王　鈾,　李學(xué)偉,　潘兆義,　侯云成,　裕莉莉,　譚　強(qiáng),　孫曉光

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150001; 2.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150022; 3.內(nèi)蒙古世紀(jì)恒生礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013563)

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鉻系耐磨鑄鐵的摩擦金屬學(xué)行為與納米改性

王鈾1,李學(xué)偉2,潘兆義1,侯云成1,裕莉莉1,譚強(qiáng)3,孫曉光1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150001; 2.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150022; 3.內(nèi)蒙古世紀(jì)恒生礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013563)

在我國(guó),每年設(shè)備、配件的使用磨損、腐蝕及表面失效造成材料損失高達(dá)上億萬(wàn)噸,為了提高耐磨材料的性能,將宏觀的摩擦磨損現(xiàn)象與金屬組織的微觀變化相聯(lián)系,用動(dòng)態(tài)金屬學(xué)的觀點(diǎn)研究磨損的微觀機(jī)制,即進(jìn)行摩擦金屬學(xué)研究,是揭示金屬材料磨損本質(zhì)的基本途徑,有助于耐磨材料和耐磨處理方法的選擇和研究開發(fā)?；趯?duì)高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨鑄鐵所進(jìn)行的摩擦金屬學(xué)研究,結(jié)果表明:利用納米改性技術(shù)可以改善鉻系耐磨鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)和性能,尤其是提高鉻系耐磨鑄鐵的耐磨性方面效果明顯。該研究為高鉻鑄鐵和Cr-Mo-Cu合金鑄鐵等材料耐磨性能的提高提供了一條有效途徑。

鉻系耐磨鑄鐵; 摩擦金屬學(xué); 納米改性

在工業(yè)化進(jìn)程快速發(fā)展的今天,對(duì)傳統(tǒng)金屬材料特別是耐磨材料要求其工藝及性能不斷提高。與國(guó)外同類產(chǎn)品的耐磨材料相比,我國(guó)各項(xiàng)耐磨、耐蝕指標(biāo)都有較大的差距。在我國(guó),水泥、鋼鐵、電力、礦山、鐵路、航空、汽車等行業(yè),所需要及應(yīng)用的耐磨材料一直是困擾企業(yè)發(fā)展的瓶頸。無(wú)論是企業(yè)還是市場(chǎng)都在企盼真正具有高性能、優(yōu)質(zhì)的耐磨材料出現(xiàn),并取代進(jìn)口。據(jù)中國(guó)工程院相關(guān)統(tǒng)計(jì),我國(guó)因?yàn)槟p和腐蝕造成的損失約占GDP的9.5%[1]。將宏觀的摩擦磨損現(xiàn)象與金屬組織的微觀變化相聯(lián)系,用動(dòng)態(tài)金屬學(xué)的觀點(diǎn)研究磨損的微觀機(jī)制,即進(jìn)行摩擦金屬學(xué)研究。這無(wú)疑是揭示金屬材料磨損本質(zhì)的基本途徑,將有助于耐磨材料和處理方法的選擇和研究開發(fā)[2]。

納米材料雖然能夠賦予產(chǎn)品以奇特而優(yōu)異的性能,但因目前科技發(fā)展水平和生產(chǎn)成本的制約,完全以納米材料替代常用的傳統(tǒng)材料還不現(xiàn)實(shí)。為滿足新型金屬耐磨材料的發(fā)展和應(yīng)用需求,簡(jiǎn)便可行且成本低廉的金屬耐磨材料納米改性技術(shù)獨(dú)占優(yōu)勢(shì)。材料納米改性科學(xué)技術(shù)是隨著近年來新材料和納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。它通過在材料中引入納米改性劑以在納米尺度上控制材料,使材料的性能潛力得到更有效地發(fā)揮[3],提高產(chǎn)品的使用性能、壽命和可靠性。

開辟耐磨材料的另一個(gè)新領(lǐng)域是對(duì)鉻(Cr)系鑄鐵的研究。通過向普通白口鑄鐵中加入鉻,可提高白口鑄鐵的力學(xué)性能和耐磨性。鉻系白口鑄鐵已經(jīng)取代了其他耐磨材料比如說中錳韌性鑄鐵以及高錳鋼[4]。根據(jù)鉻含量的不同,可分為低Cr、中Cr和高Cr白口鑄鐵。此外,還有Cr-Mo和Cr-Mo-Cu合金等鉻系耐磨鑄鐵。

筆者基于對(duì)高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨鑄鐵進(jìn)行摩擦金屬學(xué)行為研究,利用材料的納米改性技術(shù)有效改善鉻系耐磨鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)和性能,以提高鉻系耐磨鑄鐵的耐磨性。

