柱塞泵摩擦件球墨铸铁的研究现状与发展趋势

肖洪莲，宁爱林，刘绍忠，刘建波

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000)



柱塞泵摩擦件球墨铸铁的研究现状与发展趋势

肖洪莲，宁爱林，刘绍忠，刘建波

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000)

综合评述柱塞泵摩擦件球墨铸铁的研究现状.讨论合金元素对球墨铸铁耐磨性的影响、球墨铸铁的耐磨机理以及柱塞泵摩擦件球墨铸铁的应用领域.在此基础上对柱塞泵摩擦件球墨铸铁未来的发展趋势，提出了一点看法.

柱塞泵摩擦件；球墨铸铁；研究现状

柱塞泵是液压系统的动力元件[1].柱塞泵的特点是额定压力高、结构紧凑、泄露小、效率高和流量调节方便等.但柱塞泵结构复杂，材料要求高和具有高的加工精度、价格昂贵以及较高要求的对油清洁度等.故柱塞泵被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，如船舶、液压机和工程机械等.

斜盘是轴向柱塞泵关键部件之一，它高速运转同时还承受高而集中地交变载荷.斜盘主要失效方式是磨损，其性能直接决定机器寿命.球墨铸铁QT600-3不仅抗拉强度大，其伸长率也高[2].球墨铸铁与灰铸铁相比对基体的割裂和应力集中作用小，与钢材相比铸造性能好[3].在机械设计中，屈服强度是防止零件产生过量塑性变形的设计依据，是重要的力学性能指标之一.故抗拉强度相同的球墨铸铁和钢，球墨铸铁的许用应力较大，并具有耐磨、减震、工艺性能好以及成本低等优点[4].所以，球铁可代替钢制造一些高强度和承受交变应力的工件.故选取这种牌号的球墨铸铁生产柱塞泵摩擦件-斜盘.

本文综合评述铸态柱塞泵摩擦件球墨铸铁的研究现状，并就该材料的发展趋势做一点预判.

1 合金元素对铸态球墨铸铁耐磨性的影响

铸态柱塞泵摩擦件球墨铸铁中各合金元素对耐磨性的影响.

(1)碳 碳是促进石墨化元素，可有效地消除碳化物.含碳量较高的铁液有助于铸铁球化[5].主要从下面两个方面考虑碳含量，一个方面是对于柱塞泵摩擦件这类耐磨件，球状石墨可用于零件工作时的固体润滑剂，其作用在于减小零件磨损，提高零件寿命；另一方面是基于改善铸造性能，减少铸造缺陷，得到健全铸件等方面考虑[6].故选择的碳含量为共晶点左右.

(2)硅 硅是石墨化很强的元素，能使石墨细化并提高石墨球的圆整度.增加硅量，可减少和消除铸态组织中的碳化物，但硅量过高，则减少组织中珠光体的数量[6].故碳硅含量的选择按高碳低硅的原则[13].

(3)锰 锰是弱碳化物形成的元素[15].锰具有强化铁素体，稳定珠光体等有益作用[6].但其有严重的正向偏析，应控制锰含量.对于珠光体球墨铸铁锰含量可适当高些，但实际情况通常用铜稳定珠光体.

(4)磷 磷在球墨铸铁中具有强的偏析倾向，容易在晶界处生成磷共晶，使材料韧性降低.磷容易增大球铁的缩松等缺陷.故铸件中应控制磷的含量[8].

(5)硫 硫是干扰石墨球化的元素[15].球墨铸铁中的硫易于与球化元素反应生成硫化物或硫氧化物，形成球化不稳定和杂质增多等现象[15].生产中应尽量降低硫含量.

(6)稀土 适量的稀土量可排除干扰元素的影响，但残留稀土量过高则恶化石墨形态，降低铸件韧性.因此，残留稀土量一般控制在0.02%～0.04%范围内[3].

