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高鉻鑄鐵
耐磨、高韌性、高強(qiáng)度的鑄鐵
高鉻鑄鐵是高鉻白口抗磨鑄鐵的簡(jiǎn)稱，是一種性能優(yōu)良而受到特別重視的抗磨材料；它以比合金鋼高得多的耐磨性，比一般白口鑄鐵高得多的韌性、強(qiáng)度，同時(shí)它還兼有良好的抗高溫和抗腐蝕性能，加之生產(chǎn)便捷、成本適中，而被譽(yù)為當(dāng)代最優(yōu)良的抗磨料磨損材料之一。
基本信息
| 中文名 | 高鉻鑄鐵 |
| 外文名 | high chromium cast iron |
| 別名 | 高鉻白口抗磨鑄鐵 |
| 特點(diǎn) | 耐磨、高韌性、高強(qiáng)度 |
| 組合 | 基體+碳化物 |
| 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) | GB/T8263 |
| 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) | 美ASTMA532M |
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基本介紹
高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵﹑鎳硬鑄鐵發(fā)展起來(lái)的第三代耐磨材料。由于高鉻鑄鐵自身組織的特點(diǎn)，使得高鉻鑄鐵比普通鑄鐵具有高得多的韌性、高溫強(qiáng)度、耐熱性和耐磨性等性能。高鉻鑄鐵已被譽(yù)為當(dāng)代最優(yōu)良的抗磨料磨損材料，并日益得到廣泛應(yīng)用。
高鉻鑄鐵的良好的耐磨性主要取決于其基體組織和碳化物的類型及分布特點(diǎn)。
高鉻鑄鐵是以Fe，Cr，C為基本成分的多元合金。剛凝固下來(lái)的高鉻鑄鐵中基體是奧氏體，這種奧氏體在加熱至較高的溫度下才是穩(wěn)定的，而且被C、Cr等元素所飽和。當(dāng)溫度降低時(shí)，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變。通常條件下，高鉻鑄鐵呈現(xiàn)以?shī)W氏體為主的多相組織，這種組織的鑄鐵在高溫下使用，更能發(fā)揮材質(zhì)本身的潛能。
高鉻鑄鐵是含鉻量在12%-28%之間的鉻系白口鑄鐵，由于鉻的大量加入使得白口鐵中的M3C型碳化物變成M7C3型碳化物。這種合金碳化物很硬，賦予了高鉻鑄鐵良好的耐磨性。另一方面，在凝固過(guò)程中M7C3型碳化物呈桿狀孤立分布，使得高鉻鑄鐵的韌性有了一定程度的改善。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
抗磨白口鑄鐵國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)抗磨白口鑄鐵國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T8263）規(guī)定了高鉻白口鑄鐵的牌號(hào)、成分、硬度及熱處理工藝和使用特性。其典型成分及工藝如下表：
表1 高鉻鑄鐵的牌號(hào)及化學(xué)成分（%）
牌號(hào) | C | Mn | Si | Ni | Cr | Mo | Cu | P | S |
KmTBCr12 | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.5 | ≤2.5 | 11.0-14.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
KmTBCr15Mo | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.2 | ≤2.5 | 11.0-18.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
