肖洪蓮，寧愛林，劉紹忠，劉建波

(邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

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柱塞泵摩擦件球墨鑄鐵的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

肖洪蓮，寧愛林，劉紹忠，劉建波

(邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

綜合評述柱塞泵摩擦件球墨鑄鐵的研究現(xiàn)狀.討論合金元素對球墨鑄鐵耐磨性的影響、球墨鑄鐵的耐磨機(jī)理以及柱塞泵摩擦件球墨鑄鐵的應(yīng)用領(lǐng)域.在此基礎(chǔ)上對柱塞泵摩擦件球墨鑄鐵未來的發(fā)展趨勢，提出了一點(diǎn)看法.

柱塞泵摩擦件；球墨鑄鐵；研究現(xiàn)狀

柱塞泵是液壓系統(tǒng)的動力元件[1].柱塞泵的特點(diǎn)是額定壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、泄露小、效率高和流量調(diào)節(jié)方便等.但柱塞泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料要求高和具有高的加工精度、價(jià)格昂貴以及較高要求的對油清潔度等.故柱塞泵被廣泛應(yīng)用于高壓、大流量和流量需要調(diào)節(jié)的場合，如船舶、液壓機(jī)和工程機(jī)械等.

斜盤是軸向柱塞泵關(guān)鍵部件之一，它高速運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)還承受高而集中地交變載荷.斜盤主要失效方式是磨損，其性能直接決定機(jī)器壽命.球墨鑄鐵QT600-3不僅抗拉強(qiáng)度大，其伸長率也高[2].球墨鑄鐵與灰鑄鐵相比對基體的割裂和應(yīng)力集中作用小，與鋼材相比鑄造性能好[3].在機(jī)械設(shè)計(jì)中，屈服強(qiáng)度是防止零件產(chǎn)生過量塑性變形的設(shè)計(jì)依據(jù)，是重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一.故抗拉強(qiáng)度相同的球墨鑄鐵和鋼，球墨鑄鐵的許用應(yīng)力較大，并具有耐磨、減震、工藝性能好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)[4].所以，球鐵可代替鋼制造一些高強(qiáng)度和承受交變應(yīng)力的工件.故選取這種牌號的球墨鑄鐵生產(chǎn)柱塞泵摩擦件-斜盤.

本文綜合評述鑄態(tài)柱塞泵摩擦件球墨鑄鐵的研究現(xiàn)狀，并就該材料的發(fā)展趨勢做一點(diǎn)預(yù)判.

1 合金元素對鑄態(tài)球墨鑄鐵耐磨性的影響

鑄態(tài)柱塞泵摩擦件球墨鑄鐵中各合金元素對耐磨性的影響.

(1)碳 碳是促進(jìn)石墨化元素，可有效地消除碳化物.含碳量較高的鐵液有助于鑄鐵球化[5].主要從下面兩個(gè)方面考慮碳含量，一個(gè)方面是對于柱塞泵摩擦件這類耐磨件，球狀石墨可用于零件工作時(shí)的固體潤滑劑，其作用在于減小零件磨損，提高零件壽命；另一方面是基于改善鑄造性能，減少鑄造缺陷，得到健全鑄件等方面考慮[6].故選擇的碳含量為共晶點(diǎn)左右.

(2)硅 硅是石墨化很強(qiáng)的元素，能使石墨細(xì)化并提高石墨球的圓整度.增加硅量，可減少和消除鑄態(tài)組織中的碳化物，但硅量過高，則減少組織中珠光體的數(shù)量[6].故碳硅含量的選擇按高碳低硅的原則[13].

(3)錳 錳是弱碳化物形成的元素[15].錳具有強(qiáng)化鐵素體，穩(wěn)定珠光體等有益作用[6].但其有嚴(yán)重的正向偏析，應(yīng)控制錳含量.對于珠光體球墨鑄鐵錳含量可適當(dāng)高些，但實(shí)際情況通常用銅穩(wěn)定珠光體.

(4)磷 磷在球墨鑄鐵中具有強(qiáng)的偏析傾向，容易在晶界處生成磷共晶，使材料韌性降低.磷容易增大球鐵的縮松等缺陷.故鑄件中應(yīng)控制磷的含量[8].

(5)硫 硫是干擾石墨球化的元素[15].球墨鑄鐵中的硫易于與球化元素反應(yīng)生成硫化物或硫氧化物，形成球化不穩(wěn)定和雜質(zhì)增多等現(xiàn)象[15].生產(chǎn)中應(yīng)盡量降低硫含量.

(6)稀土 適量的稀土量可排除干擾元素的影響，但殘留稀土量過高則惡化石墨形態(tài)，降低鑄件韌性.因此，殘留稀土量一般控制在0.02%～0.04%范圍內(nèi)[3].

