葉輪用高韌性耐磨材料及工藝研究

石家莊工業泵廠有限公司 （河北 050100） 貢海亭

泥漿泵中主要過流部件不但要承受海（河）水的腐蝕和泥沙磨損，有時還要遇到鵝卵石、破碎巖石嚴重沖擊的惡劣工況。由此要求過流部件（尤其是葉輪）的材料既要有一定的耐蝕性、耐磨性，又要有較高的韌性。以往泥漿泵過流部件多使用高鉻鑄鐵材料，其洛氏硬度控制在58HRC以上，沖擊韌度在5～7J/cm2，其耐磨性能優良，但韌性不足。尤其是大型泥漿泵處在絞吸鵝卵石、破碎巖石工況時，由于材料韌性低、脆性大，葉輪極易受到強烈沖擊發生開裂。國內近幾年建造的大型挖泥船，使用的泥漿泵多依賴國外進口。由此，為促進大型泥漿泵國產化進程，研制一種適應高韌性、高抗磨性的特殊工況新材料具有重要意義。

石家莊工業泵廠有限公司承擔了某航道局900口徑大葉輪的制造訂單。葉輪實體數據：直徑2300mm、流道寬度500mm、3葉片、凈重4850kg。性能主要指標要求：硬度>55HRC、沖擊韌度>10J/cm2。

一、研究思路

高鉻鑄鐵（抗磨白口鑄鐵）是金屬抗磨材料的一個大類別，組織為馬氏體基體支撐著高硬度、高抗磨蝕的M7C3型碳化物。在其基本基體不變的情況下合理調整成分，以期望在較高硬度情況下，得到較高韌性的材料。設想在高鉻鑄鐵中加入鎳、銅元素，在增加淬透性的同時，增加奧氏體的含量，雖使鑄鐵的硬度和耐磨性能略有降低，但可突出增加材料韌性。

二、材料成分設計與熔煉

1.主要成分確定

（1）碳含量 碳對高鉻鑄鐵的組織和性能影響很大，如碳化物數量、硬度和韌性。含碳量越高，硬度越高，耐磨性能也越好，但沖擊韌度值下降。因此選wC＝1.8%～2.4%。

（2）鉻含量 鉻是高鉻鑄鐵的主要合金元素，鉻除與碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奧氏體中，提高淬透性，且淬透性隨Cr/C增加而提高。故選取wCr＝20%～27%。

（3）銅含量 銅能細化碳化物，并使之呈現不連續狀，增強鑄件韌性，還能抑制珠光體的形成，提高基體的電極電位，提高鑄件抗氧化、腐蝕能力，并能增加淬透性，選取wCu＝0. 5%～1.5%。

（4）鎳含量 鎳不溶于碳化物，全部進入基體，可提高淬透性，增強材料韌性。選取wNi＝2.0%～3.0%。

高韌性耐磨材料具體化學成分見附表。

耐磨材料化學成分（質量分數） （%）

2.配料和熔煉

原材料使用普通碳素廢鋼、鉻鐵、純銅及鎳板等。使用中頻感應電爐熔煉，倒入保溫爐保溫，出爐溫度在1520℃以上，兩包同時澆注，澆注溫度在1380～1400℃。

三、工藝設計要點

1.鑄造工藝

根據試驗測得的材料收縮率，確定鑄件縮尺為2.1%，按順序凝固原則設計鑄造工藝，采用呋喃樹脂砂造型，刷醇基鋯粉耐火涂料。由于葉輪蓋板和輪轂壁厚相差懸殊，成形困難，為了保證鑄件整體質量，在輪轂頭處設置兩個腰圓形發熱冒口，在后蓋板和每個葉片交匯處各設置一個發熱冒口，冒口底部配置有縮頸的易割片，其工藝如圖1所示。從前后蓋板分兩層進行澆注，尤其注意加強冒口補縮效果，要進行二次點冒口，并輔置發熱覆蓋劑，延長高溫補縮時間，以確保鐵液量足和順序凝固。為了避免開裂，葉輪澆注后2～2.5h松開卡箱螺栓，根據季節需要一般在7～10天后打箱。去除腰圓形冒口，在垂直于冒口底部處用鉆床打孔若干后，撞擊脫落。

圖1 鑄造工藝

2.熱處理工藝

采用常規的高溫空淬+低溫回火工藝，實物葉輪附帶連體試塊20mm×20mm×120mm無缺口進行測試。鑄態組織為奧氏體＋碳化物＋少量馬氏體，硬度為40HRC左右。最終熱處理態組織為回火馬氏體+碳化物+少量殘留奧氏體，硬度在55HRC左右，沖擊韌度>10J/cm2。因葉輪尺寸較大，且有些部位壁厚相差懸殊，所以升溫過程要緩慢，以防鑄件開裂。

葉輪熱處理出爐狀態如圖2所示，材料鑄態金相顯微組織如圖3所示，熱處理后金相顯微組織如圖4所示。

圖2

圖3

圖4

四、結語

（1）通過調整碳含量及Cr/C比，并加入適量的鎳、銅等合金元素，可使材料沖擊韌度達到10J/cm2以上。

（2）通過適宜的熱處理工藝，使鑄件硬度達到55HRC以上。

（3）通過某航道局現場工業性試驗，過流部件的使用壽命達到了國外同類產品的水平，滿足了用戶工況要求，且價格大幅降低，取得了顯著的經濟效益和社會效益。