1　摩擦金屬學(xué)行為與納米改性效果

1.1高Cr鑄鐵

高鉻白口鑄鐵之所以存在優(yōu)異的耐磨損性,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紋擴(kuò)展的路徑,又會(huì)使高鉻鑄鐵在遭受高一些的沖擊載荷時(shí)易產(chǎn)生脆性斷裂[3,5-6]。文中研究表明,加入納米改性劑可以改變這些高硬度碳化物的形態(tài)、尺寸和分布(見圖1),可以有效提高高鉻鑄鐵的韌性,有利于其在沖擊載荷下的耐磨性。加入不同納米改性劑和孕育劑的高鉻鑄鐵性能如圖2所示。

圖1　納米改性前后高鉻合金鑄鐵的SEM照片

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

在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)沖蝕角為30°時(shí),高鉻鑄鐵的沖蝕磨損機(jī)理為微切削。當(dāng)沖蝕粒子以30°角沖向材料的表面時(shí),沖擊力可以看成是兩種力的綜合作用:一種力可以分解為使沖擊砂粒進(jìn)入材料內(nèi)部,促進(jìn)產(chǎn)生縱向裂紋的過程;另外的一種力可分解成水平方向使砂粒在材料的表面向前移動(dòng),這樣就在材料的表面形成片狀的唇片。當(dāng)沖蝕角為90°時(shí),高鉻鑄鐵的沖蝕磨損機(jī)理為擠壓鍛打成片。沖蝕表面破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)了很多凹坑。而隨著納米改性劑含量的增加,凹坑的數(shù)量減少,并且在凹坑的附近出現(xiàn)了凸起的唇片。說明加入一定含量的納米改性劑時(shí),能夠保證高鉻鑄鐵具有高硬度的同時(shí),使韌性有所提高。

研究中,當(dāng)向高鉻鑄鐵里加入0.4%納米改性劑時(shí),對(duì)沖蝕磨損率的影響最為明顯,當(dāng)沖蝕角為90°時(shí),其抗沖蝕磨損性能可提高50.87%,當(dāng)沖蝕角為30°時(shí),其抗沖蝕磨損性能可提高41.46%。如圖2b所示。

在劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí),劃痕深度隨著壓頭正向力增加而線性增加,最終使表面層材料破壞。碳化物的大小、形態(tài)以及在基體上的分布狀態(tài)可能會(huì)直接影響劃痕大小和形貌,在劃痕的過程中如果碳化物的顆粒較大,則壓頭在經(jīng)過的過程中,容易發(fā)生脆性斷裂,則對(duì)應(yīng)的聲信號(hào)變大,摩擦力和摩擦系數(shù)增加。

N0未改性; N2～N8加入改性劑; I8加入孕育劑; N8I8加入孕育劑與改性劑

圖2加入不同納米改性劑和孕育劑的高鉻鑄鐵沖擊性能

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

ANSYS分析結(jié)果表明:碳化物距離壓頭越遠(yuǎn),產(chǎn)生應(yīng)力集中的趨勢(shì)越小,碳化物不會(huì)發(fā)生明顯變化,產(chǎn)生的位移量很小,對(duì)劃痕不會(huì)產(chǎn)生明顯作用;當(dāng)碳化物距離劃痕很近時(shí),碳化物的尖端上產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此當(dāng)劃痕劃過時(shí),該處碳化物容易斷裂,聲信號(hào)突然增加,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

文中實(shí)驗(yàn)表明,添加納米改性劑可以細(xì)化碳化物晶粒,并使碳化物在基體中均勻地分布,于是相鄰碳化物的距離變小,表面上壓頭接觸或滑過碳化物的機(jī)會(huì)增加,因此,摩擦力比沒有添加納米改性劑的高鉻鑄鐵變得更大。

1.2低Cr鑄鐵

低鉻白口鑄鐵中的Cr/C比值小,碳化物的類型為(Cr, Fe)3C,在基體上呈網(wǎng)狀分布,對(duì)基體的割裂作用較大,導(dǎo)致其韌性較低。加入納米改性劑不僅降低了低鉻鑄鐵中碳化物的網(wǎng)狀傾向,減少了其對(duì)基體的割裂作用,而且改變了基體中滲碳體層片的形態(tài)、尺寸和間距(如圖3),改善了其界面的潔凈度,于是有效提高了低鉻鑄鐵的韌性和耐磨性。低Cr鑄鐵的沖擊韌性和沖擊磨損抗力如圖4所示[7]。