(7)銅 銅是穩(wěn)定珠光體的元素.其石墨化能力弱于碳和硅，可用于減弱或抵消部分碳化物形成元素的反石墨化作用.銅能減少鑄件的斷面敏感性，使不同厚度的斷面組織和性能趨于均勻.銅也能提高球墨鑄鐵件的耐磨性和可切削性，使切削加工表面光潔度提高.機(jī)床鑄件和耐腐蝕鑄件常采用含銅球墨鑄鐵[7].

(8)鎳 鎳是石墨化元素，能促進(jìn)珠光體生成、穩(wěn)定珠光體組織以及細(xì)化珠光體并抑制碳化物生成.其促進(jìn)珠光體生成方面優(yōu)于銅，質(zhì)量分?jǐn)?shù)也少于銅.由于價(jià)格貴，國內(nèi)用得較少[14].

(9)鉬 鉬是弱碳化物形成元素，能降低穩(wěn)定和亞穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變溫度.鉬和鎳同時(shí)存在能顯著提高球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度，又不會使其斷后伸長率下降較多.當(dāng)鉬與銅和鎳等元素同時(shí)加入球墨鑄鐵時(shí)，能推遲珠光體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和轉(zhuǎn)變溫度還能使轉(zhuǎn)變所形成的共析組織趨于細(xì)密.能有效地提高珠光體球墨鑄鐵的力學(xué)性能[9].

(10)鉻 鉻能穩(wěn)定碳化物，提高共析轉(zhuǎn)變溫度[7].鉻和鎳以1∶1.5或1∶2的比例同時(shí)加入鑄件中，促使珠光體生成的同時(shí)消減了碳化物生成傾向.但鉻含量較高時(shí)對鑄件力學(xué)性能特別是抗沖擊能力造成很大傷害.為了避免這一影響，鑄件中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)限制.生產(chǎn)含有高硬度碳化物的耐磨球墨鑄鐵件時(shí)，鉻的含量可以根據(jù)需要提高[10].

(11)釩 釩與碳親和力強(qiáng)，易于生成穩(wěn)定碳化物.釩能提高珠光體的數(shù)量，但弱于銅，可以通過適當(dāng)控制釩的含量獲得良好的疲勞強(qiáng)度和耐磨性[11].

(12)錫 錫是促進(jìn)珠光體生成的元素[14]，與銅相似，但遠(yuǎn)超過銅穩(wěn)定珠光體的能力.研究發(fā)現(xiàn)，錫和銅同時(shí)加入鐵水，球墨鑄鐵基體中鐵素體體積分?jǐn)?shù)顯著較少[10].

(13)銻 銻能穩(wěn)定珠光體，用微量銻取代銅生產(chǎn)鑄鐵球墨鑄鐵，這在經(jīng)濟(jì)上更為合理.但過量的銻會干擾石墨球化，產(chǎn)生碎塊石墨，影響球墨鑄鐵力學(xué)性能[11].

(14)鉛 鉛是強(qiáng)烈干擾石墨球化元素.含鉛量超過0.008%的鎂球墨鑄鐵可使石墨發(fā)生嚴(yán)重畸變[11].

(15)鉍 鉍是表面活性元素.有干擾石墨球化的作用.不含稀土元素含鉍量超過0.006%的鎂球墨鑄鐵可使石墨發(fā)生畸變.鈰能降低鉍的有害作用.微量鉍和適量稀土同時(shí)存在厚斷面鑄件中，顯著減少碎塊石墨，在薄壁件中顯著增加石墨球數(shù)[11].

綜上所述，合金元素的加入量控制在一個(gè)較佳的范圍，其對球墨鑄鐵耐磨性有重要影響[11].隨著錳、鉬、鉻含量的增加球墨鑄鐵的磨損失重下降.在鑄件中加入錳和鉻均可使材料硬度提高，促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)變，并能穩(wěn)定和細(xì)化珠光體，使球墨鑄鐵的耐磨性提高；鉬能細(xì)化珠光體，使球墨鑄鐵組織穩(wěn)定性提高，從而增加球墨鑄鐵的耐磨性.加入適量的硅能提高球墨鑄鐵的耐磨性，但硅含量過多可減少珠光體數(shù)量，降低球墨鑄鐵的耐磨性[7].在實(shí)際生產(chǎn)中，合金元素的加入要適量.此外，還應(yīng)考慮各元素之間的交互作用.

2 球墨鑄鐵的耐磨機(jī)理

球墨鑄鐵的耐磨機(jī)理主要體現(xiàn)在兩方面，一是石墨形態(tài)，二是化學(xué)成分[7].與其他金屬材料相比，球墨鑄鐵中碳主要以球狀石墨的形態(tài)存在于鑄鐵中.這一形態(tài)決定了普通球墨鑄鐵有兩個(gè)方面的耐磨特性.一方面，石墨是一種很好的潤滑劑，在運(yùn)動中石墨強(qiáng)度較小，易于從基體上磨損脫落，起到良好的潤滑作用，也減輕了金屬材料的磨損，主要體現(xiàn)在干磨運(yùn)動.另一方面，石墨脫落形成凹坑，可以儲存潤滑油，使摩擦副具有良好的潤滑狀態(tài)，也減輕材料的磨損.