(7)铜 铜是稳定珠光体的元素.其石墨化能力弱于碳和硅，可用于减弱或抵消部分碳化物形成元素的反石墨化作用.铜能减少铸件的断面敏感性，使不同厚度的断面组织和性能趋于均匀.铜也能提高球墨铸铁件的耐磨性和可切削性，使切削加工表面光洁度提高.机床铸件和耐腐蚀铸件常采用含铜球墨铸铁[7].

(8)镍 镍是石墨化元素，能促进珠光体生成、稳定珠光体组织以及细化珠光体并抑制碳化物生成.其促进珠光体生成方面优于铜，质量分数也少于铜.由于价格贵，国内用得较少[14].

(9)钼 钼是弱碳化物形成元素，能降低稳定和亚稳定共晶转变温度.钼和镍同时存在能显著提高球墨铸铁的屈服强度，又不会使其断后伸长率下降较多.当钼与铜和镍等元素同时加入球墨铸铁时，能推迟珠光体转变开始时间和转变温度还能使转变所形成的共析组织趋于细密.能有效地提高珠光体球墨铸铁的力学性能[9].

(10)铬 铬能稳定碳化物，提高共析转变温度[7].铬和镍以1∶1.5或1∶2的比例同时加入铸件中，促使珠光体生成的同时消减了碳化物生成倾向.但铬含量较高时对铸件力学性能特别是抗冲击能力造成很大伤害.为了避免这一影响，铸件中铬的质量分数应限制.生产含有高硬度碳化物的耐磨球墨铸铁件时，铬的含量可以根据需要提高[10].

(11)钒 钒与碳亲和力强，易于生成稳定碳化物.钒能提高珠光体的数量，但弱于铜，可以通过适当控制钒的含量获得良好的疲劳强度和耐磨性[11].

(12)锡 锡是促进珠光体生成的元素[14]，与铜相似，但远超过铜稳定珠光体的能力.研究发现，锡和铜同时加入铁水，球墨铸铁基体中铁素体体积分数显著较少[10].

(13)锑 锑能稳定珠光体，用微量锑取代铜生产铸铁球墨铸铁，这在经济上更为合理.但过量的锑会干扰石墨球化，产生碎块石墨，影响球墨铸铁力学性能[11].

(14)铅 铅是强烈干扰石墨球化元素.含铅量超过0.008%的镁球墨铸铁可使石墨发生严重畸变[11].

(15)铋 铋是表面活性元素.有干扰石墨球化的作用.不含稀土元素含铋量超过0.006%的镁球墨铸铁可使石墨发生畸变.铈能降低铋的有害作用.微量铋和适量稀土同时存在厚断面铸件中，显著减少碎块石墨，在薄壁件中显著增加石墨球数[11].

综上所述，合金元素的加入量控制在一个较佳的范围，其对球墨铸铁耐磨性有重要影响[11].随着锰、钼、铬含量的增加球墨铸铁的磨损失重下降.在铸件中加入锰和铬均可使材料硬度提高，促进珠光体转变，并能稳定和细化珠光体，使球墨铸铁的耐磨性提高；钼能细化珠光体，使球墨铸铁组织稳定性提高，从而增加球墨铸铁的耐磨性.加入适量的硅能提高球墨铸铁的耐磨性，但硅含量过多可减少珠光体数量，降低球墨铸铁的耐磨性[7].在实际生产中，合金元素的加入要适量.此外，还应考虑各元素之间的交互作用.

2 球墨铸铁的耐磨机理

球墨铸铁的耐磨机理主要体现在两方面，一是石墨形态，二是化学成分[7].与其他金属材料相比，球墨铸铁中碳主要以球状石墨的形态存在于铸铁中.这一形态决定了普通球墨铸铁有两个方面的耐磨特性.一方面，石墨是一种很好的润滑剂，在运动中石墨强度较小，易于从基体上磨损脱落，起到良好的润滑作用，也减轻了金属材料的磨损，主要体现在干磨运动.另一方面，石墨脱落形成凹坑，可以储存润滑油，使摩擦副具有良好的润滑状态，也减轻材料的磨损.

