高韌性高鉻鑄鐵襯板的研制和應(yīng)用

1、高韌性高鉻鑄鐵襯板的研制和應(yīng)用馮勝山 楊應(yīng)凱 葉學(xué)賢 曹金宏 余松明1 前言 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年消耗的金屬耐磨材料約300萬噸以上，其中僅冶金礦山消耗的襯板就達(dá)10萬噸左右。目前我國(guó)各類礦山用磨機(jī)等選礦設(shè)備中的襯板等易損件一般都采用ZGMn13高錳鋼材質(zhì)。這類易損件在使用時(shí)要承受一定的沖擊和磨料磨損，因此其材質(zhì)應(yīng)具有良好的抗磨性能和一定的沖擊韌性。ZGMn13奧氏體高錳鋼的沖擊韌性很高(k達(dá)200J/cm2),原始硬度不超過HB230，但在高的沖擊負(fù)荷作用下，工件表面層能夠產(chǎn)生硬化效應(yīng)，其表面硬度可達(dá)HRC4248，而中心仍保持優(yōu)良的韌性。但如果服役時(shí)沖擊能量不夠，奧氏體高錳鋼表面沖擊硬化效應(yīng)不

2、能充分產(chǎn)生，高錳鋼表面達(dá)不到高硬度，則工件很快磨損。同時(shí)高錳鋼的屈服極限（0.2）較低（約為350MPa左右），在使用中，尤其是使用前期工件易發(fā)生塑性變形。另外球磨機(jī)襯板與研磨介質(zhì)（如磨球）之間還存在一個(gè)硬度匹配問題，研磨介質(zhì)硬度一般應(yīng)高于襯板硬度HRC3左右較宜，但目前很多廠礦使用的低鉻鑄鐵、高鉻鑄鐵磨球的硬度大大高于高錳鋼襯板硬度。高錳鋼在低沖擊負(fù)荷下的上述不足常常導(dǎo)致工件的韌性有余而耐磨性不夠，磨損失效快，而且變形嚴(yán)重，致使工件壽命短。Cr11%的高鉻白口鑄鐵的共晶碳化物為六方晶系的M7C3，（CrFe）7C3的硬度為HRV50 12001800，比一般白口鑄鐵的共晶碳化物Fe3C（HR

3、V50 8401100）高，同時(shí)凝固特性發(fā)生變化，凝固時(shí)（CrFe）7C3是孤立相，而奧氏體是連續(xù)相，因而韌性較普通白口鑄鐵大有改善，因此是抗磨粒磨損和抗切削磨損的首選材料。國(guó)外應(yīng)用較多，主要用于中低沖擊負(fù)荷工況條件的襯板、錘頭、磨球、渣漿泵過流部件等大中型磨損件。國(guó)內(nèi)外對(duì)高鉻鑄鐵的磨損機(jī)制、斷裂機(jī)制、斷裂韌性（1c值）、裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究，結(jié)果表明高鉻鑄鐵可以通過調(diào)整碳鉻比，加入各類合金元素，采用稀土變質(zhì)處理和熱處理工藝等來控制碳化物的大小和形態(tài)、二次碳化物量及彌散度以及基體組織（馬氏體、奧氏體、索氏體），從而調(diào)整性能，滿足工件使用要求。近年來國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也開展了高鉻鑄鐵襯板的研

4、究，其耐磨性可達(dá)同工況下高錳鋼的2倍以上。但這些材料的韌性仍嫌較低(101055mm無缺口試樣的沖擊值7.3J/cm2)，而且含鉬、銅等合金元素，生產(chǎn)成本較高。因此這類高鉻鑄鐵仍有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。2 高鉻鑄鐵的成分設(shè)計(jì)21 碳和鉻 碳和鉻的主要作用是保證鑄鐵中碳化物的數(shù)量和形態(tài)。隨著C量提高，碳化物增多；隨著Cr/C比的增加，共晶碳化物的形貌經(jīng)歷了由連續(xù)網(wǎng)狀片狀桿狀連續(xù)程度減小的過程，共晶碳化物晶格類型經(jīng)歷由M3CM3C+ M7C3M7C3的變化過程。有資料指出：當(dāng)共晶碳化物不變，且Cr/C為6.67.1時(shí)，高鉻鑄鐵的斷裂韌性值（即K1c值）最高，亦即此時(shí)抗裂紋擴(kuò)展能力最強(qiáng)。根據(jù)這些原理，

