锰含量对铸造CADI磨球组织与性能的影响

王井会，王景荣，李佳颖，宋开红，姜延飞

（1.承德荣茂铸钢有限公司，河北承德 067601；2.河北工业大学材料学院，天津 300401；3.河北省耐磨金属铸造技术创新中心，河北承德 067601；4.高性能铁基耐磨材料河北省工程实验室，河北承德 067601）

磨球作为矿山、冶金行业的一种消耗较大的研磨体，不仅需要很好的耐磨性，还要有一定的冲击韧度，保证磨球在使用中不发生破碎。CADI（含碳化物奥铁体球墨铸铁）磨球因其优良力学性能及很好的耐磨性已经成为矿山、冶金等行业主要耐磨产品之一。CADI磨球的关键是保证耐磨性的同时，在使用过程中不破碎，国内外科研人员在各合金元素和热处理工艺等方面对CADI组织性能的影响方面做了大量研究[1-4]，作者结合公司生产的CADI磨球，做了锰含量对CADI组织及磨球综合力学性能影响的研究，通过合理的设计化学成分及热处理工艺，能够得到具有良好的综合力学性能的CADI磨球，能很好地将磨球硬度和冲击韧度结合在一起，既能使磨球有很好的耐磨性，又有一定的冲击韧度，使磨球在使用中不发生破碎。

1 试样制备

试样的化学成分如表1所示。按照成分配比，采用500kg中频感应电炉熔炼，铁水出炉温度1500～1520℃，采用铁水包内冲入法进行球化处理，球化剂选用稀土镁硅铁合金，加入量1.5%；孕育处理采用冲入法在铁水包和中间包两次孕育，铁水包加入0.8%，中间包加入0.5%，孕育剂选用含钡硅铁合金。经过处理的铁水浇入ø120mm磨球的金属型模具成型。热处理前后分别对不同锰含量的ø120mm磨球，用线切割在磨球的中心部位抽取各种检测用试样。

表1 试样化学成分 ωB/%

2 试验方法

随机选取不同成分的5个磨球进行热处理，采用箱式电阻炉加热，经过900℃奥氏体化保温3小时，放入260℃盐浴炉内等温2小时，出炉空冷至室温。用线切割在ø120mm磨球的中心部位抽取检测冲击韧度、洛氏硬度、磨损试验的试样，每种试样取5只。冲击试验选用设备型号为JWB-300Y，冲击试样为尺寸10mm×10mm×55mm的无缺口试样，试样冲击点取在磨球的二分之一半径处。硬度测试的设备型号为洛氏硬度计HRS-150，测试试样尺寸为10mm×10mm×120mm。磨损试验选用MLS-225型干湿橡胶轮式磨损试验机，磨损试验的试样尺寸为57mm×25.5mm×6mm，试样中心切取位置为磨球的二分之一半径处。试验时向试验机中加入1500克细石英砂（40～70目）与1000毫升水，试验中施加的载荷为210N，主轴转速240r/min，旋转3000转后取下超声清洗，采用电子分析天平称重，每组试样测试6个，取失重平均值。金相组织分析用试样的切取位置为磨球的二分之一半径处，砂纸打磨并抛光后使用4%硝酸酒精腐蚀，碳化物含量采用图像分析法测量，每个试样选取5个视场图像的平均值。

3 试验结果及分析

3.1 锰含量对CADI铸态显微组织的影响

图1 不同锰含量磨球的铸态显微组织

表2 不同锰含量试样的碳化物含量 ωB/%

图1为5种锰含量磨球的铸态显微组织的金相照片。由照片可以看出铸态组织均为珠光体+球状石墨+碳化物，随着锰含量的增加碳化物含量也不断增加（如表2和图2所示），因为锰能促进形成碳化物和珠光体，增大白口倾向，降低CADI材料的冲击韧度，但锰也是增加奥氏体稳定性、扩大奥氏体化温度区域的元素，提高淬透性，对于大直径磨球的整体淬透性是有利的，所以对于大直径的磨球要有足够的锰含量。

3.2 锰含量对CADI热处理后显微组织的影响

图2 锰含量对CADI组织中碳化物含量的影响

图3为5种锰含量磨球经等温淬火后显微组织的金相照片。由照片可以看出热处理后的显微组织均为：奥铁体（富碳奥氏体和针状铁素体）+球状石墨+碳化物，但因锰含量不同，5种材料中各组织占比不同，随着锰含量的增加组织中碳化物含量增加，而锰含量由2.32%增加到2.58%时碳化物含量增加明显，碳化物形态也变得粗大。

3.3 锰含量对CADI材料力学性能的影响

3.3.1 锰含量对硬度与冲击值的影响

表3为5种锰含量CADI磨球热处理后试样的硬度和冲击韧度测试结果。由表3可以看出随着锰含量的增加，试样表面硬度有所增加，而1#、2#、3#试样因锰含量相对低，淬透性较差，磨球心部与表面硬度差大，而4#、5#试样锰含量更高，淬透性好，磨球心部与表面硬度差小。随着锰含量的增加，组织中碳化物含量增加，致使5个试样的冲击韧度不断降低，特别是5#试样冲击韧度急剧下降。

表3 试样硬度和冲击韧度测试结果

3.3.2 锰含量对磨损性能的影响

图4给出了锰含量变化对磨损失重的影响关系曲线。由图4可以看出1#、2#、3#、4#试样随着锰含量的增加，磨损失重减小，这是因为随着锰含量的增加，CADI材料的硬度提高，组织中碳化物含量增加，所以耐磨性也不断提高。而5#试样随着锰含量达到2.58%时，耐磨性却比4#试样降低很多，这是因为过多的Mn使得组织中的碳化物含量过多，而且碳化物形态变得粗大，在磨损过程中容易剥落，反而使其耐磨性下降。

图4 锰含量对耐磨性的影响

4 结论

（1）随着锰含量的增加，CADI磨球的铸态组织中碳化物的含量不断增加，而且形态变得越来越粗大。

（2）Mn可以提高磨球的淬透性，经过900℃奥氏体化保温3小时，260℃盐浴等温2小时热处理后，含锰量2.32%的试样，表面硬度59HRC，心部硬度55HRC，冲击韧度16J/cm2，综合性能最好。