耐磨泵體鑄件的生產(chǎn)工藝分析

柯志敏，陳鵬輝

（1.廣東中天創(chuàng)展球鐵有限公司，廣東英德 513042；2.廣東省高性能大型鑄件制造及模擬工程技術(shù)研究中心，廣東英德 513042）

泵體是泵送系統(tǒng)中主要的零部件，用在礦山機械設(shè)備中的泵送系統(tǒng)，由于泵送介質(zhì)中含有硬質(zhì)的顆粒物，在泵送過程中，由于渦流離心和重力作用，使得高密度硬質(zhì)顆粒物緊貼腔壁運動，從而對過流部件內(nèi)壁造成沖刷，摩擦損傷很大。另外，受介質(zhì)腐蝕性、氣蝕、電化學反應等因素影響，造成泵送系統(tǒng)性能低下或失效。基于各種失效模式分析，對材料的選用方面需要全面考慮，使泵送系統(tǒng)零部件具有硬度高、耐磨、韌性好成本可控等特點，達到穩(wěn)定泵送系統(tǒng)性能，提高使用壽命的目的。

1 泵體鑄件的技術(shù)要求

耐磨泵體鑄件重量為5 460 kg，外形尺寸為2 814 mm×3 067 mm×650 mm，主要壁厚55 mm，泵體鑄件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其材質(zhì)牌號為QT600-3A，要求附鑄試塊抗拉強度≥600 MPa，延伸率≥3%，硬度190 HB～240 HB，基體組織為以珠光體為主，金相組織球化級別不低于2 級，即球化率大于90%.由于泵體惡劣的工作環(huán)境，還要保證泵體的耐磨性能。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

2 泵體鑄件生產(chǎn)技術(shù)難點分析

泵體使用過程中高密度硬質(zhì)顆粒物緊貼腔壁運動，從而對過流部件內(nèi)壁造成沖刷，摩擦損傷很大，所以需要泵體本身具有高的耐磨性能。耐磨球鐵主要由合金化和熱處理來獲得，而等溫淬火球墨鑄鐵ADI 最具代表性，該球鐵特有的奧貝體基體的耐磨性比鋼更好，但為了降低成本考慮，往往是在球鐵中通過加入某些合金元素以形成一定數(shù)量的硬化相來獲得鑄態(tài)時的耐磨性能。

影響材料耐磨性的主要因素有:

1）硬度。金屬材料的耐磨性通常由材料的硬度來衡量，硬度高物料壓入材料表面的深度就淺，切削產(chǎn)生的磨屑體積就小，即磨損就小，耐磨性就高，所有一般能提高硬度的方法也能提高材料的耐磨性。

2）塑性和韌性。塑性和韌性高說明材料可吸收的能量大，裂紋不易形成和擴展，材料承受反復變形能力大，不易形成疲勞剝落，即耐磨性好。

3）強度。磨損過程中，金屬基體強度高，可以對抗磨硬質(zhì)相提供良好的支撐，充分發(fā)揮抗磨硬質(zhì)相抵抗磨損的能力，使耐磨材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。在相同硬度下，高強度耐磨材料具有更好的耐磨性。

4）夾雜物等冶金缺陷。鑄件的非塑性夾雜物等冶金缺陷，對疲勞磨損有嚴重的影響。氮化物、氧化物、硅酸鹽等帶棱角的質(zhì)點，在受力過程中，其變形不能與基體協(xié)調(diào)而形成空隙，構(gòu)成應力集中源，在交變應力作用下出現(xiàn)裂紋并擴展，最后導致疲勞磨損早期出現(xiàn)。

所以生產(chǎn)泵體鑄件在保證球化合格的前提下，不僅要保證其力學性能滿足一定的要求，特別是強度、硬度、塑性和韌性等性能，而且還要保證泵體鑄件沒有夾渣、氣孔、縮松、縮孔等缺陷，以此來保證泵體鑄件的耐磨性能。

3 鑄造工藝

造型用砂采用呋喃樹脂砂，控制砂型（芯）24 h強度σb≥1.0 MPa；造型用砂箱剛性要好，鑄型吃砂量要夠大，保證鑄型整體剛性。采用半封閉式加過濾器底注式澆注系統(tǒng)，保證澆注平穩(wěn)并防止鐵水中夾渣進入。澆注系統(tǒng)各單元截面積比例為F直∶F橫∶F內(nèi)=1.16∶1.08∶1，過濾器尺寸為150 mm×150 mm×30 mm，鑄造工藝及澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 鑄造工藝

4 熔煉工藝

4.1 C、Si 選擇

對于耐磨泵體鑄件，C 含量的選擇既要保證充分的石墨化的要求，又要考慮到鑄造過程中發(fā)生石墨漂浮的風險，為此選擇ω（C）為3.65%～3.80%；Si 強烈促進石墨化，細化石墨球和增加石墨數(shù)量可顯著提高產(chǎn)品性能，但其含量過高，又會急劇惡化產(chǎn)品的韌性，特別是在磷高的條件下，使固溶的磷量降低，導致磷共晶的數(shù)量增多，從而降低材質(zhì)的韌性，固將泵殼體的ω（Si）控制在2.20%～2.40%.

