河南省驻马店市柴油机厂 杨群收
　　我厂自1984年就开始为中原、胜利等油田生产钻井泥浆泵高铬双金属缸套。双金属缸套的内套为高铬铸铁，外套为ZG310—570。均采用离心铸造工艺。使用的离心铸造机是自制的悬臂式和滚轮式两种设备，通常用悬臂式离心机生产高铬内套，用滚轮式离心机生产外套。缸套常见规格形状如下图所示：
　　在几十年的生产过程中，为了提高缸套（内套）的耐磨性，我们不断根据用户反映的情况总结经验，同时也不断学习借鉴国外的先进技术，曾对美国进口缸套进行解剖分析，其内套的化学成分、金相组织及物理性能详见下表。
　　成分 C Si Mn Cr Mo V Ni
　　含量（%） 3.04 0.42 0.60 29.3 0.73 0.14 0.23
　　作者简介：杨群收（ 1950—），长期从事灰铁、球铁等多种汽车配件；油田钻井用高铬双金属缸套及高铬锤头等耐磨材料的技术工作。现为中国铸造学会质量控制及检测技术委员会委员、河南铸锻协会专家组成员（住：河南、驻马店13087096998、yqs6998@163.com）
　　其Cr/C比值约9.64；金相组织为:马氏体+合金碳化物+残余奥氏体（少量）+二次碳化物；硬度HRC63.
　　在生产加工过程中，内外套配合采用过盈镶装工艺。此外，我们通过以下几项分析，对内套化学成分进行选择，在铸造、热处理工艺等方面也作出大量的试验及探讨。
　　1 硬度和韧性与耐磨性的关系
　　材料的耐磨性和其硬度有着密切的关系。一般来说在保证材料不断裂的前提下，耐磨性和材料硬度成正比关系。
　　通常情况下，耐磨性与韧性是一对矛盾。一般来说，硬度越高，耐磨性越好的材料，其冲击韧性越差。通常承受磨料磨损的零件，在使用过程中也常要承受剧烈的机械冲击荷，显然足够的韧性是很有必要的。但是，确定零件在工作中所需要的韧性值并不容易，所以在工业生产中，根据零件的服役状况，经常为了保证有足够的硬度牺牲韧性，或为了有足够的韧性而牺牲部分硬度。
　　尽管泥浆泵缸套在对材料冲击韧性的要求上，不像锤头、球磨机的衬板那样苛刻，但其在服役过程中，要承受高压、高频振动、泥沙冲击等负荷；另外，缸套在制造过程中，内外套热镶装后具有很高的过盈量，以及内外套在椭圆、锥度等不同情况下的紧配合；内外套接触面率的多少，以及各部位随着压力的不同，这些在制造工艺上不可避免产生的应力，都要求高铬内套应有足够的韧性及回弹涨力。
　　早在20世纪80年代末的一段时间里，国内不少单位为了提高缸套的耐磨性，相继研究出很多新材料，不断提高缸套内套的硬度，如陶瓷缸套、W系缸套。曾有单位从很远的地方送缸套到胜利油田作试验，经装机试验使用不到200h缸套内套就碎裂，尽管这种W系缸套的硬度很高，失效卸下的缸套内孔磨损不明显，但由于韧性太低而未能如愿。
　　除此之外，有些单位生产的缸套，由于仅重视提高材料硬度而忽视了韧性，缸套在使用过程中也曾出现有内套裂纹现象，裂纹有呈径向的也有呈轴向的，其韧性不足是碎裂的主要原因之一。
　　2 碳化物数量、形态与分布对耐磨性的影响
　　高铬白口铸件热处理淬火后的显微组织通常是碳化物+马氏体+残留奥氏体，其中碳化物是抗磨损的骨架，故其数量、形态和分布与耐磨性有着密切的关系。
　　（1）含碳量越高碳化物的数量越多，则硬度有所增加，在材料不断裂的前提下，碳化物数量越多，则耐磨性越好。
　　(2)在形态和分布上，为了避免裂纹沿碳化物扩展，碳化物最好为球状、团状、碎块状或断网状。应力求避免连续网状和放射状分布。也就是说，在空间上，碳化物应为开放骨架，才有利于提高冲击韧性。
　　3 基体组织与抗磨性的关系
