360 叶片热处理前后组织及力学性能变化

杨红梅，冯承亮

（山东开泰抛丸机械股份有限公司，山东滨州 256217）

0 引言

抛丸器耐磨件包括分丸轮、定向套和叶片等，都属于高铬铸铁。叶片利用离心作用将高速弹丸流（金属或非金属磨料）抛向所要清理的工件表面，以去除工件表面的粘砂、氧化皮和小的飞边毛刺等，并得到一定的表面粗糙度的表面。叶片的抗摩擦磨损情况直接影响抛丸器的使用寿命。现在的叶片一般是采用精密铸造生产的亚共晶抗磨白口铸铁。它是第三代耐磨铸铁[1]。在高铬铸铁中存在M7C3[(Cr·Fe)7C3]、M7C3型碳化物，碳化物硬度1200～1700HV，六方晶系，比M3C（Fe3C）硬度高许多，这种碳化物孤立分布，呈杆状和片状，对基体的割裂作用较小，铸铁的韧性较好。铬和碳的搭配要遵循低于共晶碳含量的原则，否则基体组织中会出现粗大的过共晶初生碳化物。初生碳化物的横截面外形呈规则的六角形，其内部有共晶成分的组织及缩孔。这些粗大的过共晶碳化物在磨粒磨损作用下，容易脱落，与母体分离，从而降低工件的使用寿命。360 叶片耐磨性有时较差，本文针对这种情况，结合当前生产现状，对360 叶片进行研究，期望能得到较长的使用寿命。

1 360 叶片的生产工艺

360 叶片是抛丸机上常用的易损耗元件，公司目前采用熔模精密铸造方式生产。熔模精密铸造又称失蜡铸造，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去制成型壳，再经过焙烧、浇注，得到铸件。由于获得的铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度，故又称“熔模精密铸造”。360 叶片经过制蜡模、焊接之后形成蜡模树，然后利用120 目石英粉做面层粉料，使用硅溶胶水溶液作为粘结剂，制成面层型壳，再然后用80 目～120 目的石英粉做背层粉料，硅溶胶做粘结剂，再在其外用30～60 目莫来粉做过渡层，用粘度为8s～10s 的水玻璃做粘结剂，经与Al2O3水溶液反应发生硬化，然后用10 目～30 目的莫来砂和粘度18s～20s 的水玻璃做粘结剂，制作3 层，最后用水玻璃浆液封浆，完成型壳的制造。型壳经蒸汽脱蜡后干燥48h～72h，然后在930～950℃高温焙烧2.5h，进行浇铸，得到铸态360 叶片。

2 360 叶片的热处理工艺

碳元素在铸件中以共晶碳化物的形式存在，共晶碳化物在耐磨性方面起重要作用。碳含量较高时，碳化物数量增多，初生碳化物颗粒较粗。铸态产品由于存在较粗的碳化物，耐磨性不好。目前公司对该叶片实行高温淬火的热处理方式。将铸态叶片，分段升温至980℃，保温2h，出炉后风冷。产品经过淬火之后，硬度高而且内部容易存在应力。产品在使用过程中，容易出现耐磨性不均匀的情况，针对这样的现实情况，本文对精铸生产的360 叶片，淬火之后进行回火处理，研究叶片回火热处理前后的组织及性能变化。

本文采用的热处理方式是将叶片分段升温，升温至980℃，保温2h，风冷，然后再将经过该淬火之后的叶片分别在200℃、230℃、260℃、300℃、330℃、360℃、400℃、430℃进行回火，回火保温时间是2h，空冷。测试分析热处理前后的组织及力学性能变化。

3 试验结果分析

3.1 组织变化

本文分别选取了同一炉生产的8 块淬火后的叶片在 200℃、230℃、260℃、300℃、330℃、360℃、400℃、430℃进行回火处理，对铸态、淬火及回火后的组织进行分析。叶片化学成分如表1所示。

表1 叶片化学成分 w/%

由于高铬铸铁耐蚀性非常好，所以通常用的腐蚀剂，如硝酸酒精、苦味酸等，腐蚀效果都不是太好，故使用王水做腐蚀剂，腐蚀时间90s，试样表面变成灰色即可。图1、2 是将试样放大400 倍得到的金相图片。铸态显微组织为共晶碳化物和奥氏体，共晶碳化物成网状，有的为菊花状的连续网状（如图1），有的呈现规则的网状（如图2）。

