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耐磨铸钢件失效的原因分析2018/7/18 13:34:09

 1消失模表面铸渗工艺

  1.1消失模铸渗工艺过程

  消失模铸渗工艺过程为:用聚苯乙烯(EPS)泡沫塑料制备试样模型(模型尺寸为20mm30mm100 mm),将配好的耐磨涂料均匀涂于模型表面,耐磨涂层厚度为6mm,干燥后将涂有耐磨涂料的模型与浇注系统组合,涂耐火涂料并干燥,埋入干砂中震实,在真空状态下浇注钢水。浇注时EPS模型在高温下分解气化,产物在负压作用下逸出,而钢水与模型表面的耐磨涂料层产生热作用,相互扩散,渗透,随着钢水的冷却凝固,形成表面复合材料铸钢。

  1.2铸渗工艺参数

  铸钢的基体材料为35号钢,浇注温度为1600,真空度为0.05MPa.

  2铸渗涂料及铸渗层

  2.1铸渗用耐磨涂料的试验方法

  耐磨涂料的主要组成有WC陶瓷颗粒,铬铁,EPS颗粒,添加剂,粘结剂。铸渗后WC作为硬质颗粒均匀分布于渗层中可提高表面耐磨性;铬铁(60%的Cr,粒度为0.074mm)溶于渗层中具有固溶强化作用;EPS采用预发过的粒度为0.84mm的颗粒,在铸渗过程中气化,可提供铸渗通道,利于铸渗;添加剂为自配合金剂,可细化组织;粘结剂为12%的聚乙烯醇溶液,将耐磨涂料中各种固体组分粘结在一起。

  取固体粉末搅拌均匀,然后加入体积分数为35%的聚乙烯醇溶液粘结剂,并充分混合成膏状涂料。用平刀将涂料涂抹在试样模型上,涂料层厚度为6mm,放置于干燥室内干燥后组模,等待进行消失模铸渗。

  WC的粒度如果太小,铸渗时与钢水作用而熔化消失,太大时影响工件表面粗糙度,且对钢水的激冷作用大,不易熔合,故选取0.16mm,0.21mm,0.34mm3种粒度的WC进行试验。WC的含量要充足,选取45%,55%,65%进行试验。铬铁的加入量太少时固溶强化效果差,但加入量过大,易在渗层中形成偏析,因此选取铬铁含量为0,5%,8%.为研究WC粒度,WC含量,铬铁含量对渗层的影响,采用表1的配方进行对比试验。

  2.2铸渗层组织,性能测试

  采用BM4XC型金相显微镜观察渗层断面的组织;采用HB150A型布氏硬度计测试渗层的硬度,钢球直径为10mm,载荷为30kN,测试位置为渗层表面;在ML100磨粒磨损试验机上测试渗层的耐磨性,磨盘采用360号SiC砂纸,工作载荷为18N,磨盘转速为60 r/min,试样进给量为4mm/r,进给循环为20次,磨损试样的规格为6mm25mm.

  3试验结果分析

  3.1铸渗层的组织

  铸渗层的组织为珠光体和少量铁素体的基体上均匀分布着WC颗粒,渗层区的平均厚度为5.2mm.说明铸渗过程中涂料层基本无冲散,铸渗时主要是钢水向涂层中渗透,而渗层主要成分向基体的扩散程度不大。与35号钢铸态组织相比,渗层中珠光体含量较多,铁素体含量较少,是由于渗层冷速较大,且含有较多Cr等合金元素,使奥氏体在冷却过程中转变的铁素体较少。渗层组织中WC颗粒的边缘清晰,是因为WC的熔点高,且在钢水中的化学稳定性较高,在铸渗过程中高温熔化和分解现象不明显,因此WC颗粒与周围基体的结合较紧密。

  3.2铸渗层的硬度

  7种配方的铸渗层硬度(HBS)均大于350,均超过基体的硬度。这是由于WC颗粒本身具有高硬度,其分散于渗层中可分担一部分载荷,提高其硬度,此外,WC颗粒的存在,使其周围渗层的位错运动和塑性变形受到阻碍,也可使硬度提高。

  6号和7号配方中由于WC的粒度较小,使得渗层硬度较低,而1~5号配方中WC的粒度较大,为0.34mm,故硬度相对较高,特别是3号和5号配方的硬度最高,分别为490和475,是基体硬度的1.7倍左右。这是因为3号,5号配方中铬铁含量为8%,较多的Cr固溶于表面层中,具有较好的固溶强化效果;另外,由于3号和5号配方中WC的含量较高,分别为55%和65%,高于4号配方,故它们的硬度较高。

  3.3铸渗层的耐磨性

  铸渗层的耐磨性远高于35号钢,这是因为铸渗层中均匀分布的高硬度WC颗粒及大量珠光体组织,可提高渗层的硬度,从而提高渗层的耐磨性;另外,高硬度的WC颗粒作为抗磨相可帮助基体承担部分载荷,减少渗层直接参与摩擦磨损的过程,从而减少渗层的磨损;还有WC颗粒与周围基体的结合较紧密,在磨损过程中不易脱落,可保持渗层的高耐磨性。特别是5号和3号配方试样,它们的磨损系数分别是9.804和9.346,而基体的磨损系数只有3.300,故5号和3号试样的耐磨性分别是35号钢的2.97倍和2.83倍。这是因为5号和3号配方试样中WC颗粒含量较高,硬度较高,对渗层的强化及支撑作用较大,故耐磨性较高。

  由铸渗层的硬度及耐磨性试验结果可知,3号和5号配方的性能优良,因此可确定出耐磨涂料的最佳固体组分配方(体积分数)为:WC(粒度为0.34mm,为55%~65%,铬铁为8%,添加剂为1%,余量为EPS颗粒。

  4结论

  (1)表面复合材料铸钢铸渗用耐磨涂料的合理配方为:WC粒度为0.34mm,体积分数为55%~65%,铬铁体积分数为8%,添加剂为1%,余量为EPS颗粒。

  (2)渗层区的组织为珠光体,少量铁素体和WC颗粒,渗层中WC颗粒的分布基本均匀,WC边缘清晰,熔化分解较少。渗层区的厚度为5.2mm.  (3)铸渗层具有较高硬度及耐磨性的主要原因为渗层中含有均布的与周围基体结合较紧密的高硬度WC颗粒,而且含有较多的珠光体组织。


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