纺织机耐磨白口铸铁走针圈非正常磨损分析

姚 良，徐浩杰，陈 亮，刘 丽

（苏州迈拓金属检测服务有限公司，江苏 苏州 215126）

0 引言

纺织机械上的走针圈所用材料为高铬铸铁，是一种高碳、高铬莱氏体钢，铸态下有共晶组织存在，由于高的含碳量和含铬量，会形成大量的碳化物和高合金的马氏体，使得零件具有高强度、高耐磨性。高铬铸铁广泛应用于机械、冶金、采矿等行业，是重要的耐磨材料，相关文献[1-5]对提高其耐磨性做了大量研究，如通过热塑性变形、预处理淬火工艺或变质处理从而获得细小均匀分布的碳化物以提高耐磨性，但对其作为耐磨零件，从磨损的微观机理角度出发进而提出改善耐磨性的方法却很少有报道。

磨损部件在做产品测试时发现走针圈与针片接触位置有非正常、快速的磨损现象，导致织物走形，远远没有达到产品设计的预期使用寿命。磨损走针圈生产工艺为铸造成型，950 ℃淬火+400 ℃回火。外径为300 mm，其与针片接触位置为波浪形起伏形状，相对运动关系为滑动摩擦。工作时，所有针片轮流沿磨损位置滑动经过走针圈磨损区域，在走针圈的起伏面上坡位置均发现严重磨损。上坡位置也是走针圈与针片相互作用力较大的位置。在针片上对应的接触位置均发现类似的轻微磨损，但未见明显尺寸变化。针片如图1所示，其材质为T10 钢。为找到磨损原因，选取1 个使用良好的旧走针圈作对比，同时也对磨损与未磨损走针圈对应的针片进行成分与金相、硬度分析。收集运行过程中含有磨损颗粒的润滑油，对其进行相关试验分析。

图1 样品及磨损部位照片Fig.1 Samples and wear location

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

经宏观观察发现，走针圈磨损面平滑，无显著凸起或外来物附着，可见明显的与针片运动方向一致的长条状磨损痕迹，长条状痕迹符合文献[6]中关于磨粒磨损形成的表面切削形貌，其受力情况也与该文献中描述的切削力相似，主要分布在上坡时的受力部位。针片无明显变形，说明针片与走针圈的接触应力无异常。

1.2 化学成分分析

从2 个走针圈上切割样品进行制样，采用光谱及碳硫仪测定其成分，结果见表1。测试结果显示，磨损样品成分符合GB/T 8263—2010 中的耐磨白口铸铁牌号BTMCr12-DT 成分要求，但添加了V 元素；未磨损样品成分除了C 偏高0.05%，其余元素均满足BTMCr12-DT 成分要求，也添加了V 元素。不同的是，未磨损样品的Ni、Mo 元素含量明显高于磨损样品，2 个样品对应的针片成分见表2，成分均符合GB/T 1299—2014 中关于T10 的成分要求，且针片成分没有明显区别。

表1 走针圈样品的化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition analysis of ring samples (mass fraction/%)

表2 针片样品的化学成分（质量分数/%）Table 2 Chemical composition analysis of needle samples (mass fraction/%)

1.3 金相检验

在磨损部位沿径向取样制作金相试样，未磨损样品在大致同等位置取样，组织对比结果见图2。磨损样品的磨损区域以及未磨损样品的对应工作区域见红色方框标注，磨损样品表面呈连续的凹坑状，未磨损样品表面平直，未观察到磨损所致的凹坑。磨损所检测的金相截面发现一处碳化物脱落，未磨损样品表面未见明显碳化物脱落现象。

图2 磨损样品与未磨损样品组织比对Fig.2 Microstructure comparison of worn sample and unworn sample

磨损样品对应显微组织为回火马氏体基体及基体上分布的少量颗粒状二次碳化物+网状分布的大块状、长条状和短棒状共晶碳化物+少量残余奥氏体。碳化物网大部分呈闭合的圆形或者椭圆形状态，多数碳化物边缘有明显棱角，不圆滑，有的呈树枝状，网角处碳化物有聚集，按照GB/T 14979—1994 评级，碳化物不均匀度为6 级。未磨损样品显微组织为回火马氏体基体及基体上大量均匀分布的颗粒状二次碳化物+有沿枝晶间分布趋势的小块状及短棒状的共晶碳化物+少量残余奥氏体，碳化物网状分布不明显，碳化物不均匀度为4级。GB/T 14979—1994 中第四评级图中碳化物不均匀度6 级呈现明显的网状分布，且有较大块状碳化物，碳化物不均匀度4 级未形成封闭的网状，但也呈一定的沿枝晶间分布趋势，产品规范中未对金相组织作出明确要求。针片样品组织均为细小均匀的回火马氏体（图3）。

图3 磨损样品与未磨损样品对应的针片组织比对Fig.3 Microstructure comparison of needles of worn sample and unworn sample

1.4 硬度试验

分别在走针圈表面以及在针片横截面做硬度测试，结果见表3、表4。磨损样品和未磨损样品的表面硬度基本一致，无明显差距，符合规范要求的表面硬度≥HRC 62，2 个针片的横截面维氏硬度结果也基本一致，转换后的HRC 结果满足≥HRC 50 的要求。

表3 走针圈样品的表面硬度测试结果（HRC）Table 3 Surface hardness testing results of ring samples

表4 针片样品的截面硬度测试结果Table 4 Cross section hardness testing results of needle samples

1.5 表面形貌微观观察

用扫描电镜观察样品表面形貌，结果如图4所示。可见，磨损走针圈的表面存在大量呈较长线状分布的暗色磨损痕迹，相对运动方向见图4a，其宽度约为2～5 μm 不等，同时发现磨损面上有大量不规则形状或聚集小条状分布的孔洞，孔洞的尺寸和分布与金相组织中的碳化物基本一致。部分基体上的碳化物呈现即将脱落的情况（图4c）。未磨损走针圈的表面则未发现明显的磨损痕迹和孔洞，其碳化物与基体结合良好（图4d）。