圖3　納米改性前后低鉻合金鑄鐵的SEM照片

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

圖4　低Cr鑄鐵的沖擊韌性和沖蝕磨損抗力

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

1.3Cr-Mo-Cu鑄鐵

在干滑動(dòng)嚴(yán)重磨損情況下,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的磨損機(jī)制以熱疲勞脫落和磨粒磨損為主要形式。因此,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵中石墨的形態(tài)是通過影響上述兩種磨損的能力來實(shí)現(xiàn)的。在蠕蟲狀石墨形態(tài)存在的鑄鐵中,由于蠕蟲狀石墨的存在使鑄鐵具有良好的導(dǎo)熱性能和強(qiáng)度性能,必然具有良好的抵抗熱疲勞脫落的能力。如圖5所示,有限元模擬計(jì)算結(jié)果顯示,在相同的磨損條件下,假設(shè)磨損面上的閃光溫度相同,由于蠕蟲狀石墨鑄鐵的熱導(dǎo)率明顯高于片層石墨鑄鐵,使其熱量傳遞速度較高,利于磨損表面溫度的降低[8]。

圖5　兩種石墨鑄鐵磨損過程中的傳熱分析

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

又由于干滑動(dòng)磨損條件下的磨粒主要來源于熱疲勞脫落的產(chǎn)物,因而抵抗熱疲勞脫落磨損能力的提高必然會(huì)減小磨粒磨損發(fā)生的程度。片狀石墨形態(tài)存在的鑄鐵強(qiáng)度相對(duì)較低,導(dǎo)致抗熱疲勞脫落能力很低,其耐磨性也必然很低。Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的金相組織為馬氏體、碳化物和片狀或蠕蟲狀石墨。石墨在基體中的硬度和強(qiáng)度接近于零,在金屬組織內(nèi)如同空洞,切割基體并造成應(yīng)力集中,在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下,露在磨痕附近表面的石墨早期碎裂脫離而形成空穴,使金屬組織顯露出尖角銳刃,有利于Cr-Mo-Cu合金鑄鐵制成的部件具有一定的研磨或破碎加工功效。又由于石墨屬于密排六面結(jié)構(gòu),質(zhì)地軟弱,沿底面易滑移,是一種有效的固體潤(rùn)滑材料,能使摩擦面保持良好的潤(rùn)滑條件。但當(dāng)石墨的長(zhǎng)寬比較大,石墨呈現(xiàn)粗長(zhǎng)的片狀,會(huì)造成石墨處過度的應(yīng)力集中,發(fā)生石墨片的滑動(dòng),起不到潤(rùn)滑的作用,使耐磨性降低,只有當(dāng)石墨長(zhǎng)寬比小,呈現(xiàn)細(xì)小的蠕蟲狀,才能使空洞良好的“刀具”作用體現(xiàn)出來,達(dá)到提高磨削性能的作用,如圖6所示。

圖6　石墨鑄鐵磨損過程中石墨的自潤(rùn)滑和基體的切削作用

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

此外,經(jīng)納米改性的Cr-Mo-Cu合金鑄鐵(蠕蟲狀石墨鑄鐵)與GCr15磨球磨損,由于石墨尺寸較小,對(duì)基體的分割作用比較明顯,便于產(chǎn)生細(xì)小的磨屑,具有相對(duì)較大的比表面積,與氧氣接觸的機(jī)會(huì)較大,易于發(fā)生氧化磨損,形成的氧化膜起到潤(rùn)滑和保護(hù)基體的作用。也就是說,石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵耐磨性的影響,一方面是通過影響其導(dǎo)熱能力和抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力而影響其抗熱疲勞脫落能力來實(shí)現(xiàn)的;另一方面還由于材料移除量或剝落量的不同而使得磨損時(shí)磨屑的多少不同,磨屑的黏著轉(zhuǎn)移或充當(dāng)磨粒的程度也就不同,于是使得磨損的程度發(fā)生改變。

納米改性后,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的晶粒明顯細(xì)化,組織細(xì)密,硬度提高。特別是,納米改性使Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣中石墨的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化[9]。圖7中可以看出納米改性前后合金鑄鐵試樣中石墨的變化。未改性試樣的石墨的生長(zhǎng)方向及外形尺寸很不規(guī)則,石墨形態(tài)單一,粗長(zhǎng)且長(zhǎng)度不一,幾乎沒有彎曲和分叉,石墨呈現(xiàn)片狀形態(tài),如圖7a所示;經(jīng)納米改性的石墨整體成團(tuán)簇狀分布,外形細(xì)小,無(wú)明顯方向性,形態(tài)短小,普遍發(fā)生彎曲,具有波浪式的外緣和較多的分叉,頭部鈍化,呈蠕蟲狀形態(tài),如圖7b所示。

與GCr15鋼球?qū)δr(shí),納米改性淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣的磨損體積比普通未改性淬火態(tài)的減少65.88%,納米改性鑄態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣的磨損體積也比普通未改性淬火態(tài)的減少61.96%。經(jīng)納米改性的Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的耐磨性能顯著提高[8],如表1所示。

