河南省駐馬店市柴油機廠 楊群收
　　我廠自1984年就開始為中原、勝利等油田生產鉆井泥漿泵高鉻雙金屬缸套。雙金屬缸套的內套為高鉻鑄鐵，外套為ZG310—570。均采用離心鑄造工藝。使用的離心鑄造機是自制的懸臂式和滾輪式兩種設備，通常用懸臂式離心機生產高鉻內套，用滾輪式離心機生產外套。缸套常見規格形狀如下圖所示：
　　在幾十年的生產過程中，為了提高缸套（內套）的耐磨性，我們不斷根據用戶反映的情況總結經驗，同時也不斷學習借鑒國外的先進技術，曾對美國進口缸套進行解剖分析，其內套的化學成分、金相組織及物理性能詳見下表。
　　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
　　作者簡介：楊群收（ 1950—），長期從事灰鐵、球鐵等多種汽車配件；油田鉆井用高鉻雙金屬缸套及高鉻錘頭等耐磨材料的技術工作。現為中國鑄造學會質量控制及檢測技術委員會委員、河南鑄鍛協會專家組成員（住：河南、駐馬店13087096998、yqs6998@163.com）
　　其Cr/C比值約9.64；金相組織為:馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體（少量）+二次碳化物；硬度HRC63.
　　在生產加工過程中，內外套配合采用過盈鑲裝工藝。此外，我們通過以下幾項分析，對內套化學成分進行選擇，在鑄造、熱處理工藝等方面也作出大量的試驗及探討。
　　1 硬度和韌性與耐磨性的關系
　　材料的耐磨性和其硬度有著密切的關系。一般來說在保證材料不斷裂的前提下，耐磨性和材料硬度成正比關系。
　　通常情況下，耐磨性與韌性是一對矛盾。一般來說，硬度越高，耐磨性越好的材料，其沖擊韌性越差。通常承受磨料磨損的零件，在使用過程中也常要承受劇烈的機械沖擊荷，顯然足夠的韌性是很有必要的。但是，確定零件在工作中所需要的韌性值并不容易，所以在工業生產中，根據零件的服役狀況，經常為了保證有足夠的硬度犧牲韌性，或為了有足夠的韌性而犧牲部分硬度。
　　盡管泥漿泵缸套在對材料沖擊韌性的要求上，不像錘頭、球磨機的襯板那樣苛刻，但其在服役過程中，要承受高壓、高頻振動、泥沙沖擊等負荷；另外，缸套在制造過程中，內外套熱鑲裝后具有很高的過盈量，以及內外套在橢圓、錐度等不同情況下的緊配合；內外套接觸面率的多少，以及各部位隨著壓力的不同，這些在制造工藝上不可避免產生的應力，都要求高鉻內套應有足夠的韌性及回彈漲力。
　　早在20世紀80年代末的一段時間里，國內不少單位為了提高缸套的耐磨性，相繼研究出很多新材料，不斷提高缸套內套的硬度，如陶瓷缸套、W系缸套。曾有單位從很遠的地方送缸套到勝利油田作試驗，經裝機試驗使用不到200h缸套內套就碎裂，盡管這種W系缸套的硬度很高，失效卸下的缸套內孔磨損不明顯，但由于韌性太低而未能如愿。
　　除此之外，有些單位生產的缸套，由于僅重視提高材料硬度而忽視了韌性，缸套在使用過程中也曾出現有內套裂紋現象，裂紋有呈徑向的也有呈軸向的，其韌性不足是碎裂的主要原因之一。
　　2 碳化物數量、形態與分布對耐磨性的影響
　　高鉻白口鑄件熱處理淬火后的顯微組織通常是碳化物+馬氏體+殘留奧氏體，其中碳化物是抗磨損的骨架，故其數量、形態和分布與耐磨性有著密切的關系。
　　（1）含碳量越高碳化物的數量越多，則硬度有所增加，在材料不斷裂的前提下，碳化物數量越多，則耐磨性越好。
　　(2)在形態和分布上，為了避免裂紋沿碳化物擴展，碳化物最好為球狀、團狀、碎塊狀或斷網狀。應力求避免連續網狀和放射狀分布。也就是說，在空間上，碳化物應為開放骨架，才有利于提高沖擊韌性。
　　3 基體組織與抗磨性的關系