5、宜將C量定為3.13.6%， Cr量為2025%?；w中的Cr還可以提高材料的淬透性。22 鎳 其作用是增加高鉻鑄鐵的淬透性，抑制奧氏體基體向珠光體的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)馬氏體基體的形成。23 鎢 其作用是細(xì)化晶粒，提高硬度，增加耐磨性。24 高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑其作用是脫氧和去硫，從而抑制夾雜物在晶界的偏聚，改善晶界狀況；另外，由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物擇優(yōu)長(zhǎng)大的方向上，使碳化物的生長(zhǎng)受到抑制，從而使其變得均勻、孤立，而其他變質(zhì)元素可以形成彌散分布的碳、氮化合物，阻止晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒。稀土復(fù)合變質(zhì)劑的以上作用不僅改善材料的顯微組織，而且可使材料的硬度特別是沖擊韌性明顯提高。本高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑

6、的加入量取0.30.5為宜。3. 高鉻鑄鐵的組織和性能3.1 鑄態(tài)組織：索氏體+共晶碳化物及條狀塊狀棒狀碳化物。硬度：HRC 48.6，49.3，46.0，49.4，51.7。平均硬度：HRC 49。3.2 熱處理態(tài)經(jīng)過“正火空冷+回火空冷”的熱處理后，硬度平均為 HRC60.5，金相組織為馬氏體+共晶碳化物條狀塊狀棒狀碳化物。4 襯板鑄件試制高鉻鑄鐵襯板的鑄造工藝如下圖1。4.1 熔煉工藝熔煉在500Kg酸性中頻電爐中進(jìn)行。 (1) 先往500Kg酸性中頻電爐中加入廢鋼和生鐵熔清，再加入鉻鐵、鎢鐵、鎳調(diào)整鋼水成分。(2) 在出鋼前510分鐘內(nèi)先后加入錳鐵和硅鐵。(3) 在出鋼前2分鐘左右加入

7、0.05%純鋁脫氧。(4) 鐵水出爐溫度控制在14601500左右。(5) 在包內(nèi)沖入1.4Kg高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行孕育處理。(6) 往包內(nèi)撒入適量保溫聚渣劑覆蓋，并鎮(zhèn)靜5分鐘左右，扒渣。(7) 鐵水澆注溫度控制在13601400左右。圖1 高鉻鑄鐵襯板的鑄造工藝圖 4.2 造型制芯工藝造型工藝采用有機(jī)酯水玻璃砂工藝：配料：下箱砂與芯砂：原砂（40/70目）100%+水玻璃5% (占原砂重)+有機(jī)酯12% (占水玻璃重)+EZK型潰散劑2.5% (占原砂重)。 上箱砂：原砂100%+水玻璃 4.5% (占原砂重)+有機(jī)酯12% (占水玻璃重)，不加潰散劑?；焐肮に嚕涸凹訚⑸┗?分鐘加有機(jī)

8、酯混23分鐘加水玻璃混12分鐘出砂型砂可使用時(shí)間：2530分鐘。脫模時(shí)間：0.51.5小時(shí)。涂料采用醇基鋯英粉涂料，要求攪拌充分，均勻刷涂?jī)纱危c(diǎn)火快干。冒口采用漂珠保溫套。試生產(chǎn)的鑄件表面質(zhì)量好，無鑄造缺陷。4.3 熱處理工藝鑄件清理后，進(jìn)行熱處理。熱處理在臺(tái)車式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，熱處理工藝為“正火空冷+回火空冷”。鑄件熱處理后硬度平均為HRC60.5，沖擊韌性高達(dá)8.1J/cm2(101055mm無缺口試樣)。5 裝機(jī)試用試生產(chǎn)的襯板裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)在武鋼金山店鐵礦生產(chǎn)率為115T/h的3.64m濕式球磨機(jī)中進(jìn)行。鐵礦石莫氏硬度F78。新型高鉻鑄鐵襯板與高錳鋼（ZGMn13）襯板同時(shí)間隔安裝。試驗(yàn)從2001年7月4日開始,在使用5081小時(shí),處理鐵礦石609720噸后,新型低合金鋼襯板與相同工況下的高錳鋼襯板的質(zhì)量變化情況對(duì)比于表1。由表1可知：高鉻鑄鐵襯板的耐磨性是高錳鋼（ZGMn13）襯板的 2.6 倍。開機(jī)檢查，未見襯板有裂紋。這表明：這種高鉻鑄鐵襯板的韌性能達(dá)到磨機(jī)的使用要求。 表1 高鉻鑄鐵襯板與相同工況下的高錳鋼襯板的耐磨性對(duì)比襯板材質(zhì)原始質(zhì)量（Kg）使用后質(zhì)量（Kg）質(zhì)量減量（Kg）磨損率（%）相對(duì)耐磨性ZGMn13高錳鋼326 Kg277.3 Kg48.7 Kg14.941高鉻鑄鐵319 K