珠光体是指渗碳体和铁素体片层相间的组织，具有较高的强度和耐磨性，综合机械性能优良[11].稳定和促进珠光体生成等措施能使球墨铸铁的耐磨性提高.生产球墨铸铁有两种方式，一种是铸造后正火，另一种是合金化生产.由于铸造后正火，温度梯度不同，珠光体含量不同，淬火后硬度不均匀，相变软化，其组织不同，工作性能不好控制.目前多采用合金化生产[10].

3 球墨铸铁在柱塞泵摩擦件中的应用

目前各类铸铁中属球墨铸铁性能最好，其也有良好的抗热疲劳性，广泛应用于各类耐磨材料[12].

不通过热处理即选择合金化生产直接获得不同要求的球墨铸铁件具有重大意义，这也是近年来球墨铸铁发展较快的一个方面.

成功研制的稀土镁球化剂应用于球墨铸铁中使合金化生产铸态球墨铸铁的研究非常活跃，其生产技术水平也得到了提高.

铸态高韧性铁素体球墨铸铁在国内外取得了一定的生产方面的经验.主要有：严格选择化学成分，如选高的碳当量，限制锰、磷及硫的含量(Mn<0.4%、P<0.06%、S<0.015%),防止在炉料中带入铬、钨、钼、铜、锡、锑等合金元素；限制球化剂中稀土元素的含量及防止球化元素过高；促进孕育处理，使石墨球细化等.

在铸态珠光体球墨铸铁方面，也取得了一定的生产经验.在成分设计上主要考虑添加并提高一些有利于珠光体形成的元素，如适当提高锰含量(Mn0.7%～1.0%)；适当添加一些铜或利用含铜生铁以及锰和锑并用等.此外，为加大共析区间的冷却速度，采用高温开箱等工艺措施，这些均取得了较好的效果.

近年来，国内外对于铸态奥氏体-贝氏体球墨铸铁也进行了大量研究工作，合金化是其主要手段之一.一般采用低锰成分并适量添加镍、钼等有助于贝氏体转变的元素以及添加促进石墨化元素，以谋求石墨细化和被镍、硅强化的基体组织.

目前铸态球墨铸铁广泛应用于发达的工业国家.铸态球墨铸铁的生产工艺在我国逐渐成熟，其产量也不断增加.铸态球墨铸铁生产技术应用于柱塞泵摩擦件有利于提高柱塞泵的质量和工作可靠性、提高工程机械国产化率、改变给工程机械配套的高端柱塞泵依赖进口的局面[2].

4 球墨铸铁柱塞泵摩擦件的发展趋势

随着全球能源危机的加剧，各行各业越来越重视节能降耗.产品竞争日趋激烈的今天，相继出台了一些措施如大量应用低成本低耗能材料、减重零部件等.在竞争激烈的今天，耐磨球墨铸铁具有优良的性能、低廉的价格和巨大的经济效益，故其终将会被广大用户所接受.成本昂贵的钢材将被球墨铸铁耐磨材料所代替，球铁耐磨材料应用领域必将逐渐扩大.但球墨铸铁耐磨材料还需要完善，如在材料成分和力学性能等方面.

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Current status and development trend of ductile iron for piston pump wearing pieces

XIAO Honglian,NING Ailin,LIU Shaozhong,LIU Jianbo

(DepartmentofMachanicalandEnergyEngineering,ShaoyangUniversity,Shaoyang422000,China)

The current status of the ductile iron for piston pump wearing pieces was comprehensively reviewed in this paper.The effects of alloy elements on the abrasive resistance of the ductile iron,the mechanisms of the abrasive resistance of the ductile iron,and the application fields of the ductile iron for piston pump wearing pieces were discussed.Based on these discussions,the future development trend of the ductile iron for piston pump wearing pieces was proposed.

ductile iron; piston pump wearing pieces; the current status

1672-7010(2016)02-0108-04

2015-02-27

肖洪莲(1989-),女，湖南岳阳人，邵阳学院2014级硕士研究生，从事材料加工研究

宁爱林(1956-)，男，博士，教授，研究生导师，从事金属材料加工技术研究；E-mail:nal57@163.com

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