□□李固成

高鉻合金鑄鐵襯板的制造與應(yīng)用

High Chromium Alloy Cast Iron Liner Application in Cement Industry

□□李固成

1 引言

水泥工業(yè)用球磨機(jī)耐磨襯板，經(jīng)歷了高錳鋼、合金鋼和高鉻合金鑄鐵襯板的三個(gè)應(yīng)用發(fā)展階段。高錳鋼作為第一代耐磨材料，已有100多年的歷史，其特點(diǎn)是韌性好，在強(qiáng)沖擊條件下發(fā)生加工硬化，但硬化能力不足且易塑性變形而早期失效。合金鋼類襯板材料因其高韌性、低成本及良好的耐磨性和適宜性而得到快速發(fā)展。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于合金含量少耐磨性仍然不能滿足市場需求。高鉻鑄鐵襯板耐磨性高，使用壽命長，一直以來被業(yè)界所認(rèn)知。其高性能化代表了目前金屬耐磨材料的最高水準(zhǔn)。但是，由于其合金含量高，生產(chǎn)成本相對偏高等，推廣應(yīng)用受到了不同程度的影響，致使應(yīng)用者廖廖。金屬耐磨材料的發(fā)展，推動了產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量技術(shù)進(jìn)步，高鉻合金抗磨材料的應(yīng)用重新擺在了重要議事日程，是新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)必須考慮的一項(xiàng)重要工作。

2 高鉻抗磨白口鑄鐵

2.1 （Fe，Cr）7C3型碳化物和馬氏體基體的高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵是特別受到重視的一種抗磨材料，早在1917年就出現(xiàn)了高鉻鑄鐵專利，它一般指含鉻量在12%～28%范圍內(nèi)的合金白口鑄鐵，含碳量在2.4%～3.6%之間，是目前國內(nèi)外使用最廣泛的耐磨材料之一。高鉻鑄鐵的特點(diǎn)是共晶碳化物為六方形桿狀及曲面板條狀的 （Fe，Cr）7C3型碳化物，呈斷網(wǎng)狀分布，對基體的割裂作用較小，顯微硬度高達(dá)HV1300-1800，而且韌性和耐磨性較高，組織形態(tài)如圖1所示。

高鉻鑄鐵碳化物硬度很高，必須有堅(jiān)硬的基體支撐使之不易破裂剝落才能發(fā)揮高的抗磨作用，金屬基體中馬氏體最為堅(jiān)硬，因此高鉻鑄鐵必須保證它的基體是馬氏體。高鉻鑄鐵中各種基體組成體的顯微硬度是：鐵素體 HV70-200，珠光體 HV300-460，奧氏體 HV300-600，馬氏體HV500-1000，所以馬氏體高鉻鑄鐵是最常用的高鉻鑄鐵[1]。值得指出的是，當(dāng)高鉻鐵鐵中的鉻含量大于20%時(shí)，在形成（Fe，Cr）7C3型碳化物的同時(shí)，還形成了一定量的（Fe，Cr）23C6型碳化物。這種碳化物主要是從奧氏體溫度降到Ar1點(diǎn)冷卻時(shí)析出的，它的硬度并不比M7C3型高，而且在磨損過程中較容易出現(xiàn)裂紋。高碳低鉻時(shí)，容易形成M3C；低碳高鉻時(shí)，容易出現(xiàn)M23C6。碳與鉻配合適當(dāng)能夠最大限度地生成（Fe，Cr）7C3型碳化物，避免出現(xiàn)（Fe，Cr）23C6型碳化物。 高鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織通常由于鑄件的壁厚和冷卻速度的不同而不同，可能是珠光體、馬氏體或奧氏體等。