KmTBCr20Mo | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.2 | ≤2.5 | 18.0-23.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
KmTBCr26 | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.2 | ≤2.5 | 23.0-30.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
表2 高鉻鑄鐵的硬度
牌號(hào) | 鑄態(tài)或去應(yīng)力處理 | 硬化態(tài)或硬化態(tài)去應(yīng)力處理 | 軟化退化態(tài) | |||
HRC | HBW | HRC | HBW | HRC | HBW | |
KmTBCr12 | ≥46 | ≥450 | ≥56 | ≥600 | ≤41 | ≤400 |
KmTBCr15Mo | ≥46 | ≥450 | ≥58 | ≥650 | ≤41 | ≤400 |
KmTBCr20Mo | ≥46 | ≥450 | ≥58 | ≥650 | ≤41 | ≤400 |
KmTBCr26 | ≥46 | ≥450 | ≥56 | ≥600 | ≤41 | ≤400 |
表3 高鉻鑄鐵件熱處理規(guī)范
牌號(hào) | 軟化退火處理 | 硬化處理 | 去應(yīng)力處理 |
KmTBCr12 | 920-960℃保溫1-8h,緩冷至700-750℃保溫4-8h,冷至600℃以下出爐空冷或爐冷 | 920-980℃保溫2-6h，出爐空冷 | 200-300℃保溫2-8h，出爐空冷或爐冷 |
KmTBCr15Mo | 920-960℃保溫1-8h,緩冷至700-750℃保溫4-8h,緩冷至600℃以下出爐空冷或爐冷 | 920-980℃保溫2-6h，出爐空冷 | 200-300℃保溫2-8h，出爐空冷或爐冷 |
KmTBCr20Mo | 960-1000℃保溫1-8h,緩冷至700-750℃保溫4-10h,緩冷至600℃以下出爐空冷或爐冷 | 960-1020℃保溫2-6h，出爐空冷 | 200-300℃保溫2-8h，出爐空冷或爐冷 |
KmTBCr26 | 960-1060℃保溫2-6h，出爐空冷 |
美國(guó)高鉻鑄鐵執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTMA532M，英國(guó)為BS4844，德國(guó)為DIN1695，法國(guó)為NFA32401。俄羅斯在前蘇聯(lián)時(shí)期曾研制了12-15%Cr、3-5.5%Mn，壁厚達(dá)200mm的球磨機(jī)襯板，現(xiàn)執(zhí)行?OCT7769標(biāo)準(zhǔn)。特別值得一提的是在近一個(gè)世紀(jì)里，曾為抗磨白口鑄鐵做出了卓越貢獻(xiàn)的美國(guó)克萊梅克斯（Climax）鉬業(yè)公司。1928年該公司首先發(fā)明了鎳硬鑄鐵，把抗磨鑄鐵科技推向了一個(gè)空前高度。1974年為紀(jì)念國(guó)際GIFA，在杜賽爾多夫展覽會(huì)上展示了名為“神秘1號(hào)”和“神秘2號(hào)”。即經(jīng)典的高鉻抗磨鑄鐵153（Cr15Mo3）和1521（Cr15Mo2Cu），現(xiàn)如今克萊梅克斯公司執(zhí)行高鉻鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)如下，
表4 美國(guó)Climax鉬公司規(guī)定的高鉻鑄鐵成分（質(zhì)量分子數(shù)）%
成分 牌號(hào) | 12-1 | 15-3 | 15-2-1 | 20-2-1 | |||
超高碳 | 高碳 | 中碳 | 低碳 | ||||
