紡織機耐磨白口鑄鐵走針圈非正常磨損分析

姚 良，徐浩杰，陳 亮，劉 麗

（蘇州邁拓金屬檢測服務(wù)有限公司，江蘇 蘇州 215126）

0 引言

紡織機械上的走針圈所用材料為高鉻鑄鐵，是一種高碳、高鉻萊氏體鋼，鑄態(tài)下有共晶組織存在，由于高的含碳量和含鉻量，會形成大量的碳化物和高合金的馬氏體，使得零件具有高強度、高耐磨性。高鉻鑄鐵廣泛應(yīng)用于機械、冶金、采礦等行業(yè)，是重要的耐磨材料，相關(guān)文獻[1-5]對提高其耐磨性做了大量研究，如通過熱塑性變形、預(yù)處理淬火工藝或變質(zhì)處理從而獲得細小均勻分布的碳化物以提高耐磨性，但對其作為耐磨零件，從磨損的微觀機理角度出發(fā)進而提出改善耐磨性的方法卻很少有報道。

磨損部件在做產(chǎn)品測試時發(fā)現(xiàn)走針圈與針片接觸位置有非正常、快速的磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致織物走形，遠遠沒有達到產(chǎn)品設(shè)計的預(yù)期使用壽命。磨損走針圈生產(chǎn)工藝為鑄造成型，950 ℃淬火+400 ℃回火。外徑為300 mm，其與針片接觸位置為波浪形起伏形狀，相對運動關(guān)系為滑動摩擦。工作時，所有針片輪流沿磨損位置滑動經(jīng)過走針圈磨損區(qū)域，在走針圈的起伏面上坡位置均發(fā)現(xiàn)嚴重磨損。上坡位置也是走針圈與針片相互作用力較大的位置。在針片上對應(yīng)的接觸位置均發(fā)現(xiàn)類似的輕微磨損，但未見明顯尺寸變化。針片如圖1所示，其材質(zhì)為T10 鋼。為找到磨損原因，選取1 個使用良好的舊走針圈作對比，同時也對磨損與未磨損走針圈對應(yīng)的針片進行成分與金相、硬度分析。收集運行過程中含有磨損顆粒的潤滑油，對其進行相關(guān)試驗分析。

圖1 樣品及磨損部位照片F(xiàn)ig.1 Samples and wear location

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

經(jīng)宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，走針圈磨損面平滑，無顯著凸起或外來物附著，可見明顯的與針片運動方向一致的長條狀磨損痕跡，長條狀痕跡符合文獻[6]中關(guān)于磨粒磨損形成的表面切削形貌，其受力情況也與該文獻中描述的切削力相似，主要分布在上坡時的受力部位。針片無明顯變形，說明針片與走針圈的接觸應(yīng)力無異常。

1.2 化學(xué)成分分析

從2 個走針圈上切割樣品進行制樣，采用光譜及碳硫儀測定其成分，結(jié)果見表1。測試結(jié)果顯示，磨損樣品成分符合GB/T 8263—2010 中的耐磨白口鑄鐵牌號BTMCr12-DT 成分要求，但添加了V 元素；未磨損樣品成分除了C 偏高0.05%，其余元素均滿足BTMCr12-DT 成分要求，也添加了V 元素。不同的是，未磨損樣品的Ni、Mo 元素含量明顯高于磨損樣品，2 個樣品對應(yīng)的針片成分見表2，成分均符合GB/T 1299—2014 中關(guān)于T10 的成分要求，且針片成分沒有明顯區(qū)別。

表1 走針圈樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 Chemical composition analysis of ring samples (mass fraction/%)

表2 針片樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 2 Chemical composition analysis of needle samples (mass fraction/%)

1.3 金相檢驗

在磨損部位沿徑向取樣制作金相試樣，未磨損樣品在大致同等位置取樣，組織對比結(jié)果見圖2。磨損樣品的磨損區(qū)域以及未磨損樣品的對應(yīng)工作區(qū)域見紅色方框標(biāo)注，磨損樣品表面呈連續(xù)的凹坑狀，未磨損樣品表面平直，未觀察到磨損所致的凹坑。磨損所檢測的金相截面發(fā)現(xiàn)一處碳化物脫落，未磨損樣品表面未見明顯碳化物脫落現(xiàn)象。

圖2 磨損樣品與未磨損樣品組織比對Fig.2 Microstructure comparison of worn sample and unworn sample