2.2 高鉻鑄鐵的化學(xué)成分

高鉻鑄鐵的化學(xué)成分中，鉻和碳是兩個(gè)最重要的元素。碳量決定碳化物的數(shù)量，鉻量決定碳化物的類型。高鉻鑄鐵的含碳量一般都低于共晶碳量，因?yàn)檫^共晶的粗大塊狀碳化物不但使機(jī)械性能下降，而且在磨損過程中也易破裂剝落，使抗磨性也下降。從實(shí)際出發(fā)，含碳量可選擇三個(gè)范圍：2.0%～2.5%、2.5%～2.8%、2.8%～3.4%，高鉻襯板應(yīng)選擇2.4%～2.8%為宜。鉻是降低共晶碳量的元素。例如：含鉻15%的鑄鐵共晶碳量為3.6%；含鉻20%，共晶碳量為3.2%；含鉻25%，共晶碳量則為3%。為了保證碳化物全部為M7C3型，含鉻量應(yīng)在12%以上。此外鉻量的多少還與鑄鐵的淬透性有關(guān)，因?yàn)殂t除與碳結(jié)合形成碳化物以外，尚有部分溶入奧氏體，這部分鉻是起提高淬透性作用的，所以當(dāng)含碳量一定，增加含鉻量，或當(dāng)含鉻量一定，降低含碳量都可提高淬透性，也就是說淬透性是隨鉻碳比的增加而提高的[2]。一般高鉻鑄鐵的Cr／C＞4即可獲得M7C3型碳化物，其中含 鉻 量 15% 的 鑄 鐵 Cr／C=5～6為宜，含鉻量20%的鑄鐵Cr／C=7為宜[3]。根據(jù)工況的不同，對它們的選擇范圍亦應(yīng)有所差異。

圖1 高鉻鑄鐵的組織形態(tài)

高鉻鑄鐵中通常還添加一定數(shù)量的其他合金元素如鉬、錳、銅、鎳等，以提高高鉻鑄鐵的淬透性。鉬是顯著提高淬透性元素，而且Cr／C比愈高，鉬的效果就越大。特別是與銅、錳聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，其淬透性效果更好；鎳不溶于碳化物而完全溶于基體中，因此可充分發(fā)揮它提高淬透性的作用，但鎳降低Ms點(diǎn)，會造成淬火后殘留奧氏體增加，銅的作用和鎳的作用相同，含量不大時(shí)，二者可互相代替，一般加入量不應(yīng)超過1.2%。雖然錳是提高淬透性元素，但它有顯著降低Ms點(diǎn)的作用，錳量太高常使空淬后的高鉻鑄鐵含有較多的殘留奧氏體，為此，錳?？刂圃?%以內(nèi)。硅在高鉻鑄鐵中主要起脫氧作用，由于它能顯著降低高鉻鑄鐵的淬透性，故一般硅含量控制在0.8%左右。硫、磷是有害元素，既降低機(jī)械性能又影響耐磨性，且在鑄造和熱處理過程中促使裂紋的形成，因此硫和磷被限制在較低的含量。

2.3 高鉻鑄鐵的熔煉和鑄造及熱處理

為了提高高鉻合金鑄鐵耐磨性，針對使用條件，采取相應(yīng)的制造工藝，如采用中頻電爐熔化鐵液，或采用電弧爐冶煉加爐外精煉。砂型鑄造或EPC法、V法、VRH法，并以高溫淬火加回火熱處理工藝獲得馬氏體基體，即能達(dá)到和滿足使用性能要求。

2.4 高鉻鑄鐵的工業(yè)應(yīng)用

高鉻鑄鐵作為一種優(yōu)良的抗磨材料，在工業(yè)領(lǐng)域如冶金礦山、火電能源、工程機(jī)械、建材水泥等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品涉及磨球、襯板、錘頭、磨輥、軋輥、輥套、磨環(huán)、耐磨彎頭、泵殼、葉輪等，有的形成了系列化、批量化，在市場經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

3 高鉻合金鑄鐵襯板

3.1 高鉻鑄鐵襯板技術(shù)規(guī)范

高鉻鑄鐵襯板以其高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性、高耐磨性而著稱。在國外已大量應(yīng)用于水泥工業(yè)大型球磨機(jī)上，一般使用壽命一倉在8年左右，二、三倉在12年以上，有的長達(dá)20年之久 ，表現(xiàn)了良好的耐磨性（見表1）。我國從上世紀(jì)70年代中后期材料科學(xué)工作者開始研究并推廣應(yīng)用高鉻鑄鐵襯板，形成了一系列工藝技術(shù)理論，并于1998年制定了國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC／T691-1998《高鉻鑄鐵襯板技術(shù)條件》，有力地推動了高鉻鑄鐵襯板的生產(chǎn)和應(yīng)用。

3.2 高鉻鑄鐵襯板制造工藝要素及質(zhì)量控制

3.2.1 化學(xué)成分的優(yōu)化

在亞共晶高鉻鑄鐵中，按含碳量分為低碳區(qū)2.0%～2.5%C，中碳區(qū)2.5%～2.8%C，高碳區(qū) 2.8%～3.4%C 等三個(gè)區(qū)。高鉻鑄鐵襯板一般采用中碳區(qū)2.5%～2.8%C，高鉻鑄鐵磨球一般采用低碳區(qū)2.0%～2.5%C，破碎機(jī)錘頭類鑄件一般采用高碳區(qū)2.8%～3.4%C。