C | 3.0-3.5 | 3.6-4.3 | 3.2-3.6 | 2.8-3.2 | 2.4-2.8 | 2.8-3.5 | 2.6-2.9 |
Cr | 11-14 | 14-16 | 14-16 | 14-16 | 14-16 | 14-16 | 18-21 |
Mo | 0.5-1.0 | 2.5-3.0 | 2.5-3.0 | 2.5-3.0 | 2.4-2.8 | 1.9-2.2 | 1.4-2.0 |
Cu | <1.0 | - | - | - | - | 0.5-1.2 | 0.5-1.2 |
展開表格
注：①碳含量為下限時(shí)，大斷面中可能出現(xiàn)貝氏體。
應(yīng)用舉例
高鉻鑄鐵磨球在球磨機(jī)中的應(yīng)用
球磨機(jī)是水泥、電力、礦山等行業(yè)研磨工序的主要設(shè)備，磨球是球磨機(jī)主要易損件之一。磨球既要有高的耐磨性，又要有高的韌性。它的耐磨性能高低對(duì)生產(chǎn)起著極為重要的作用。因此提高其硬度、抗沖擊性、耐磨性能極為重要。長(zhǎng)治鋼鐵（集團(tuán)）公司為了改進(jìn)鑄鐵球的致密度，減少熱裂，通過(guò)加入不同的稀土元素，來(lái)改善鑄鐵球的化學(xué)成分和均勻性。并成功用于生產(chǎn)水泥用的球磨機(jī)中，顯著提高了磨球的耐磨性。中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司檢廠已研制成功并投入生產(chǎn)了一種磨球，它是用自行研制的特高鉻耐磨合金鑄鐵制成，由于其具有良好的耐磨性及韌性，用它制作的磨球應(yīng)用在該公司氧化鋁廠原料車間球磨機(jī)上，獲得了很大的成功。這種耐磨材料制成的磨球的應(yīng)用創(chuàng)造出了很好的經(jīng)濟(jì)效益，具體可表現(xiàn)為加球量比原來(lái)少了一半。安徽理工大學(xué)與淮化集團(tuán)公司熱電廠合作制作的高鉻鑄鐵磨球在淮化集團(tuán)熱電廠Φ3.2m球磨機(jī)使用，停機(jī)開倉(cāng)檢查無(wú)明顯破碎變形磨球，破碎率小于0.5%，使用效果良好。在使用高鉻鑄鐵磨球時(shí)，必須考慮到實(shí)際工況條件。尤其是與之相配的襯板必須有足夠的硬度，否則磨損過(guò)快。如何處理好磨球硬度與韌性、淬透性與合金元素含量這兩對(duì)矛盾一直是實(shí)際生產(chǎn)中未解決的難題，通常是硬度高則韌性低，破碎率高；合金元素含量高使淬透性提高，但成本增加。
渣漿泵在礦山、冶金、火力發(fā)電、煤炭、化工和環(huán)保等工礦部門廣泛應(yīng)用于輸送高濃度渣漿，其四大過(guò)流件如蝸殼、葉輪、前護(hù)板和后護(hù)板等在工作過(guò)程中不但承受物料的沖刷磨損，而且還承受漿料的腐蝕作用，運(yùn)行工況極其惡劣，因此其過(guò)流部件成為冶金礦山行業(yè)常見的易損件。國(guó)內(nèi)外渣漿泵過(guò)流部件所用材料主要有不銹鋼、高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵。高鉻鑄鐵是渣漿泵過(guò)流件的理想候選材料，通過(guò)碳、鉻含量水平的調(diào)整或選擇，可以獲得不同工礦條件下過(guò)流件的最佳使用效果。蔣業(yè)華等人研究發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)和熱處理態(tài)兩種狀態(tài)下的Cr28高鉻鑄鐵的腐蝕磨損性能與高鉻鑄鐵標(biāo)樣Cr15Mo3相比都有顯著地提高，表現(xiàn)出優(yōu)越的耐腐蝕磨損性能。西安交通大學(xué)研究的Cr28%左右的高鉻鑄鐵和利用稀土變質(zhì)處理的高鉻鑄鐵耐沖刷腐蝕性能優(yōu)越，可望成為渣漿泵過(guò)流件的新材料。改善定向凝固設(shè)備和工藝，以制備碳化物定向排列的高鉻鑄鐵，這也是一種值得期待的方法。