磨損樣品對應(yīng)顯微組織為回火馬氏體基體及基體上分布的少量顆粒狀二次碳化物+網(wǎng)狀分布的大塊狀、長條狀和短棒狀共晶碳化物+少量殘余奧氏體。碳化物網(wǎng)大部分呈閉合的圓形或者橢圓形狀態(tài)，多數(shù)碳化物邊緣有明顯棱角，不圓滑，有的呈樹枝狀，網(wǎng)角處碳化物有聚集，按照GB/T 14979—1994 評級，碳化物不均勻度為6 級。未磨損樣品顯微組織為回火馬氏體基體及基體上大量均勻分布的顆粒狀二次碳化物+有沿枝晶間分布趨勢的小塊狀及短棒狀的共晶碳化物+少量殘余奧氏體，碳化物網(wǎng)狀分布不明顯，碳化物不均勻度為4級。GB/T 14979—1994 中第四評級圖中碳化物不均勻度6 級呈現(xiàn)明顯的網(wǎng)狀分布，且有較大塊狀碳化物，碳化物不均勻度4 級未形成封閉的網(wǎng)狀，但也呈一定的沿枝晶間分布趨勢，產(chǎn)品規(guī)范中未對金相組織作出明確要求。針片樣品組織均為細小均勻的回火馬氏體（圖3）。

圖3 磨損樣品與未磨損樣品對應(yīng)的針片組織比對Fig.3 Microstructure comparison of needles of worn sample and unworn sample

1.4 硬度試驗

分別在走針圈表面以及在針片橫截面做硬度測試，結(jié)果見表3、表4。磨損樣品和未磨損樣品的表面硬度基本一致，無明顯差距，符合規(guī)范要求的表面硬度≥HRC 62，2 個針片的橫截面維氏硬度結(jié)果也基本一致，轉(zhuǎn)換后的HRC 結(jié)果滿足≥HRC 50 的要求。

表3 走針圈樣品的表面硬度測試結(jié)果（HRC）Table 3 Surface hardness testing results of ring samples

表4 針片樣品的截面硬度測試結(jié)果Table 4 Cross section hardness testing results of needle samples

1.5 表面形貌微觀觀察

用掃描電鏡觀察樣品表面形貌，結(jié)果如圖4所示。可見，磨損走針圈的表面存在大量呈較長線狀分布的暗色磨損痕跡，相對運動方向見圖4a，其寬度約為2～5 μm 不等，同時發(fā)現(xiàn)磨損面上有大量不規(guī)則形狀或聚集小條狀分布的孔洞，孔洞的尺寸和分布與金相組織中的碳化物基本一致。部分基體上的碳化物呈現(xiàn)即將脫落的情況（圖4c）。未磨損走針圈的表面則未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損痕跡和孔洞，其碳化物與基體結(jié)合良好（圖4d）。

1.6 能譜分析

將收集到的潤滑油過濾分離出磨屑顆粒，利用能譜分析方法檢測顆粒的成分，同時也對掃描電鏡觀察到的表面分布的碳化物進行成分測定，結(jié)果見表5，測試位置見圖4c、圖5。潤滑油中的磨屑顆粒中含有少量Si 元素，可能是被測顆粒形狀不規(guī)則，很難徹底清洗干凈所導(dǎo)致。

表5 能譜分析測試結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 5 EDS analysis results (mass fraction/%)

