振動頻率對消失模鑄造高鉻鑄鐵組織與性能的影響
鄒文奇1,2 楊 浩1,3 李 衛(wèi)1,3
[1.暨南大學材料科學與工程系；2.廣東省東莞市質量監(jiān)督檢測中心（國家模具產品質量監(jiān)督檢驗中心）；3．暨南大學韶關研究院]
摘要研究了振動頻率對消失模鑄造高鉻鑄鐵件中非金屬夾雜物含量、顯微組織、硬度及沖擊吸收功的影響。結果表明，振動能明顯細化高鉻鑄鐵的顯微組織，當振動頻率為50 Hz時細化效果最明顯；振動顯著降低非金屬夾雜物含量，當振動頻率為30 Hz時降低幅度最大；硬度隨振動頻率的增加而提高；沖擊吸收能量的變化與非金屬夾雜物變化趨勢正好相反，當振動頻率為30 Hz時最高。
關鍵詞 高鉻鑄鐵；振動頻率；消失模鑄造；顯微組織
中圖分類號 TG249.6；TG113. 25 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 017
消失模鑄造具有設計靈活、鑄造精度高、能實現(xiàn)清潔生產和降低投資生產成本等優(yōu)點，但是由于干砂的傳熱速率較低，導致鑄件冷卻和散熱較慢，因此鑄件晶粒要比砂型鑄造的粗大，致密度也較低，力學性能也低于砂型鑄造生產的鑄件，尤其是高鉻鑄鐵等耐磨鑄件的使用壽命較低，給國內外消失模鑄造生產帶來了極大的困擾。
振動澆注可細化鑄件凝固組織、降低殘余應力、提高產品的力學性能和耐磨性。振動頻率對鑄件組織及性能的影響較大。因此，針對消失模鑄造的不足，同時結合消失模鑄造的實際生產，本課題研究了振動頻率對消失模鑄造高鉻鑄鐵顯微組織與性能的影響，旨在對高鉻鑄鐵的實際生產提供參考。
1 試驗材料和研究方法
1.1試驗材料
高鉻鑄鐵常被用于制作球磨機磨球和襯板，立磨磨輥和磨盤，反擊破板錘，拋丸機葉片，管道，渣漿泵過流件等耐磨件。試驗所用高鉻鑄鐵成分見表1。
1.2研究方法
試驗選擇的鑄型振動方式為垂直振動，偏心塊的夾角為900，在此振動條件下，其振幅為0. 32 mm，振動頻率分別為30、40、50 Hz。
(1)材料的制備 利用同一爐鐵水，分別在無振動和不同振動頻率下澆注，獲得成分相同的試樣。鐵水澆注時就開始振動，結合金屬凝固理論以及工廠的實際生產，最終確定振動時間為3 min。
(2)硬度測試在試塊相同部位，截取相同尺寸的試樣，將上下表面打磨平整，在HBRVU-187.5型布洛維光學硬度計上測洛氏硬度，取4個點的平均值。
(3)顯微組織觀察 在試塊相同部位截取相同尺寸的試樣，經過粗磨、細磨、拋光后，采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，使用DMI3000型萊卡顯微鏡觀察合金組織形貌，同時測得試樣非金屬夾雜物所占體積分數(shù)。
(4)沖擊吸收能量測試 通過線切割機在試塊上分別截取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的無缺口試樣，見圖1，在JB-30型沖擊試驗機上進行沖擊試驗。
2 試驗結果與討論
2.1 振動頻率對鑄態(tài)高鉻鑄鐵顯微組織的影響
鑄態(tài)高鉻鑄鐵非金屬夾雜物情況見圖2。可以看 出，無振動的普通澆注時非金屬夾雜物聚集成塊，且含量較多，經振動后非金屬夾雜物彌散分布，且含量明顯減少，但是當振動頻率為40 Hz時，還有少量非金屬夾雜物聚集成塊。