錳鋁復(fù)合高鉻鑄鐵的水泥磨磨輥襯板，對(duì)于厚大件其淬透性、耐磨性都不理想，僅適用于有效截面在100mm-140mm的鑄件上。厚大截面的磨輥襯板需要有一定抗沖擊能力的高鉻鑄鐵品種，用于大型水泥立磨。沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司開發(fā)研制的高鉻鑄鐵襯板，已使用在各種系列立磨、中速磨上。
高鉻鑄鐵在破碎機(jī)顎板上的應(yīng)用
鑄造工藝舉例
錘頭高鉻鑄鐵鑄造工藝
1、工藝上常常通過(guò)調(diào)整碳含量來(lái)達(dá)到改變碳化物數(shù)量。
2、不含其他合金元素的高鉻鑄鐵，空淬能淬透的最大直徑為20mm，要提高淬透性，必須加入合金元素。
4、銅降低Ms，會(huì)造成許多的殘留奧氏體，因此，一般控制在1.5%以下。
5、由于V價(jià)格高，通常只適用于不易熱處理的鑄件。
6、硅提高M(jìn)s，會(huì)減少殘留奧氏體，同時(shí)降低淬透性，因此，一般應(yīng)控制。
7、高鉻鑄鐵感應(yīng)爐熔煉溫度1480℃，已經(jīng)足夠，不必太高。
8、高鉻鑄鐵澆注溫度不希望太高，以免收縮過(guò)大和粘砂。澆注溫度厚大件1350-1400℃，（一般件1380-1420℃）。高的澆注溫度加重冒口下的縮孔，而且會(huì)造成濃密的顯微縮松，同時(shí)使晶粒組織粗大。
9、高鉻鑄鐵模型收縮率2%。
10、高鉻鑄鐵冒口尺寸按碳鋼設(shè)計(jì)，澆注系統(tǒng)按灰鑄鐵設(shè)計(jì)。采用氣割法切割澆冒口，容易產(chǎn)生熱裂紋，故設(shè)計(jì)時(shí)采用易割冒口或者側(cè)冒口，采用敲擊法去除。
11、高鉻鑄鐵壽命短的原因，不是金相不合格，而是，鑄件內(nèi)存在縮孔、氣孔、夾雜等鑄造缺陷，因此必須足夠重視鑄造工藝。
12、高鉻鑄鐵容易開裂。在鑄造工藝設(shè)計(jì)上注意不讓鑄件收縮受阻，以免造成開裂。
13、高鉻鑄鐵鑄件在鑄型中應(yīng)充分冷卻，然后開箱。開箱過(guò)早，開箱溫度過(guò)高，是鑄件開裂的主要原因。
14、高鉻鑄鐵采用金屬型鑄造時(shí)，澆注溫度應(yīng)保持在150℃以上，以免鑄件冷卻太快開裂。
15、高鉻鑄鐵采用高溫空淬，中低溫回火的熱處理，獲得高硬度的馬氏體基體。
16、高鉻鑄鐵在熱處理前的鑄態(tài)基體組織取決于鑄態(tài)冷卻速度的高低。冷卻速度高時(shí)通常為奧氏體基體：隨冷卻速度降低逐漸開始析出部分馬氏體、珠光體和奧氏體的混合物。冷卻速度進(jìn)一步降低，可能獲得珠光體基體的組織。
17、高鉻鑄鐵一般根據(jù)鉻含量和零件壁厚選擇最佳淬火溫度。淬火溫度越高，淬透性越高，但淬火后形成殘留奧氏體數(shù)量有可能越多。Cr15高鉻鑄鐵的淬火溫度940-970℃，Cr20高鉻鑄鐵的淬火溫度960-1010℃。保溫時(shí)間根據(jù)壁厚選擇。一般2-4h,壁厚零件4-6h。
18、空淬后的高鉻鑄鐵存在較大的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)盡快進(jìn)行回火熱處理。
19、對(duì)一些形狀復(fù)雜、壁厚形成懸殊的高鉻鑄鐵鑄件應(yīng)嚴(yán)格控制升溫溫度（≤50℃/h），以免鑄件開裂。有時(shí)采用階梯式升溫（在200℃、400℃、600℃停留2-3h）更為安全，在700℃以上升溫可以適當(dāng)加速。但不超過(guò)150℃/h。
20、保溫時(shí)間應(yīng)視鑄件壁厚、裝爐量、狀態(tài)和升溫速度等因素綜合考慮，以免由于部分鑄件或鑄件的心部因保溫時(shí)間不足而出現(xiàn)淬不透。
22、高鉻鑄鐵在熔煉過(guò)程中溫度控制在1450℃，最后快速升溫控制在1480℃脫氧出爐。
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