磷元素对灰铸铁摩擦性能影响的研究

摘要为了研究磷元素对灰铸铁摩擦性能的影响，试验通过在灰铸铁的熔炼过程中添加不同数量的磷元素，对完成熔炼后的铸件进行摩擦性能试验，研究不同质量分数的磷元素对灰铸铁摩擦性能的影响。

关键词磷灰铸铁摩擦性能

1 前言

灰铸铁是一种常见的金属材料，广泛的应用在轨道交通、机床等领域。随着轨道交通及机床领域的发展，除了对材质原有的力学性能、金相组织存在要求外，还要求灰铸铁拥有良好的摩擦性能。磷元素常作为耐磨性铸铁的添加元素，为研究磷元素对灰铸铁摩擦性能的影响，通过改变灰铸铁的磷元素含量进行了生产试验。

2 熔炼工艺分析

2.1 技术要求

该材质的基本力学性能及化学成分需满足TB/T 3104.3中对化学成分、力学性能以及金相组织的要求：

表一产品力学性能及化学成分要求

材质名称	化学成分（质量分数）%					抗拉强度Rm金属表面涂料 MPa	硬度HBW 10/3000
材质名称	C	Si	Mn	S	P	抗拉强度Rm金属表面涂料 MPa	硬度HBW 10/3000
灰铸铁	2.9-3.5	1.8-2.2	0.6-1.2	≤0.15	≤1.0	≥150 座便轮椅	179-255

表二产品金相组织要求

耐磨铸铁

种类	金相组织要求
种类	石墨分布	石墨长度	基体组织
灰铸铁气动加油泵	A、B、AB、BA型	GB/T 7216中3-5级	珠光体+铁素体，铁素体≤18%

2.2 化学成分的确定

2.2.1 碳（C）

碳元素决定石墨的数量及分布形态，且对材质的流动性、收缩性及白口化倾向有很大的影响。碳的含量应当选取标准要求的上限数值。但由于过高的含碳量会增加碎块状石墨形成的可能性，因此，本次试验选取技术要求的中下限3.1-3.2%。

2.2.2 硅（Si）

硅是强烈石墨化的元素，能促进渗碳体的分解而促进石墨化。硅的浓度起伏促使结晶核心的形成及石墨化，并能减少铁液的白口化倾向。但过高的硅元素会使材质的铁素体含量增加，因此硅元素的含量选取技术要求的中限1.9-2.1%。

2.2.3 锰（Mn）

锰能促进并稳定珠光体，使灰铸铁的强度提高。但为避免因锰的偏析产生硬化组织，故锰的含量选取技术要求的中限0.9-1.0%。蛋白层析系统

2.2.4 硫（S）

硫是一个阻碍石墨化较强烈的元素，因此在生产时硫元素的含量要小于等于0.15%。

2.2.5 磷（P）

磷元素为本次试验的变量元素，根据资料显示，磷在铸铁中以二元或三元磷共晶的形式存在于晶界，因此磷元素可以提高灰铸铁的耐磨性，同时能提高材质的硬度，本次试验共选用六种不同质量分数范围的磷元素。

①炉内磷元素含量：0.4%-0.5%；④炉内磷元素含量：0.7%-0.8%；

②炉内磷元素含量：0.5%-0.6%；⑤炉内磷元素含量：0.8%-0.9%；

③炉内磷元素含量：0.6%-0.7%；⑥炉内磷元素含量：0.9%-1.0%；

2.3 熔炼工艺的制定

2.3.1 炉料

为了保证本次试验变量的可控性，试验过程采用高纯生铁以及优质钢板进行熔炼，不在熔炼过程中任何的回炉料，防止回炉料中带入其它的干扰元素，对最终的试验结果产生影响。

2.3.2 熔炼过程

采用统一中频炉进行熔炼，由于每种方案需要500kg的浇注重量，因此共计熔化3000kg的铁水，先将生铁与钢板完全熔化后进行成分检测。完成检测后根据检测结果将炉内的碳元素、硅元素和锰元素调整到工艺范围内，在根据磷元素质量分数从低到高的元素，向炉内添加磷铁，先将炉内磷元素含量调整到方案①的范围内，然后将铁水升温到1520℃左右，保温3-5min，消除生铁中的大块石墨以及异形石墨，保证材质石墨形态的稳定性。保温结束后铁水到达出炉温度，使用硅铁以及硅钡复合孕育剂对铁水进行孕育处理。完成方案①浇注后，向炉内继续添加磷铁，将磷元素含量调整到方案②的范围内，铁水出炉，采用相同的方式进行孕育处理，保证变量的可控性。后续方案重复上述操作。

3 试验结果检测

3.1力学、化学、金相检测结果

上述六种方案完成浇注后，分别随机选取每种方案的一个铸件进行本体解剖，对铸件的本体进行力学、化学、金相检测，检测结果如下：

表三本体力学检测结果

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