圖7　淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的掃描電鏡照片

表1Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的磨損率與對(duì)磨的GCr15鋼磨球的磨損率

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

狀態(tài)磨損率/mm3·(m·N)-1試樣鋼磨球未納米改性/淬火態(tài)1.6140×10-42.1600×10-5納米改性/鑄態(tài)0.6140×10-44.0500×10-5納米改性/淬火態(tài)0.5504×10-44.7700×10-5

與Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣不同的是,GCr15鋼對(duì)磨球的磨損體積卻呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì):即使當(dāng)與改性鑄態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵下試樣對(duì)磨時(shí),GCr15鋼磨球的磨損體積是與普通淬火態(tài)合金鑄鐵對(duì)磨時(shí)的1.88倍,而當(dāng)與改性淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣對(duì)磨時(shí),鋼磨球的磨損體積更大,是與普通淬火態(tài)合金鑄鐵對(duì)磨時(shí)的2.20倍。

用兩者比值(G′=球體材料的磨損體積/鑄鐵試樣的磨損體積)可以表示在一定加工時(shí)間和載荷及轉(zhuǎn)速條件下,鑄鐵試樣與某一球體材料對(duì)磨時(shí)的耐磨與磨削性能。G′越大,反映鑄鐵試樣的耐磨與磨削性能越好。結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米改性淬火態(tài)鑄鐵試樣與GCr15磨球?qū)δr(shí)的G′值是普通淬火態(tài)的6.52倍,納米改性鑄態(tài)試樣的G′值也比普通淬火態(tài)時(shí)提高3.96倍。說明納米改性不但能顯著改善Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的耐磨性,也能提高對(duì)GCr15鋼的磨削作用。

2　納米改性鉻系耐磨鑄鐵的應(yīng)用效果

納米改性耐磨合金磨球及襯板的硬度和斷裂韌性等均得到明顯改善,使用壽命大幅度提高。納米改性高鉻鑄鐵(相當(dāng)于ZQCr10)磨球硬度HRC為59～64,沖擊值達(dá)到4.0 J/cm2(通常3.0 J/cm2左右),納米改性低鉻鑄鐵磨球硬度HRC為46～52,沖擊值大于3.0 J/cm2(通常2.0 J/cm2左右),較未改性的鑄鐵磨球具有更高的韌性。在落球落高為3.5 m時(shí)進(jìn)行落球?qū)嶒?yàn),落球次數(shù)大于18 000 (冶金標(biāo)準(zhǔn)YB/T091—2005規(guī)定為8 000次, 已知最高紀(jì)錄接近12 500次),即采用納米改性技術(shù)不僅具有較好的耐磨性能,更明顯減少了磨球使用過程中的破碎率。

生產(chǎn)過程中,考察了由Cr-Mo-Cu合金鑄鐵制成的光球磨板的磨削加工效率及使用壽命。如用Cr-Mo-Cu合金鑄鐵磨板加工φ7.938 mm的成品軸承鋼球,使用納米改性合金磨板可使磨削時(shí)間節(jié)省25.0%,磨削加工性能是原來的4倍;在加工鋼球數(shù)量一定時(shí),磨板的耐用度是原來的3倍。而用Cr-Mo-Cu合金鑄鐵磨板加工鎢合金毛坯球時(shí),磨板的工作時(shí)間增加了1倍,磨削效率提高了1倍;在加工成品球時(shí),磨板工作時(shí)間增加了85.7%,磨削量提高了92.9%,表明納米改性使Cr-Mo-Cu合金鑄鐵光球磨板的磨削效率和使用壽命明顯提高[9]。

3　結(jié)束語(yǔ)

高鉻鑄鐵和Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的微觀組織結(jié)構(gòu)決定了其摩擦金屬學(xué)行為。通過對(duì)高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨鑄鐵進(jìn)行摩擦金屬學(xué)研究,與納米改性效果實(shí)驗(yàn),以及應(yīng)用考核,結(jié)果表明,納米改性技術(shù)可以改變材料中的微觀組織結(jié)構(gòu),如碳化物或石墨的形態(tài)、尺寸和分布等來改善其摩擦金屬學(xué)行為。納米改性技術(shù)為高鉻鑄鐵和Cr-Mo-Cu合金鑄鐵等材料耐磨性能的提高提供了一條有效途徑。

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(編輯徐巖)

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

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2006RFQXG100)

王鈾(1954-),男,黑龍江省五常人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:納米表面工程、納米改性材料,E-mail:wangyou@hit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.002

TG143.8

1671-0118(2013)03-0222-05

A