高韌性高鉻鑄鐵襯板的研制與應(yīng)用

1、高韌性高鉻鑄鐵襯板的研制與應(yīng)用一前言 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國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。目前我國各類礦山磨機(jī)等選礦山用磨機(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（ak達(dá)200J/cm2），原始硬度不超過HB230，但在高的沖擊負(fù)荷作用下，工作表面層能夠產(chǎn)生硬化效應(yīng)，其表面硬度可達(dá)HRC42-48，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)不能充分產(chǎn)生，高錳鋼表面達(dá)不

2、到高硬度，則工體很快磨損。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材板硬度。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，致使工體壽命短。 Cr11%的高鉻白口鑄鐵的共晶碳化物為六方晶系的M7C3，（CrFe）7C3硬度為HRM501200-1800，比一般白口鑄鐵的共晶碳化物Fe3C3（HRV50840-1100）

3、高，同時(shí)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，因此是搞磨粒磨損和抗切削磨損的首選材料。國外應(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。國內(nèi)外對高鉻鑄鐵的磨損機(jī)制、斷裂機(jī)制、斷裂韌性（K1c值）、裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究，結(jié)果表明高鉻鑄鐵可通過調(diào)整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、滿足工作使用要求。近年來國內(nèi)有關(guān)單位也開展了高鉻鑄鐵襯板的研究，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

4、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。 二高鉻鑄鐵的成分設(shè)計(jì) 1碳和鉻 碳和鉻的主要作用是保證鑄鐵中碳化物數(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，共晶碳化物晶體類型經(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6.6-7.1時(shí)，同鉻鑄鐵的斷裂紋擴(kuò)展能力最強(qiáng)。根據(jù)這些原理，宜將C量定為3.1-3.6%，Cr量為20-25%。基體中的Cr還可以提高材料的淬透性。 2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

5、體的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)馬氏體基的形成。 3鎢 其作用是細(xì)化晶粒，提高硬度，增加耐磨性。 4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)長大的方向上，使碳化物的生長受到抑制，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，而且可使材料在硬度特別是沖擊韌性明顯提高。本高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑的加入量取0.2-0.5%為宜。 三高鉻鑄鐵的組織和性能 1鑄態(tài) 組織：索氏體+共晶碳化物及條狀塊壯棒狀碳化物。 硬度：HRC48.6，49.3，46

6、.0，49.4，51.7。平均硬度：HRC49。 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。 四襯板鑄件試制 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)整鐵水成分。 （2）在出鐵前5-10鐘內(nèi)先后加入錳鐵和硅鐵。 （3）在出鐵前2分鐘左右加入0.05%純鋁脫氧。 （4）鐵水出爐溫度控制在1460-1500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、 （7）鐵水澆注溫度控制在1360-1400左右。 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。 混砂工藝：原砂加潰散劑混1分鐘加有機(jī)酯混2-3分鐘加水玻璃混1-2分鐘出砂 型砂可使用時(shí)間：25-30分鐘。 脫模時(shí)間：0.5-1.5小時(shí)。 涂料采用醇基鋯英粉涂料，要求攪拌充分，均勻刷涂兩次，占火快干。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。 3熱處理

8、工藝 鑄件清理后，進(jìn)行熱處理。熱處理在臺車式電阻爐內(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.J/cm2（101055mm無缺口試樣）。 五裝機(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F=7-8。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)，處理鐵石606720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)量變化情況對比表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 兩種材料質(zhì)襯板的耐磨性對比 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%相對耐磨性（ZGMn13）326(kg)277.3(kg)48.7(kg)14.941高鉻鑄鐵319(kg)300.5(