　　耐磨材料的抗磨性与其基体组织有着密切的关系。同时各组成物之间的内聚强度也对其耐磨性有重要的影响，高铬白口铸铁的耐磨性，不仅取决于碳化物，而且也和基体组织有关。基体必须有一定的强度和与碳化物有较高的内聚强度，否则基体首先严重变形或过早磨损，碳化物就失去了依托，使碳化物变曲折断，或孤立突出而易被磨料冲击从基体上剥落游离出来，而且被剥落下的高硬度碳化物屑，又成为磨料，往往还会加重研磨体的磨损。
　　奥氏体只有在高强冲击过程中才能产生瞬间相变而硬化，而泥浆泵缸套在服役过程中，所承受的冲击力是较小的。所以对泥浆泵缸套来说，奥氏体是应严格控制的相。
　　综上所述，高铬白口铸铁的抗磨性取决于与硬度、韧性和强度等综合性能指标，并且与其组成的结构、显微组织、相对数量、分布形貌及各相之间的内聚强度密切相关。因此在开发研究高铬白口铸铁抗磨材料时，必须综合全面考虑。
　　4  化学成分的设计
　　（1）碳 碳对高铬铸铁的韧性及硬度影响很大。含碳量越高，碳化物数量就越多，硬度也越高；但同时也增加了材料的脆性，降低了韧性。含碳量过低，碳化物沿晶界呈网状分布，对硬度、韧性和耐磨性都不利。
　　共晶含碳量随含铬量的增加而下降：
　　Cr=15%时共晶含碳量为3.6%；
　　Cr=17%时共晶含碳量为3.5%；
　　Cr=20%时共晶含碳量为3.2%；
　　Cr=24%时共晶含碳量为3.1%；
　　Cr=25%时共晶含碳量为3.0%；
　　根据缸套的使用要求，取亚共晶成分，所以，含碳量2.8%～3.0%。
　　（2）铬 铬是强烈的白口元素，能增加白口倾向和硬度。当铬大于10%时，得到M7C3型组织，这种组织和M3C型组织相比，耐磨性和耐磨腐蚀性要高的多。当含铬量大于20%时，在形成M7C3的同时，形成一定量的M23C6型碳化物，这种碳化物的硬度并不比M7C3型高，但耐磨性更好，其不足之处是退火较困难，裂纹趋向较大。但在熔炼中通过加入合金元素或变质处理，可弥补其不足而提高其综合力学性能。根据销售渠道的不同，以及用户的要求，取含铬量为18%～20%或24%～28%。
　　（3）锰 在高铬铸铁中，锰中和硫后多余的量，起到稳定碳化物的作用，并且能提高淬透性。但锰又是强烈稳定奥氏体的元素，过高的含锰量明显阻碍奥氏体的转变，使残余奥氏体量增加，而高铬内套又严格限制残余奥氏体量，所以，我们取含锰量为0.5%～0.8%。
　　（4）硅 硅的作用与锰相反，硅固溶于基体中，显著地降低了高铬铸铁的淬透性。但加入适量的硅，在熔炼过程中，硅起一定的脱氧作用，且有利于熔化，增加流动性，以利于浇注，所以我们将硅控制在0.6%～0.9%。
　　（5）钼 钼分布在共晶碳化物和基体组织中，显著提高高铬铸铁的淬透性。少量的钼溶于基体中，可以细化晶粒和提高碳化物的显微硬度。据资料介绍，由于钼的加入，局部地产生软相，使冲击韧性和耐磨性显著提高，而使硬度稍微下降。但在高铬铸铁中，由于加入钒等强化碳化物的元素，使材料硬度提高而韧性下降，加入钼后，可以弥补由于加入钒等而使材料韧性下降的不足。总之钼是高铬铸铁理想的添加元素，从实用性与经济的角度考虑，将其控制在1.5%左右。
　　（6）钒 钒是极有效的稳定碳化物元素，并增加白口深度，在含量为0.1%～0.5%范围内，它可以使白口组织细化，并使粗大的柱状晶组织减少，钒的加入，明显提高硬度而降低韧性，如果与钼同时加入0.1%的钒，对材料的综合力学性能是有益的。
　　（7）硫、磷 金属在凝固过程中，由于硫、磷沿晶界析出含硫、磷共晶体，而降低力学性能，在铸造及热处理过程中而产生裂纹，所以尽量控制在0.05%以下。
　　5 铸造工艺
　　5.1 熔炼及浇注
　　炉料采用低硅生铁、废钢，合金元素使用铬铁（从效益出发，常用高碳或碳素铬铁）、锰铁、钒铁（可用矾、钛生铁）。用0.5吨中频电炉熔炼，装料顺序：生铁→铬铁→钼铁。当炉温达到1500℃时，加入锰铁、硅铁等合金。之后进行脱氧，除渣出炉。
