials and wear-resistant treatment method. The tribo-metallurgical study of high-Cr, low-Cr and Cr-Mo-Cu cast irons suggests that the use of nano-modification technology provides a significant improvement in the microstructure and properties of chromium cast irons, especially in its wear resistance.

chromium wear-resistant cast irons; tribo-metallurgy; nano-modification

2013-04-16

哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2006RFQXG100)

王铀(1954-),男,黑龙江省五常人,教授,博士生导师,研究方向:纳米表面工程、纳米改性材料,E-mail:wangyou@hit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.002

TG143.8

1671-0118(2013)03-0222-05

A