從高鉻鑄鐵的鑄態(tài)獲得馬氏體組織要求出發(fā)，對碳量的選擇應(yīng)在中碳區(qū) 2.5%～2.8%C， 使 Cr／c比在 5～6為宜，碳化物含量應(yīng)在21%～25%之間，這對于高鉻鑄鐵Cr15襯板是合適的。對于高鉻鑄鐵Cr20襯板，Cr／C比以7.0為宜，碳化物含量大于26%。這時(shí)高鉻鑄鐵的共晶碳化物為斷網(wǎng)狀，使M7C3型碳化物的顯微硬度提高到HV1300-1800，材料具有強(qiáng)韌性，能夠滿足大型磨機(jī)襯板的使用要求。

3.2.2 微合金化及變質(zhì)處理技術(shù)的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步，材料科學(xué)工作者研究發(fā)現(xiàn)［4］，改變高鉻鑄鐵共晶碳化物形態(tài)、數(shù)量和分布并提高其強(qiáng)韌性的最簡便而且經(jīng)濟(jì)有效的方法是，對鐵液進(jìn)行變質(zhì)處理，控制其凝固。使碳化物由粗大的、互相交錯(cuò)的桿簇狀，變成彼此孤立、分布均勻的細(xì)桿狀，更重要的是細(xì)化共晶碳化物，減少對其基體的割裂作用，提高高鉻鑄鐵晶界的冶金質(zhì)量，以達(dá)到高鉻鑄鐵鑄件的高性能化要求，既提高了強(qiáng)度、韌性和耐磨性，同時(shí)還可以降低鎳、鉬、銅的加入量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

釩、鈦、鈮是形成碳化物結(jié)晶核心的元素，能顯著細(xì)化組織。微量的硼可明顯提高淬透性，有效強(qiáng)化晶界，改變高鉻鑄鐵碳化物形態(tài)，形成高硬度的硼化物，可顯著提高淬透性。稀土是生產(chǎn)中最常用的變質(zhì)劑，能夠提高碳化物的形核率，同時(shí)與鐵液中的氧和硫均有較大的親和力，能凈化鐵液。

當(dāng)稀土和釩、鈦、鈮、硼微量合金化元素（表2）同時(shí)使用時(shí)，合金的細(xì)化晶粒作用與彌散強(qiáng)化作用同稀土的凈化作用同時(shí)得到較好發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)了凈化鐵液、細(xì)化晶粒，提高淬透性和韌性，來共同滿足高鉻鑄鐵襯板的高性能使用要求。

表1 馬科托公司生產(chǎn)的球磨機(jī)高鉻鑄造襯板技術(shù)應(yīng)用情況

表2 稀土和微量合金元素的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

3．2．3 生產(chǎn)用原材料控制

采用優(yōu)質(zhì)廢鋼。主要合金如高碳鉻鐵等要從生產(chǎn)廠家直接采購，這一環(huán)節(jié)是提高襯板品質(zhì)穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。

3．2．4 熱處理工藝

襯板高溫淬火并回火熱處理的目的是提高襯板的沖擊疲勞抗力，提高硬度和韌性，消除或大幅降低內(nèi)應(yīng)力。熱處理時(shí)應(yīng)視鑄件的壁厚、裝爐量、工況條件、熱工技能水平或四季氣溫變化情況而采用不同的淬火冷卻方法。如對厚度大的襯板，應(yīng)保證熱處理過程中襯板不開裂，工藝上應(yīng)使沖擊韌度和硬度之間良好配合。在低溫區(qū)要緩慢升溫，在高溫奧氏體化時(shí)要有一定的保溫時(shí)間，確保襯板硬度值在初始設(shè)定的范圍內(nèi)。

3．2．5 清理打磨工藝

鐵液澆注成襯板后，在砂型中緩冷至8h后開箱，落砂后用敲擊法去掉冒口、飛邊、毛刺。禁割、禁補(bǔ)。冒口的殘余部分應(yīng)干磨去掉；在削磨時(shí)表面不能發(fā)生藍(lán)色，以免引起熱裂紋。熱處理裝筐等搬運(yùn)中應(yīng)輕拿輕放，防止碰撞，防止鑄態(tài)裂紋的產(chǎn)生。

4 高鉻鑄鐵襯板的應(yīng)用及注意事項(xiàng)