珠光體是指滲碳體和鐵素體片層相間的組織，具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，綜合機(jī)械性能優(yōu)良[11].穩(wěn)定和促進(jìn)珠光體生成等措施能使球墨鑄鐵的耐磨性提高.生產(chǎn)球墨鑄鐵有兩種方式，一種是鑄造后正火，另一種是合金化生產(chǎn).由于鑄造后正火，溫度梯度不同，珠光體含量不同，淬火后硬度不均勻，相變軟化，其組織不同，工作性能不好控制.目前多采用合金化生產(chǎn)[10].

3 球墨鑄鐵在柱塞泵摩擦件中的應(yīng)用

目前各類鑄鐵中屬球墨鑄鐵性能最好，其也有良好的抗熱疲勞性，廣泛應(yīng)用于各類耐磨材料[12].

不通過熱處理即選擇合金化生產(chǎn)直接獲得不同要求的球墨鑄鐵件具有重大意義，這也是近年來球墨鑄鐵發(fā)展較快的一個(gè)方面.

成功研制的稀土鎂球化劑應(yīng)用于球墨鑄鐵中使合金化生產(chǎn)鑄態(tài)球墨鑄鐵的研究非?；钴S，其生產(chǎn)技術(shù)水平也得到了提高.

鑄態(tài)高韌性鐵素體球墨鑄鐵在國內(nèi)外取得了一定的生產(chǎn)方面的經(jīng)驗(yàn).主要有：嚴(yán)格選擇化學(xué)成分，如選高的碳當(dāng)量，限制錳、磷及硫的含量(Mn<0.4%、P<0.06%、S<0.015%),防止在爐料中帶入鉻、鎢、鉬、銅、錫、銻等合金元素；限制球化劑中稀土元素的含量及防止球化元素過高；促進(jìn)孕育處理，使石墨球細(xì)化等.

在鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵方面，也取得了一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn).在成分設(shè)計(jì)上主要考慮添加并提高一些有利于珠光體形成的元素，如適當(dāng)提高錳含量(Mn0.7%～1.0%)；適當(dāng)添加一些銅或利用含銅生鐵以及錳和銻并用等.此外，為加大共析區(qū)間的冷卻速度，采用高溫開箱等工藝措施，這些均取得了較好的效果.

近年來，國內(nèi)外對于鑄態(tài)奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵也進(jìn)行了大量研究工作，合金化是其主要手段之一.一般采用低錳成分并適量添加鎳、鉬等有助于貝氏體轉(zhuǎn)變的元素以及添加促進(jìn)石墨化元素，以謀求石墨細(xì)化和被鎳、硅強(qiáng)化的基體組織.

目前鑄態(tài)球墨鑄鐵廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)的工業(yè)國家.鑄態(tài)球墨鑄鐵的生產(chǎn)工藝在我國逐漸成熟，其產(chǎn)量也不斷增加.鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用于柱塞泵摩擦件有利于提高柱塞泵的質(zhì)量和工作可靠性、提高工程機(jī)械國產(chǎn)化率、改變給工程機(jī)械配套的高端柱塞泵依賴進(jìn)口的局面[2].

4 球墨鑄鐵柱塞泵摩擦件的發(fā)展趨勢

隨著全球能源危機(jī)的加劇，各行各業(yè)越來越重視節(jié)能降耗.產(chǎn)品競爭日趨激烈的今天，相繼出臺了一些措施如大量應(yīng)用低成本低耗能材料、減重零部件等.在競爭激烈的今天，耐磨球墨鑄鐵具有優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，故其終將會被廣大用戶所接受.成本昂貴的鋼材將被球墨鑄鐵耐磨材料所代替，球鐵耐磨材料應(yīng)用領(lǐng)域必將逐漸擴(kuò)大.但球墨鑄鐵耐磨材料還需要完善，如在材料成分和力學(xué)性能等方面.

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Current status and development trend of ductile iron for piston pump wearing pieces

XIAO Honglian,NING Ailin,LIU Shaozhong,LIU Jianbo

(DepartmentofMachanicalandEnergyEngineering,ShaoyangUniversity,Shaoyang422000,China)

The current status of the ductile iron for piston pump wearing pieces was comprehensively reviewed in this paper.The effects of alloy elements on the abrasive resistance of the ductile iron,the mechanisms of the abrasive resistance of the ductile iron,and the application fields of the ductile iron for piston pump wearing pieces were discussed.Based on these discussions,the future development trend of the ductile iron for piston pump wearing pieces was proposed.

ductile iron; piston pump wearing pieces; the current status

1672-7010(2016)02-0108-04

2015-02-27

肖洪蓮(1989-),女，湖南岳陽人，邵陽學(xué)院2014級碩士研究生，從事材料加工研究

寧愛林(1956-)，男，博士，教授，研究生導(dǎo)師，從事金屬材料加工技術(shù)研究；E-mail:nal57@163.com

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