圖4 樣品表面形貌SEM 觀察對比Fig.4 Observation comparison of worn and unworn samples

圖5 EDS 能譜測試位置Fig.5 EDS analysis positions

2 分析與討論

對走針圈分別進行了化學(xué)成分、金相組織、表面硬度分析。通過化學(xué)分析可知，磨損與未磨損走針圈的材料基本符合規(guī)范要求，未磨損的走針圈材料含有的Ni、Mo 合金元素含量明顯高于磨損的走針圈。Ni 元素可以提高材料的韌性和強化基體，Mo 元素的加入可提高鋼的淬透性，尤其可以細化晶粒，細化共晶碳化物[7-8]。磨損與未磨損的走針圈硬度測試結(jié)果相差不大。磨損及未磨損樣品對應(yīng)針片的成分和金相組織均無明顯差異，說明針片正常。從2 個走針圈的金相組織來看，未磨損走針圈的組織為回火馬氏體+小塊狀及顆粒狀均勻分布的碳化物和少量殘余奧氏體，碳化物不均勻度為4 級；磨損走針圈的組織為回火馬氏體+網(wǎng)狀分布的大塊狀或長條狀和顆粒狀碳化物加少量殘余奧氏體，碳化物不均勻度為6 級。眾所周知，在耐磨鋼中，碳化物的數(shù)量、形狀和分布對其耐磨性有顯著的影響[9-12]。分析比較來看，二者基體組織同為回火馬氏體，未磨損樣品的碳化物數(shù)量較多，網(wǎng)狀分布不明顯，多數(shù)網(wǎng)并未形成閉合，共晶碳化物基本呈短棒狀或圓形顆粒狀，同時有更多的細小顆粒狀二次碳化物均勻分布在回火馬氏體基體中；磨損樣品的碳化物網(wǎng)狀全部呈閉合狀態(tài)，呈現(xiàn)出圓形或者橢圓形的網(wǎng)，網(wǎng)的邊緣分布著塊狀或者長條狀共晶碳化物。多數(shù)共晶碳化物邊緣有明顯棱角，不圓滑，有的呈樹枝狀，回火馬氏體基體中只能找到少量細顆粒碳化物，這會降低基體對共晶碳化物的包裹和支撐作用，同樣條件下，會導(dǎo)致零件更容易磨損；而有棱角的碳化物相比圓滑的碳化物，具有更小的表面積，從而減少了與周圍馬氏體基體的接觸面積，降低了二者之間的結(jié)合力，加上碳化物尖角處更容易引起應(yīng)力集中，使得這種碳化物在同樣的受力條件下，更容易與基體剝落分離。

磨損面上發(fā)現(xiàn)大量不規(guī)則形狀或聚集小條狀分布的孔洞，孔洞的尺寸和分布與金相組織中的碳化物基本一致。將潤滑油經(jīng)過過濾，將收集到的顆粒清洗后做能譜分析，顆粒的成分中含有大量Cr、C、V 元素，為典型碳化物組成元素，可推測網(wǎng)狀分布的塊狀以及聚集分布的長條狀碳化物，在反復(fù)受到針片壓力和切向力的作用下，剝落部位形成對應(yīng)孔洞，部分基體上的碳化物呈現(xiàn)即將脫落的情況。結(jié)合磨損面上可見與針片運動方向一致的長條狀磨損痕跡，其寬度約為2～5 μm不等，與金相組織中觀察到的碳化物顆粒尺寸大致相近，推測剝落下來的碳化物作為磨粒參與了走針圈的磨損。加上針片與走針圈接觸時受到的沖擊力以及滑動過程中產(chǎn)生的壓力和切向力，可得出走針圈的磨損屬于典型的磨粒磨損，其中磨粒主要為碳化物。隨著磨損的繼續(xù)進行，會產(chǎn)生更多的磨料，導(dǎo)致非正常磨損的快速發(fā)生。

由以上分析可知，磨損樣品與未磨損樣品的主要差異在于化學(xué)成分和金相組織。共晶碳化物的數(shù)量和形狀受化學(xué)成分影響，當(dāng)成分配比合適，共晶碳化物呈短棒狀，鑄鐵的耐磨性和韌性都有所改善[7]。通常，基體組織通過“脫穩(wěn)處理”獲得回火馬氏體+析出的顆粒狀彌散分布的二次碳化物，可以牢固地包裹和支撐起耐磨作用的共晶碳化物，使其不易脫落，從而提高耐磨性。磨損樣品的成分中缺少可以細化碳化物顆粒的Mo 元素，缺少可以提高材料韌性的Ni 元素，基體組織也沒有得到很好的脫穩(wěn)處理，所以其耐磨性低于未磨損樣品，發(fā)生早期磨損失效。

3 結(jié)論及建議

1）針片與走針圈的磨損屬于磨粒磨損，形成磨粒磨損的原因主要是走針圈的碳化物剝落形成磨粒導(dǎo)致磨損。

2）剝落原因是碳化物呈大顆粒網(wǎng)狀分布、長條狀聚集分布，有明顯棱角，降低了其與基體的結(jié)合力且容易形成局部應(yīng)力集中，另外，馬氏體中的二次碳化物顆粒數(shù)量偏少使得馬氏體基體對共晶碳化物的包裹支撐能力降低，共晶碳化物在受到反復(fù)的多重力作用下導(dǎo)致剝落，從而形成磨粒磨損。

3）建議調(diào)整鑄造時的化學(xué)成分配比，適量填加Ni、Mo 元素，鑄造后做脫穩(wěn)處理，得到桿狀分布的共晶碳化物及含有彌散分布的二次碳化物馬氏體基體組織，從而提高零件的耐磨性能。