　　耐磨材料的抗磨性與其基體組織有著密切的關系。同時各組成物之間的內聚強度也對其耐磨性有重要的影響，高鉻白口鑄鐵的耐磨性，不僅取決于碳化物，而且也和基體組織有關。基體必須有一定的強度和與碳化物有較高的內聚強度，否則基體首先嚴重變形或過早磨損，碳化物就失去了依托，使碳化物變曲折斷，或孤立突出而易被磨料沖擊從基體上剝落游離出來，而且被剝落下的高硬度碳化物屑，又成為磨料，往往還會加重研磨體的磨損。
　　奧氏體只有在高強沖擊過程中才能產生瞬間相變而硬化，而泥漿泵缸套在服役過程中，所承受的沖擊力是較小的。所以對泥漿泵缸套來說，奧氏體是應嚴格控制的相。
　　綜上所述，高鉻白口鑄鐵的抗磨性取決于與硬度、韌性和強度等綜合性能指標，并且與其組成的結構、顯微組織、相對數量、分布形貌及各相之間的內聚強度密切相關。因此在開發研究高鉻白口鑄鐵抗磨材料時，必須綜合全面考慮。
　　4  化學成分的設計
　　（1）碳 碳對高鉻鑄鐵的韌性及硬度影響很大。含碳量越高，碳化物數量就越多，硬度也越高；但同時也增加了材料的脆性，降低了韌性。含碳量過低，碳化物沿晶界呈網狀分布，對硬度、韌性和耐磨性都不利。
　　共晶含碳量隨含鉻量的增加而下降：
　　Cr=15%時共晶含碳量為3.6%；
　　Cr=17%時共晶含碳量為3.5%；
　　Cr=20%時共晶含碳量為3.2%；
　　Cr=24%時共晶含碳量為3.1%；
　　Cr=25%時共晶含碳量為3.0%；
　　根據缸套的使用要求，取亞共晶成分，所以，含碳量2.8%～3.0%。
　　（2）鉻 鉻是強烈的白口元素，能增加白口傾向和硬度。當鉻大于10%時，得到M7C3型組織，這種組織和M3C型組織相比，耐磨性和耐磨腐蝕性要高的多。當含鉻量大于20%時，在形成M7C3的同時，形成一定量的M23C6型碳化物，這種碳化物的硬度并不比M7C3型高，但耐磨性更好，其不足之處是退火較困難，裂紋趨向較大。但在熔煉中通過加入合金元素或變質處理，可彌補其不足而提高其綜合力學性能。根據銷售渠道的不同，以及用戶的要求，取含鉻量為18%～20%或24%～28%。
　　（3）錳 在高鉻鑄鐵中，錳中和硫后多余的量，起到穩定碳化物的作用，并且能提高淬透性。但錳又是強烈穩定奧氏體的元素，過高的含錳量明顯阻礙奧氏體的轉變，使殘余奧氏體量增加，而高鉻內套又嚴格限制殘余奧氏體量，所以，我們取含錳量為0.5%～0.8%。
　　（4）硅 硅的作用與錳相反，硅固溶于基體中，顯著地降低了高鉻鑄鐵的淬透性。但加入適量的硅，在熔煉過程中，硅起一定的脫氧作用，且有利于熔化，增加流動性，以利于澆注，所以我們將硅控制在0.6%～0.9%。
　　（5）鉬 鉬分布在共晶碳化物和基體組織中，顯著提高高鉻鑄鐵的淬透性。少量的鉬溶于基體中，可以細化晶粒和提高碳化物的顯微硬度。據資料介紹，由于鉬的加入，局部地產生軟相，使沖擊韌性和耐磨性顯著提高，而使硬度稍微下降。但在高鉻鑄鐵中，由于加入釩等強化碳化物的元素，使材料硬度提高而韌性下降，加入鉬后，可以彌補由于加入釩等而使材料韌性下降的不足。總之鉬是高鉻鑄鐵理想的添加元素，從實用性與經濟的角度考慮，將其控制在1.5%左右。
　　（6）釩 釩是極有效的穩定碳化物元素，并增加白口深度，在含量為0.1%～0.5%范圍內，它可以使白口組織細化，并使粗大的柱狀晶組織減少，釩的加入，明顯提高硬度而降低韌性，如果與鉬同時加入0.1%的釩，對材料的綜合力學性能是有益的。
　　（7）硫、磷 金屬在凝固過程中，由于硫、磷沿晶界析出含硫、磷共晶體，而降低力學性能，在鑄造及熱處理過程中而產生裂紋，所以盡量控制在0.05%以下。
　　5 鑄造工藝
　　5.1 熔煉及澆注