图1 铸态400×

图2 铸态400×

图3 是经过淬火的360 叶片的显微组织，显微组织为淬火马氏体、碳化物及残余奥氏体[2，3]，与铸态显微组织相比，铸态中网状的碳化物分解成了孤立的岛状，而且碳化物颗粒边角变得圆滑。淬火后组织中出现的小岛状物[1]，弥散分布在组织中，使铸件的硬度提高。

图3 淬火400×

图4～11 为不同温度下回火之后的显微组织，由以上可知，回火后仍然存在断续的网状物。与淬火的显微组织相比，变化不是很大，在430℃回火之后的组织中既存在断续的网状物，也存在细小的二次碳化物[4]。回火的显微组织为淬火马氏体、一次碳化物、二次碳化物及残余奥氏体[2]。断续的网状物为碳化物聚集长大的结果，这些导致基体的硬度下降。

图4 200℃回火400×

图5 230℃回火400×

图6 260℃回火400×

图7 300℃回火400×

图8 330℃回火 400×

图9 360℃回火 400×

图10 400℃回火400×

图11 430℃回火400×

3.2 硬度变化

分别选取8 片经过淬火的叶片在不同温度进行回火，检测不同温度回火后的洛氏硬度。本试验用的是HR-150A 型洛氏硬度计。试验结果如表2所示。

表2 不同回火温度下硬度的变化

由表2 可知，经过回火之后叶片的硬度降低，不同回火温度下降低幅度稍有不同，有的降低比较明显，有的变化不大。总体来说回火之后虽然叶片的硬度下降不明显，但是叶片内部的组织变得比淬火态要更加均匀，组织相对更稳定。

3.3 耐磨性

抛丸器工作时是由分丸轮出来的钢丸抛打在叶片上，叶片在抛丸器的带动下旋转，通过叶片的阻挡作用，磨料做离心运动[1]，从抛丸器里面抛出打在工件上，起到清理作用。克拉盖尔斯基等人[4]认为，磨屑大部分是从金属表面上通过重复的载荷作用导致表面疲劳损坏，使小颗粒从表层上脱落下来而形成磨屑。磨屑与钢丸以及叶片之间形成了三体磨损。从叶片上脱落的磨屑由于硬度大，脆性大，破裂后会有尖锐的边缘，此时它就会对叶片表面起到犁沟和切削作用，导致叶片表面更多的磨屑掉落，耐磨性下降。许多学者[5]都认为在磨粒磨损中，硬度是最重要的一个参数，因为它控制着硬颗粒穿入软表面的深度。试验证明，为减小磨损，表面硬度为磨粒硬度的1.3 倍时，效果最佳[5]。再增高表面硬度，增益的效果并不是太明显。

表3 是经过回火之后的叶片在抛丸机上使用15 天之后的重量变化。将初始重量相同的叶片分两批装在抛丸器上，用级配为S110 和S130 的钢丸进行抛打。抛丸器工作15 天之后取下，称重，结果见表3。

由表3 可知，400℃回火的叶片在试验前后重量损耗最小，耐磨性最好。由显微组织可以看出经过400℃回火的叶片显微组织中含有细小的弥散颗粒，或许是这些弥散的小颗粒在基体中起到支撑作用，同时降低了内应力，使基体具有合适的硬度。这些小颗粒碳化物较均匀的分布在基体中，起支撑和稳定作用，在磨损时当受到外来颗粒撞击时，能较稳定的抗击外来冲击，使工件的耐磨性提高。

表3 抛丸试验前后叶片平均重量差

4 结论

通过对精铸生产的叶片进行淬火和回火处理，发现：热处理之后的显微组织与铸态的组织相比，含有细小的弥散相，为二次碳化物。回火之后硬度比淬火硬度略有下降，回火后的叶片耐磨性比淬火态好。为了获得良好耐磨性的产品，可以在淬火之后再回火，使组织均匀致密，同时能消除一部分内应力，提高产品质量。