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高韧性高铬铸铁生产工艺及裂纹处理措施

日期：2023-08-24 17:41:22 来源：网络整理作者：本站编辑评论：0

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1 前言

据统计，我国每年消耗的金属耐磨材料约300万吨以上，其中仅冶金矿山消耗的衬板就达10万吨左右。目前我国各类矿山用磨机等选矿设备中的衬板等易损件一般都采用ZGMn13高锰钢材质。这类易损件在使用时要承受一定的冲击和磨料磨损，因此其材质应具有良好的抗磨性能和一定的冲击韧性。ZGMn13奥氏体高锰钢的冲击韧性很高(аk达200J/cm2),原始硬度不超过HB230，但在高的冲击负荷作用下，工件表面层能够产生硬化效应，其表面硬度可达HRC42～48，而中心仍保持优良的韧性。但如果服役时冲击能量不够，奥氏体高锰钢表面冲击硬化效应不能充分产生，高锰钢表面达不到高硬度，则工件很快磨损。同时高锰钢的屈服极限（б0.2）较低（约为350MPa左右），在使用中，尤其是使用前期工件易发生塑性变形。另外球磨机衬板与研磨介质（如磨球）之间还存在一个硬度匹配问题，研磨介质硬度一般应高于衬板硬度HRC3左右较宜，但目前很多厂矿使用的低铬铸铁、高铬铸铁磨球的硬度大大高于高锰钢衬板硬度。高锰钢在低冲击负荷下的上述不足常常导致工件的韧性有余而耐磨性不够，磨损失效快，而且变形严重，致使工件寿命短。

Cr>11%的高铬白口铸铁的共晶碳化物为六方晶系的M7C3，（CrFe）7C3的硬度为HRV50 1200～1800，比一般白口铸铁的共晶碳化物Fe3C（HRV50 840～1100）高，同时凝固特性发生变化，凝固时（CrFe）7C3是孤立相，而奥氏体是连续相，因而韧性较普通白口铸铁大有改善，因此是抗磨粒磨损和抗切削磨损的首选材料。国外应用较多，主要用于中低冲击负荷工况条件的衬板、锤头、磨球、渣浆泵过流部件等大中型磨损件。国内外对高铬铸铁的磨损机制、断裂机制、断裂韧性

（Ｋ1c值）、裂纹扩展机理进行了一系列的研究，结果表明高铬铸铁可以通过调整碳铬比，加入各类合金元素，采用稀土变质处理和热处理工艺等来控制碳化物的大小和形态、二次碳化物量及弥散度以及基体组织（马氏体、奥氏体、索氏体），从而调整性能，满足工件使用要求。近年来国内有关单位也开展了高铬铸铁衬板的研究，其耐磨性可达同工况下高锰钢的2倍以上。但这些材料的韧性仍嫌较低(10×10×55mm无缺口试样的冲击值≤7.3J/cm2)，而且含钼、铜等合金元素，生产成本较高。因此这类高铬铸铁仍有待进一步改进和完善。

2 高铬铸铁的成分设计

2．1 碳和铬

碳和铬的主要作用是保证铸铁中碳化物的数量和形态。随着C量提高，碳化物增多；随着Cr/C比的增加，共晶碳化物的形貌经历了由连续网状→片状→杆状连续程度减小的过程，共晶碳化物晶格类型经历由M3C→M3C+ M7C3→M7C3的变化过程。有资料指出：当共晶碳化物不变，且Cr/C为6.6～7.1时，高铬铸铁的断裂韧性值（即K1c值）最高，亦即此时抗裂纹扩展能力最强。根据这些原理，宜将C量定为3.1～3.6%， Cr量为20～25%。基体中的Cr还可以提高材料的淬透性。

2．2 镍

其作用是增加高铬铸铁的淬透性，抑制奥氏体基体向珠光体的转变，促进马氏体基体的形成。

2．3 钨

其作用是细化晶粒，提高硬度，增加耐磨性。

2．4 高效稀土复合变质剂

其作用是脱氧和去硫，从而抑制夹杂物在晶界的偏聚，改善晶界状况；另外，由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物择优长大的方向上，使碳化物的生长受到抑制，从而使其变得均匀、孤立，而其他变质元素可以形成弥散分布的碳、氮化合物，阻止晶粒长大，从而细化晶粒。稀土复合变质剂的以上作用不仅改善材料的显微组织，而且可使材料的硬度特别是冲击韧性明显提高。本高效稀土复合变质剂的加入量取0.3～0.5％为宜。

