一．前言
據(jù)統(tǒng)計，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)不到高硬度，則工體很快磨損。同時高錳鋼的屈服極限（δ 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。
Cr>11% 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 ）高，同時凝固時（ 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（ 10 × 10 × 55mm 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。
二．高鉻鑄鐵的成分設(shè)計
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 M3C → M3C+M7C3 → M7C3 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，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 ， 46.0 ， 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 ）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
型砂可使用時間： 25-30 分鐘。
脫模時間： 0.5-1.5 小時。
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 （ 10 × 10 × 55mm 無缺口試樣）。
五．裝機(jī)試用
試生產(chǎn)的襯板裝機(jī)運(yùn)行試驗在武鋼金山店鐵礦生產(chǎn)率為 115T/h 的ф 3.6 × 4m 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 ）襯板同時間隔安裝。試驗從 2001 年 7 月 4 日開始，在使用 5081 小時，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
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