　　5.2 离心浇注机转速
　　选择离心浇注机的转速应基于这样两个要求：（1）在保证铸件不产生裂纹的情况下，应选择较高的转速；（2）在保证铸件不出现夹渣，淋落的情况下，应选择较低的转速。
　　根据我们的实践经验确定离心机的转速，选择下公式较为适宜。
　　n=29 式中
　　n---铸型转速（v/min）
　　G---重力系数（常选50～80）
　　R---铸件内径（cm）
　　确定重力系数G的原则：
　　（1）对于凝固区间较宽的合金，G值应偏高些，有利于穿过枝晶补缩；（2）对于易产生比值偏析的合金，应取稍低的G值，以减缓偏析；（3）R小的铸件，应取稍大的G值；（4）铸型用干砂衬，应取较高G值。
　　5.3 浇注温度
　　浇注温度的高低直接关系到铸件质量，浇注温度过低，铸件易出现冷隔夹层等缺陷。浇注温度过高，则易出现裂纹，另外延长铸件在模具内的停留时间，将会缩短模具的使用寿命、甚至使铸件与模具粘结在一起。尽管高铬铸铁流动性较好，浇注温度不像中、低碳钢那样要求严格，但是，在高铬铸铁中，常有熔点很高的颗粒存在，铸件凝固后形成白亮硬点（经车或珩磨后发现），影响材料韧性。而且缸套在使用过程中，白亮点易脱落变成磨料，加速研磨体的磨损，缩短研磨体的使用寿命。白亮点颗粒是如何形成的，是什么物质有待进一步探讨。所以高铬铸铁的熔炼及出炉温度适当提高，在保证铸件内外部质量的情况下，浇注温度却应适当降低，应控制在1530-1550℃出炉，镇静到1500℃左右浇注。
　　5.4 浇注速度
　　在实际操作中，应根据各种温度的不同而控制浇注速度，温度高浇注速度应适当降低，温度低浇注速度应适当加快。正常情况下，浇注速度应控制在1.8～2.2kg/s。
　　5.5 变质处理
　　尽管高铬铸铁具有较高的硬度和一定的冲击韧性，但仍存在着易脆裂的缺点，为解决脆裂和进一步提高冲击韧性，国内外对此进行了大量的研究。我们知道，在高铬铸铁中，碳化物是对耐磨性举足轻重的一个相，它的数量、结构、形态及分布对耐磨性与断裂性有着十分重要的影响。目前比较统一的认识，就是用含稀土元素的复合孕育剂或以稀土镁作载体混入钾、钠制成的复合变质剂，对高铬铸铁中的碳化物进行变质处理，使碳化物呈团球状、孤立条块状分散分布，以减少对基体的切割作用，达到提高硬度和冲击韧性的目的。另外，这些变质剂的有效成分，与氧、硫的亲和能力很强，加入后可以起到除硫脱氧、净化晶界的作用，有利于提高材料的综合机械性能。我们使用的变质剂有稀土1#和铝混合加入，以及钾、钠为主的变质剂。
　　6  热处理及组织
　　为了充分发挥高铬铸铁的硬度潜力和最佳的耐磨性，同时又使材料具有最大可能的韧性，就必须要进行热处理。
　　根据缸套在服役过程中，内套需硬度高、耐磨性好的的要求而制定热处理工艺，以便得到理想的金相组织、硬度和冲击韧性，以达到提高缸套使用寿命的目的。
　　我厂缸套内套的热处理工艺如下图所示，经软化退火，淬火及回火处理，之后其硬度为HRC62～64。
　　缸套内套退火、淬火、回火的热处理工艺图
　　理想的金相组织是马氏体基体上镶嵌着团球状、断开块状或点状均匀分布的碳化物。应该注意的是，在铸态情况下，应避免出现大块状碳化物或碳化物呈网状分布。否则经软化退火后仍难以机械加工。另外，严格控制淬火后残余奥氏体量，不得大于5%。
　　实践证明，我们通过筛选，内套采用的化学成分，熔炼工艺、热处理工艺是理想的，使缸套的使用寿命大于1000h/只，不仅居国内先进水平，而且达到国外进口同类产品的水平，目前我厂生产的缸套，除部分供国内油田使用外，主要出口加拿大、美国等国家。