高鉻鑄鐵襯板部分型式見圖2、3。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）優(yōu)選法配置襯板

a磨頭板、筒體襯板（一倉），選用中（低）碳高鉻鑄鐵材料；筒體襯板二倉及出料篦板，選用中、高碳高鉻鑄鐵材料；單（整）塊隔倉板選用中碳中鉻合金鋼類材料，分塊組成的隔倉板允許使用低碳高鉻鑄鐵材料，以提高抗磨性能和抗沖擊性能。一般有磨前預(yù)粉磨系統(tǒng)的，如“輥壓機(jī)＋水泥磨”等，平均球徑≤60，高鉻鑄鐵襯板一倉使用壽命8年以上，二倉耐磨時(shí)間更長；隔倉篦板一般使用壽命在4年以上。

b磨頭板、筒體襯板（一倉），選用中（低）碳高鉻鑄鐵材料；出料篦板選用中、高碳高鉻鑄鐵材料；筒體襯板（二倉）選用高碳中鉻合金鋼或中鉻鑄鐵材料，在不影響材料使用性能情況下，盡力降低采購成本。單（整）塊隔倉板選用中碳中鉻合金鋼材料，分塊組成的隔倉板允許使用低碳高鉻鑄鐵材料。

c對于φ4．5m以下水泥磨機(jī)，一般選用高鉻鑄鐵Cr15或Cr13襯板即可滿足生產(chǎn)需要；對φ4．5m以上或φ5m以上水泥磨機(jī)應(yīng)采用高鉻鑄鐵Cr20或Cr26為宜。需要指出的是，球磨機(jī)襯板的磨損有別于其他易磨損件。從入料端到出料端隨鋼球和物料形狀、大小的變化，磨機(jī)內(nèi)不同部位的襯板受力不同，導(dǎo)致襯板磨損程度及表面形貌也不盡一樣。相同的材料，研磨不同特性的物料，顯示出完全不同的耐磨性能。另外襯板的磨損還與磨機(jī)類型、直徑、轉(zhuǎn)數(shù)等密切相關(guān)。因此，根據(jù)不同研磨物料的物理性能、結(jié)構(gòu)，以及它們在研磨過程中對材料的磨損特點(diǎn)，來選擇不同性能的材料，使其物盡其用，顯得十分重要。

（2）襯板與磨球材料應(yīng)相匹配。磨球應(yīng)該選擇高鉻球。高硬度襯板和高硬度磨球匹配，系統(tǒng)耐磨性最高。

（3）粉磨工藝專家、學(xué)者，應(yīng)多設(shè)計(jì)小而厚、單螺栓孔或無螺柱孔襯板，使高合金材料、高性能產(chǎn)品應(yīng)用范圍更寬更廣，為降低金屬材料消耗，提高粉磨效率，趕超國際襯板技術(shù)先進(jìn)水平而共同努力。

（4）高鉻鑄鐵襯板在安裝初期，凡有螺栓孔的襯板，螺柱固定要緊實(shí)、緊密，最好選用橡膠墊作墊層。嚴(yán)禁無任何鋪墊的情況下安裝和使用高鉻鑄鐵襯板。安裝完畢進(jìn)行初（試）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，磨機(jī)內(nèi)必須填充一定量的物料，嚴(yán)禁空磨運(yùn)轉(zhuǎn)。

［1］李海鵬，梁春永，王立輝，等．鉻系白口鑄鐵的研究進(jìn)展[J]．中國鑄造裝備與技術(shù)，2006（5） ，8－12．

［2］西安交通大學(xué)鑄造教研室，等．高鉻鑄鐵的研制與應(yīng)用[J]．第一屆全國金屬耐磨材料學(xué)術(shù)會議論文集，北京：中國金屬學(xué)會耐磨材料學(xué)術(shù)委員會，1982，171－175．

［3］樸東學(xué)，王景安，李宏祥，等．高鉻鑄鐵件高性能化的研究與生產(chǎn) [J]．鑄造，2003增刊，842－845．

［4］李固成，韓書臣，宋芳，等．無鉬鎳高鉻合金鑄鐵耐磨襯板的研制與應(yīng)用 [J]．鑄造，2008（4），394－397．

［5］孔祥忠．2007年中國水泥發(fā)展與2008年市場展望[J]．中國建材報(bào)，2008．4．1，第 13 版．

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沈 穎

李固成（1962-）男，河南泌陽縣人，工程師，主要從事襯板的研制和生產(chǎn)工作。