3. 高铬铸铁的组织和性能

3.1 铸态

组织：索氏体+共晶碳化物及条状块状棒状碳化物。

硬度：HRC 48.6，49.3，46.0，49.4，51.7。平均硬度：HRC 49。

3.2 热处理态

经过“正火空冷+回火空冷”的热处理后，硬度平均为 HRC60.5，金相组织为马氏体+共晶碳化物＋条状块状棒状碳化物。

4 衬板铸件试制

高铬铸铁衬板的铸造工艺如下图1。

4.1 熔炼工艺

熔炼在500Kg酸性中频电炉中进行。

(1) 先往500Kg酸性中频电炉中加入废钢和生铁熔清，再加入铬铁、钨铁、镍调整钢水成分。

(2) 在出钢前5～10分钟内先后加入锰铁和硅铁。

(3) 在出钢前2分钟左右加入0.05%纯铝脱氧。

(4) 铁水出炉温度控制在1460～1500℃左右。

(5) 在包内冲入1.4Kg高效稀土复合变质剂进行孕育处理。

(6) 往包内撒入适量保温聚渣剂覆盖，并镇静5分钟左右，扒渣。

(7) 铁水浇注温度控制在1360～1400℃左右。

4.2 造型制芯工艺

造型工艺采用有机酯水玻璃砂工艺：

配料：下箱砂与芯砂：原砂（40/70目）100%+水玻璃5% (占原砂重)+有机酯12% (占水玻璃重)+EZK型溃散剂2.5% (占原砂重)。

上箱砂：原砂100%+水玻璃 4.5% (占原砂重)+有机酯12% (占水玻璃重)，不加溃散剂。

混砂工艺：原砂加溃散剂混1分钟→加有机酯混2～3分钟→加水玻璃混1～2分钟→出砂

型砂可使用时间：25～30分钟。

脱模时间：0.5～1.5小时。

涂料采用醇基锆英粉涂料，要求搅拌充分，均匀刷涂两次，点火快干。

冒口采用漂珠保温套。

试生产的铸件表面质量好，无铸造缺陷。

4.3 热处理工艺

铸件清理后，进行热处理。热处理在台车式电阻炉内进行，热处理工艺为“正火空冷+回火空冷”。铸件热处理后硬度平均为HRC60.5，冲击韧性高达8.1J/cm2(10×10×55mm无缺口试样)。

5 装机试用

试生产的衬板装机运行试验在武钢金山店铁矿生产率为115T/h的Φ3.6×4m湿式球磨机中进行。铁矿石莫氏硬度F＝7～8。新型高铬铸铁衬板与高锰钢（ZGMn13）衬板同时间隔安装。试验从2001年7月4日开始,在使用5081小时,处理铁矿石609720吨后,新型低合金钢衬板与相同工况下的高锰钢衬板的质量变化情况对比于表1。由表1可知：高铬铸铁衬板的耐磨性是高锰钢（ZGMn13）衬板的 2.6 倍。

开机检查，未见衬板有裂纹。这表明：这种高铬铸铁衬板的韧性能达到磨机的使用要求。

表1 高铬铸铁衬板与相同工况下的高锰钢衬板的耐磨性对比

衬板材质	原始质量（Kg）	使用后质量（Kg）	质量减量（Kg）	磨损率（%）	相对耐磨性
ZGMn13高锰钢	326 Kg	277.3 Kg	48.7 Kg	14.94	1
高铬铸铁	319 Kg	300.5 Kg	18.5 Kg	5.79	2.6

6　结语

新型高韧性高铬铸铁衬板（KmTBCr20NiWRe）不含价格昂贵的钼、铜，采用了适合我国资源特点的高效稀土复合变质剂和较多的铬，其硬度达到HRC60以上，冲击韧性达到8J/cm2以上，耐磨性达到ZGMn13高锰钢衬板的2.6倍。

高铬铸铁热处理裂纹产生原因及对策

假如铸铁有白口，建议850度退火；假如铸铁没有白口，建议略低于A1退火，使共晶渗碳体和共析渗碳体石墨化，以达到降低硬度的要求。

1. 高铬铸件一般都是白口铁。2.退火用850℃加热，降温到720℃左右保温，再降温到600℃出炉，硬度可以降到33--38HRC。这是目前来看可以降到的最低硬度。

处理的高铬耐磨铸铁件是协作厂自己配料、熔炼、浇注的。主要合金元素为Cr、Mn,用于金矿开采，工作条件恶劣，要求高硬度（HRC62-67）、高耐磨性。其中有批铸铁由于浇注成份中Cr含量不足，使铸件的临界冷却速度上升，采用常规冷却，硬度达不到技术要求，所以我们采用了油冷（见图1）。但处理后，硬度虽然达到了技术要求，铸件却出现了裂纹。我们对裂纹进行了分析并采取了相应的改进措施。

1　裂纹形态

裂纹出现于零件的外表面和尖角处，裂纹破断→面上无氧化，可以断定为淬火裂纹。

2　裂纹产生的原因

1)铸件成份不均匀，存在偏析。

2)高温保温时间过长，晶粒长大，机械性能下降。

3)铸铁传热慢，当外部的温度很快冷却到MS点，开始转变马氏体时，内部的温度还很高，当外部转变马氏体完成后，内部才开始转变，外部承受由内部组织转变膨胀引起的拉应力，当拉应力超过材料的抗拉强度时，产生开裂。

3　改进措施

3.1　加热规范的改进

　　为了使铸件内外温差尽量小，合金元素及碳得以充分的溶解和扩散，减少铸件在高温时的保温时间，将铸件的氧化脱碳程度及晶粒长大趋势控制在最小，我们采取了在200℃，400℃，800℃分段预热的加热方法，根据零件的重量和装炉量，在980℃保温45分钟，然后出炉。

3.2　冷却规范的改进

　　过冷奥氏体在不同温度有不同的稳定性。在650℃～400℃这一奥氏体最不稳定区，应以大于淬火临界冷却速度冷却，以防止奥氏体发生珠光体类型转变，而在650℃以上和低于400℃区间冷却速度应缓慢，减少由于温差及马氏体转变所产生的热应力和组织应力，以减小变形和预防开裂。因此，零件980℃出炉后，在空气中预冷至700℃左右，然后入油。在油中静止冷却到400℃出油，空冷至150℃左右再立即回火。回火温度为320℃，保温2小时。

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