振动频率对消失模铸造高铬铸铁组织与性能的影响

 邹文奇1,2  杨  浩1,3  李  卫1,3

[1.暨南大学材料科学与工程系；2.广东省东莞市质量监督检测中心（国家模具产品质量监督检验中心）；3．暨南大学韶关研究院]

摘要研究了振动频率对消失模铸造高铬铸铁件中非金属夹杂物含量、显微组织、硬度及冲击吸收功的影响。结果表明，振动能明显细化高铬铸铁的显微组织，当振动频率为50 Hz时细化效果最明显；振动显著降低非金属夹杂物含量，当振动频率为30 Hz时降低幅度最大；硬度随振动频率的增加而提高；冲击吸收能量的变化与非金属夹杂物变化趋势正好相反，当振动频率为30 Hz时最高。

 关键词  高铬铸铁；振动频率；消失模铸造；显微组织

 中图分类号  TG249.6；TG113. 25  DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 017

 消失模铸造具有设计灵活、铸造精度高、能实现清洁生产和降低投资生产成本等优点，但是由于干砂的传热速率较低，导致铸件冷却和散热较慢，因此铸件晶粒要比砂型铸造的粗大，致密度也较低，力学性能也低于砂型铸造生产的铸件，尤其是高铬铸铁等耐磨铸件的使用寿命较低，给国内外消失模铸造生产带来了极大的困扰。

 振动浇注可细化铸件凝固组织、降低残余应力、提高产品的力学性能和耐磨性。振动频率对铸件组织及性能的影响较大。因此，针对消失模铸造的不足，同时结合消失模铸造的实际生产，本课题研究了振动频率对消失模铸造高铬铸铁显微组织与性能的影响，旨在对高铬铸铁的实际生产提供参考。

1  试验材料和研究方法

1.1试验材料

 高铬铸铁常被用于制作球磨机磨球和衬板，立磨磨辊和磨盘，反击破板锤，抛丸机叶片，管道，渣浆泵过流件等耐磨件。试验所用高铬铸铁成分见表1。

1.2研究方法

 试验选择的铸型振动方式为垂直振动，偏心块的夹角为900，在此振动条件下，其振幅为0. 32 mm，振动频率分别为30、40、50 Hz。

 (1)材料的制备  利用同一炉铁水，分别在无振动和不同振动频率下浇注，获得成分相同的试样。铁水浇注时就开始振动，结合金属凝固理论以及工厂的实际生产，最终确定振动时间为3 min。

 (2)硬度测试在试块相同部位，截取相同尺寸的试样，将上下表面打磨平整，在HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计上测洛氏硬度，取4个点的平均值。

 (3)显微组织观察  在试块相同部位截取相同尺寸的试样，经过粗磨、细磨、抛光后，采用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀，使用DMI3000型莱卡显微镜观察合金组织形貌，同时测得试样非金属夹杂物所占体积分数。

 (4)冲击吸收能量测试  通过线切割机在试块上分别截取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的无缺口试样，见图1，在JB-30型冲击试验机上进行冲击试验。

2  试验结果与讨论

2.1  振动频率对铸态高铬铸铁显微组织的影响

 铸态高铬铸铁非金属夹杂物情况见图2。可以看 出，无振动的普通浇注时非金属夹杂物聚集成块，且含量较多，经振动后非金属夹杂物弥散分布，且含量明显减少，但是当振动频率为40 Hz时，还有少量非金属夹杂物聚集成块。

 经图像分析仪软件分析测得非金属夹杂物体积分数见图3。从图3可以看出，经过振动后非金属夹杂物在基体中的含量明显降低，且分布更均匀。不同振动频率非金属夹杂物含量为：40 Hz>50 Hz>30 Hz，且振动频率为30 Hz和50 Hz时，非金属夹杂物的分布更均匀。

当振动频率为30 Hz时，非金属夹杂物的减少效果最明显。

 振动频率对铸态高铬铸铁金相组织的影响见图4。可以看到，铸态高铬铸铁组织以奥氏体为基体，基体上分布有六角形的初生碳化物（一次碳化物）和条状的共晶碳化物。将不同振动频率的金相组织做对比分析发现，经过振动后，碳化物明显细化，且不同振动频率高铬

铸铁碳化物大小比较结果为：普通>40 Hz>30 Hz>50 Hz。当振动频率为50 Hz时，对铸态组织细化效果最明显。

2.2振动频率对高铬铸铁硬度和冲击吸收功的影响

 对铸态高铬铸铁进行硬度测试，其结果见图5。可以看到，振动后高铬铸铁硬度明显高于普通砂型浇注的硬度。这是由于振动使高铬铸铁的组织得到细化，因此硬度有明显提高。

 不同振动频率下铸态高铬铸铁冲击吸收功见图6。可以看出，经过振动后高铬铸铁的冲击吸收功都有提高，这是由于振动后高铬铸铁的晶粒细化。

 对比图3和图6可知，非金属夹杂物含量高的材料其冲击韧度低。可以发现，这是由于非金属夹杂物在材料中是裂纹源，当其含量高时，更容易产生裂纹，从而导致材料的冲击韧度降低。

 对不同振动频率铸态高铬铸铁的冲击断口进行扫描分析，见图7。可以看出，当放大倍数较低时，普通砂型浇注的冲击断口可以看到一些河流花样，振动频率为40 Hz时也能看到少量河流花样，而在振动频率为30Hz和50 Hz时，基本上看不到这种形貌。当将放大倍数提高后，发现裂纹沿河流棱状方向延伸。这是由于振动后，晶粒细化，晶界增多，阻碍位错滑移和裂纹扩展。

 综上所述，高铬铸铁在冷却凝固过程中，通过增加机械振动，金属液的运动速度提高，已长大的枝晶，由于受到金属液的冲刷作用，被打断、振碎，形成新的细小晶粒；同时，液态金属的剧烈运动，增大过冷度，有利于形成新的晶核。因此，在振动浇注下，高铬铸铁的铸态组织明显细化，力学性能得到改善。

3  结  论

 (1)铸态高铬铸铁组织以奥氏体为基体，基本上分布着呈六边形状的初生碳化物和呈条状分布的共晶碳化物。经过振动浇注后，铸态组织明显细化，且当振动频率为50 Hz时细化效果最显著。

 (2)经过振动浇注后，高铬铸铁的非金属夹杂物分布更加均匀且数量明显降低，当振动频率为30 Hz时降幅最大。

 (3)振动浇注后铸态高铬铸铁硬度都有明显提高，且随振动频率的增加硬度逐渐提高；冲击吸收功也有明显提高，其变化趋势与非金属夹杂物的变化趋势正好相反，当振动频率为30 Hz时，冲击吸收功最大。