1.6 能谱分析

将收集到的润滑油过滤分离出磨屑颗粒，利用能谱分析方法检测颗粒的成分，同时也对扫描电镜观察到的表面分布的碳化物进行成分测定，结果见表5，测试位置见图4c、图5。润滑油中的磨屑颗粒中含有少量Si 元素，可能是被测颗粒形状不规则，很难彻底清洗干净所导致。

表5 能谱分析测试结果（质量分数/%）Table 5 EDS analysis results (mass fraction/%)

图4 样品表面形貌SEM 观察对比Fig.4 Observation comparison of worn and unworn samples

图5 EDS 能谱测试位置Fig.5 EDS analysis positions

2 分析与讨论

对走针圈分别进行了化学成分、金相组织、表面硬度分析。通过化学分析可知，磨损与未磨损走针圈的材料基本符合规范要求，未磨损的走针圈材料含有的Ni、Mo 合金元素含量明显高于磨损的走针圈。Ni 元素可以提高材料的韧性和强化基体，Mo 元素的加入可提高钢的淬透性，尤其可以细化晶粒，细化共晶碳化物[7-8]。磨损与未磨损的走针圈硬度测试结果相差不大。磨损及未磨损样品对应针片的成分和金相组织均无明显差异，说明针片正常。从2 个走针圈的金相组织来看，未磨损走针圈的组织为回火马氏体+小块状及颗粒状均匀分布的碳化物和少量残余奥氏体，碳化物不均匀度为4 级；磨损走针圈的组织为回火马氏体+网状分布的大块状或长条状和颗粒状碳化物加少量残余奥氏体，碳化物不均匀度为6 级。众所周知，在耐磨钢中，碳化物的数量、形状和分布对其耐磨性有显著的影响[9-12]。分析比较来看，二者基体组织同为回火马氏体，未磨损样品的碳化物数量较多，网状分布不明显，多数网并未形成闭合，共晶碳化物基本呈短棒状或圆形颗粒状，同时有更多的细小颗粒状二次碳化物均匀分布在回火马氏体基体中；磨损样品的碳化物网状全部呈闭合状态，呈现出圆形或者椭圆形的网，网的边缘分布着块状或者长条状共晶碳化物。多数共晶碳化物边缘有明显棱角，不圆滑，有的呈树枝状，回火马氏体基体中只能找到少量细颗粒碳化物，这会降低基体对共晶碳化物的包裹和支撑作用，同样条件下，会导致零件更容易磨损；而有棱角的碳化物相比圆滑的碳化物，具有更小的表面积，从而减少了与周围马氏体基体的接触面积，降低了二者之间的结合力，加上碳化物尖角处更容易引起应力集中，使得这种碳化物在同样的受力条件下，更容易与基体剥落分离。

磨损面上发现大量不规则形状或聚集小条状分布的孔洞，孔洞的尺寸和分布与金相组织中的碳化物基本一致。将润滑油经过过滤，将收集到的颗粒清洗后做能谱分析，颗粒的成分中含有大量Cr、C、V 元素，为典型碳化物组成元素，可推测网状分布的块状以及聚集分布的长条状碳化物，在反复受到针片压力和切向力的作用下，剥落部位形成对应孔洞，部分基体上的碳化物呈现即将脱落的情况。结合磨损面上可见与针片运动方向一致的长条状磨损痕迹，其宽度约为2～5 μm不等，与金相组织中观察到的碳化物颗粒尺寸大致相近，推测剥落下来的碳化物作为磨粒参与了走针圈的磨损。加上针片与走针圈接触时受到的冲击力以及滑动过程中产生的压力和切向力，可得出走针圈的磨损属于典型的磨粒磨损，其中磨粒主要为碳化物。随着磨损的继续进行，会产生更多的磨料，导致非正常磨损的快速发生。

由以上分析可知，磨损样品与未磨损样品的主要差异在于化学成分和金相组织。共晶碳化物的数量和形状受化学成分影响，当成分配比合适，共晶碳化物呈短棒状，铸铁的耐磨性和韧性都有所改善[7]。通常，基体组织通过“脱稳处理”获得回火马氏体+析出的颗粒状弥散分布的二次碳化物，可以牢固地包裹和支撑起耐磨作用的共晶碳化物，使其不易脱落，从而提高耐磨性。磨损样品的成分中缺少可以细化碳化物颗粒的Mo 元素，缺少可以提高材料韧性的Ni 元素，基体组织也没有得到很好的脱稳处理，所以其耐磨性低于未磨损样品，发生早期磨损失效。

3 结论及建议

1）针片与走针圈的磨损属于磨粒磨损，形成磨粒磨损的原因主要是走针圈的碳化物剥落形成磨粒导致磨损。

2）剥落原因是碳化物呈大颗粒网状分布、长条状聚集分布，有明显棱角，降低了其与基体的结合力且容易形成局部应力集中，另外，马氏体中的二次碳化物颗粒数量偏少使得马氏体基体对共晶碳化物的包裹支撑能力降低，共晶碳化物在受到反复的多重力作用下导致剥落，从而形成磨粒磨损。

3）建议调整铸造时的化学成分配比，适量填加Ni、Mo 元素，铸造后做脱稳处理，得到杆状分布的共晶碳化物及含有弥散分布的二次碳化物马氏体基体组织，从而提高零件的耐磨性能。