　　爐料采用低硅生鐵、廢鋼，合金元素使用鉻鐵（從效益出發，常用高碳或碳素鉻鐵）、錳鐵、釩鐵（可用礬、鈦生鐵）。用0.5噸中頻電爐熔煉，裝料順序：生鐵→鉻鐵→鉬鐵。當爐溫達到1500℃時，加入錳鐵、硅鐵等合金。之后進行脫氧，除渣出爐。
　　5.2 離心澆注機轉速
　　選擇離心澆注機的轉速應基于這樣兩個要求：（1）在保證鑄件不產生裂紋的情況下，應選擇較高的轉速；（2）在保證鑄件不出現夾渣，淋落的情況下，應選擇較低的轉速。
　　根據我們的實踐經驗確定離心機的轉速，選擇下公式較為適宜。
　　n=29 式中
　　n---鑄型轉速（v/min）
　　G---重力系數（常選50～80）
　　R---鑄件內徑（cm）
　　確定重力系數G的原則：
　　（1）對于凝固區間較寬的合金，G值應偏高些，有利于穿過枝晶補縮；（2）對于易產生比值偏析的合金，應取稍低的G值，以減緩偏析；（3）R小的鑄件，應取稍大的G值；（4）鑄型用干砂襯，應取較高G值。
　　5.3 澆注溫度
　　澆注溫度的高低直接關系到鑄件質量，澆注溫度過低，鑄件易出現冷隔夾層等缺陷。澆注溫度過高，則易出現裂紋，另外延長鑄件在模具內的停留時間，將會縮短模具的使用壽命、甚至使鑄件與模具粘結在一起。盡管高鉻鑄鐵流動性較好，澆注溫度不像中、低碳鋼那樣要求嚴格，但是，在高鉻鑄鐵中，常有熔點很高的顆粒存在，鑄件凝固后形成白亮硬點（經車或珩磨后發現），影響材料韌性。而且缸套在使用過程中，白亮點易脫落變成磨料，加速研磨體的磨損，縮短研磨體的使用壽命。白亮點顆粒是如何形成的，是什么物質有待進一步探討。所以高鉻鑄鐵的熔煉及出爐溫度適當提高，在保證鑄件內外部質量的情況下，澆注溫度卻應適當降低，應控制在1530-1550℃出爐，鎮靜到1500℃左右澆注。
　　5.4 澆注速度
　　在實際操作中，應根據各種溫度的不同而控制澆注速度，溫度高澆注速度應適當降低，溫度低澆注速度應適當加快。正常情況下，澆注速度應控制在1.8～2.2kg/s。
　　5.5 變質處理
　　盡管高鉻鑄鐵具有較高的硬度和一定的沖擊韌性，但仍存在著易脆裂的缺點，為解決脆裂和進一步提高沖擊韌性，國內外對此進行了大量的研究。我們知道，在高鉻鑄鐵中，碳化物是對耐磨性舉足輕重的一個相，它的數量、結構、形態及分布對耐磨性與斷裂性有著十分重要的影響。目前比較統一的認識，就是用含稀土元素的復合孕育劑或以稀土鎂作載體混入鉀、鈉制成的復合變質劑，對高鉻鑄鐵中的碳化物進行變質處理，使碳化物呈團球狀、孤立條塊狀分散分布，以減少對基體的切割作用，達到提高硬度和沖擊韌性的目的。另外，這些變質劑的有效成分，與氧、硫的親和能力很強，加入后可以起到除硫脫氧、凈化晶界的作用，有利于提高材料的綜合機械性能。我們使用的變質劑有稀土1#和鋁混合加入，以及鉀、鈉為主的變質劑。
　　6  熱處理及組織
　　為了充分發揮高鉻鑄鐵的硬度潛力和最佳的耐磨性，同時又使材料具有最大可能的韌性，就必須要進行熱處理。
　　根據缸套在服役過程中，內套需硬度高、耐磨性好的的要求而制定熱處理工藝，以便得到理想的金相組織、硬度和沖擊韌性，以達到提高缸套使用壽命的目的。
　　我廠缸套內套的熱處理工藝如下圖所示，經軟化退火，淬火及回火處理，之后其硬度為HRC62～64。
　　缸套內套退火、淬火、回火的熱處理工藝圖
　　理想的金相組織是馬氏體基體上鑲嵌著團球狀、斷開塊狀或點狀均勻分布的碳化物。應該注意的是，在鑄態情況下，應避免出現大塊狀碳化物或碳化物呈網狀分布。否則經軟化退火后仍難以機械加工。另外，嚴格控制淬火后殘余奧氏體量，不得大于5%。
　　實踐證明，我們通過篩選，內套采用的化學成分，熔煉工藝、熱處理工藝是理想的，使缸套的使用壽命大于1000h/只，不僅居國內先進水平，而且達到國外進口同類產品的水平，目前我廠生產的缸套，除部分供國內油田使用外，主要出口加拿大、美國等國家。