經圖像分析儀軟件分析測得非金屬夾雜物體積分數(shù)見圖3。從圖3可以看出，經過振動后非金屬夾雜物在基體中的含量明顯降低，且分布更均勻。不同振動頻率非金屬夾雜物含量為：40 Hz>50 Hz>30 Hz，且振動頻率為30 Hz和50 Hz時，非金屬夾雜物的分布更均勻。
當振動頻率為30 Hz時，非金屬夾雜物的減少效果最明顯。
振動頻率對鑄態(tài)高鉻鑄鐵金相組織的影響見圖4�？梢钥吹�，鑄態(tài)高鉻鑄鐵組織以奧氏體為基體，基體上分布有六角形的初生碳化物（一次碳化物）和條狀的共晶碳化物。將不同振動頻率的金相組織做對比分析發(fā)現(xiàn)，經過振動后，碳化物明顯細化，且不同振動頻率高鉻
鑄鐵碳化物大小比較結果為：普通>40 Hz>30 Hz>50 Hz。當振動頻率為50 Hz時，對鑄態(tài)組織細化效果最明顯。
2.2振動頻率對高鉻鑄鐵硬度和沖擊吸收功的影響
對鑄態(tài)高鉻鑄鐵進行硬度測試，其結果見圖5�？梢钥吹剑駝雍蟾咩t鑄鐵硬度明顯高于普通砂型澆注的硬度。這是由于振動使高鉻鑄鐵的組織得到細化，因此硬度有明顯提高。
不同振動頻率下鑄態(tài)高鉻鑄鐵沖擊吸收功見圖6。可以看出，經過振動后高鉻鑄鐵的沖擊吸收功都有提高，這是由于振動后高鉻鑄鐵的晶粒細化。
對比圖3和圖6可知，非金屬夾雜物含量高的材料其沖擊韌度低�？梢园l(fā)現(xiàn)，這是由于非金屬夾雜物在材料中是裂紋源，當其含量高時，更容易產生裂紋，從而導致材料的沖擊韌度降低。
對不同振動頻率鑄態(tài)高鉻鑄鐵的沖擊斷口進行掃描分析，見圖7�？梢钥闯觯敺糯蟊稊�(shù)較低時，普通砂型澆注的沖擊斷口可以看到一些河流花樣，振動頻率為40 Hz時也能看到少量河流花樣，而在振動頻率為30Hz和50 Hz時，基本上看不到這種形貌。當將放大倍數(shù)提高后，發(fā)現(xiàn)裂紋沿河流棱狀方向延伸。這是由于振動后，晶粒細化，晶界增多，阻礙位錯滑移和裂紋擴展。
綜上所述，高鉻鑄鐵在冷卻凝固過程中，通過增加機械振動，金屬液的運動速度提高，已長大的枝晶，由于受到金屬液的沖刷作用，被打斷、振碎，形成新的細小晶粒；同時，液態(tài)金屬的劇烈運動，增大過冷度，有利于形成新的晶核。因此，在振動澆注下，高鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織明顯細化，力學性能得到改善。
3 結 論
(1)鑄態(tài)高鉻鑄鐵組織以奧氏體為基體，基本上分布著呈六邊形狀的初生碳化物和呈條狀分布的共晶碳化物。經過振動澆注后，鑄態(tài)組織明顯細化，且當振動頻率為50 Hz時細化效果最顯著。
(2)經過振動澆注后，高鉻鑄鐵的非金屬夾雜物分布更加均勻且數(shù)量明顯降低，當振動頻率為30 Hz時降幅最大。
(3)振動澆注后鑄態(tài)高鉻鑄鐵硬度都有明顯提高，且隨振動頻率的增加硬度逐漸提高；沖擊吸收功也有明顯提高，其變化趨勢與非金屬夾雜物的變化趨勢正好相反，當振動頻率為30 Hz時，沖擊吸收功最大。
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