4.2 Mn、P 選擇

Mn 與Si 相反，能抑制石墨化，促進碳化物的形成，降低產(chǎn)品的韌性，耐磨球墨鑄鐵隨著錳含量的增多，首先表現(xiàn)為硬度的提高，這是由于錳使鐵素體和珠光體的含量減少，而貝氏體量增加所致。當錳含量繼續(xù)增加時，奧氏體和馬氏體逐漸增加，由于奧氏體的增加硬度值有所下降。但Mn 可穩(wěn)定奧氏體，提高淬透性。綜合考慮，將泵殼體的ω（Mn）控制在0.50%～0.60%.因為P 的偏析傾向，加之泵體鑄件對韌性的要求，所以要對P 進行嚴格的控制，要求ω（P）≤0.030%.

4.3 Mo、Cu 的選擇

Mo 少量溶解于鐵素體，強化基體，細化晶粒，均勻組織，提高淬透性，提高硬度，細化珠光體從而提高球墨鑄鐵的耐磨性。Mo 提高強度的作用要比Mn 和Cu 明顯得多，但過高會形成碳化物偏析于晶界或晶內(nèi)難以消除，影響塑、韌性，對于泵體鑄件將ω（Mo）控制在0.25%～0.35%.

Cu 細化晶粒和石墨球，提高等溫轉(zhuǎn)變溫度，延緩轉(zhuǎn)變過程，促進淬透性，有益于穩(wěn)定珠光體，顯著提高產(chǎn)品的強度和硬度。但過高也會帶來負面影響，使材料斷后伸長率明顯下降，而此時基體中珠光體的含量變化不大。綜合考慮，泵殼體中ω（Cu）量控制0.50%～0.60%.

確定泵體鑄件的化學成分如表1 所示。

表1 耐磨泵體鑄件主要元素化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

5 球化及孕育處理

5.1 球化處理

選擇堤壩式球化包沖入法的球化方式，選用含鎂質(zhì)量分數(shù)5%～6%、含稀土質(zhì)量分數(shù)0.4%～0.6%的混合稀土球化劑，球化劑加入質(zhì)量分數(shù)為1.20%～1.30%，使用爐前碳硅分析儀檢測原鐵水碳、硅成分，并根據(jù)分析儀所測結(jié)果調(diào)整ω（C）為3.65%～3.80%，ω（Si）為1.40%～1.60%，并將鐵水溫度升溫至1 440 ℃～1 460 ℃左右時出水球化，控制出水量。澆注溫度控制在1 370 ℃～1 390 ℃.

5.2 孕育處理

球化處理后鐵液的過冷度大，以優(yōu)質(zhì)廢鋼+增碳劑（ω（C）≥98.5%，ω（S）≤0.030%，ω（N）≤0.025%）的熔煉工藝所產(chǎn)生的自發(fā)晶核少、鐵液過冷度大、石墨化能力差，加之耐磨泵體鑄件因為需要獲得強度和硬度等性能，所以孕育要適量孕育，一方面防止形成碳化物，另一方面還要防止強化孕育導致出現(xiàn)大量的鐵素體，所以確定如下孕育處理工藝：在包底加入質(zhì)量分數(shù)0.40%～0.50%的孕育劑，澆注過程使用專用漏斗加入0.10%～0.15%質(zhì)量分數(shù)、0.2 mm～0.7 mm 粒度的長效孕育劑。

6 試樣制備

生產(chǎn)中澆注了3 件泵體鑄件，分別取3 塊附鑄試塊，3 塊附鑄試塊的編號分別為Y30-1、Y30-2、Y30-3，附鑄試塊尺寸為180 mm×30 mm×85 mm，加工取得試塊85 mm 方向上的20 mm 后，將其加工成如圖3 所示的試棒尺寸，檢查力學性能和金相組織，并對試塊進行濕法分析，獲取各試塊的化學成分。力學性能采用WA-600KD 型電液式萬能試驗機測試；φ20 mm×15 mm 試棒金相采用XJG-05 大型顯微鏡檢查組織；用TH110 里氏硬度計測量試塊硬度。

圖3 拉伸試棒尺寸

7 結(jié)果與分析

經(jīng)檢測各附鑄試塊化學成分如表2 所示，力學性能如表3 所示，附鑄試塊Y30-2（代表）金相組織如圖4 所示，檢測結(jié)果見表4.

表2 附鑄試塊的化學成分

表3 附鑄試塊力學性能

從附鑄試塊的力學性能來看，耐磨泵體鑄件的三塊附鑄試塊的力學性能均滿足QT600-3 的技術(shù)要求，抗拉強度均大于600 MPa，試塊硬度也符合鑄件的硬度要求，而且屈服強度也有相應增加，在保證強度的前提下獲得大于3%的延伸率；從金相組織來判定，泵體鑄件的三塊附鑄試塊球化級別均為2 級，石墨大小都是6 級，基體珠光體組織均大于70%，鑄態(tài)下完全符合牌號為QT600-3 的力學性能和金相基體組織要求。

表4 附鑄試塊金相基體組織評價結(jié)果

三件泵體鑄件機加后沒有發(fā)現(xiàn)縮松縮孔、氣孔、夾渣等缺陷，客戶使用后泵體鑄件耐磨程度和使用壽命明顯增加。

8 結(jié)論

對泵體鑄件使用工況的分析，確定泵體鑄件的化學成分，通過嚴格的生產(chǎn)過程控制、使用高品質(zhì)球化劑球化處理及適當?shù)脑杏幚砉に嚕瑫r結(jié)合合理的鑄造工藝等措施，生產(chǎn)出具有耐磨性更優(yōu)異、使用壽命更長的合格泵體鑄件，完全滿足客戶的使用要求。

圖7 Y30-2 附鑄試塊金相組織