基本介紹
- 中文名：高鉻鑄鐵
- 外文名：high chromium cast iron
- 全稱：高鉻白口抗磨鑄鐵
- 國家標準：GB/T8263
- 執行標準：美ASTMA532M
- 組合：基體+碳化物
- 特點：耐磨、高韌性、高強度
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基本介紹
高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵﹑鎳硬鑄鐵發展起來的第三代耐磨材料。由於高鉻鑄鐵自身組織的特點，使得高鉻鑄鐵比普通鑄鐵具有高得多的韌性、高溫強度、耐熱性和耐磨性等性能。高鉻鑄鐵已被譽為當代最優良的抗磨料磨損材料，並日益得到廣泛套用。
高鉻鑄鐵的良好的耐磨性主要取決於其基體組織和碳化物的類型及分布特點。
高鉻鑄鐵是以Fe，Cr，C為基本成分的多元合金。剛凝固下來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定的，而且被C、Cr等元素所飽和。當溫度降低時，奧氏體將發生轉變。通常條件下，高鉻鑄鐵呈現以奧氏體為主的多相組織，這種組織的鑄鐵在高溫下使用，更能發揮材質本身的潛能。
高鉻鑄鐵是含鉻量在12%-28%之間的鉻系白口鑄鐵，由於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。
國家標準
抗磨白口鑄鐵國家標準
表1 高鉻鑄鐵的牌號及化學成分（%）
牌號 | 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 | 鑄態或去應力處理 | 硬化態或硬化態去應力處理 | 軟化退化態 | |||
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範
牌號 | 軟化退火處理 | 硬化處理 | 去應力處理 |
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 |
美國高鉻鑄鐵執行標準為ASTMA532M，英國為BS4844，德國為DIN1695，法國為NFA32401。俄羅斯在前蘇聯時期曾研製了12-15%Cr、3-5.5%Mn，壁厚達200mm的球磨機襯板，現執行ҐOCT7769標準。特別值得一提的是在近一個世紀裡，曾為抗磨白口鑄鐵做出了卓越貢獻的美國克萊梅克斯（Climax）鉬業公司。1928年該公司首先發明了鎳硬鑄鐵，把抗磨鑄鐵科技推向了一個空前高度。1974年為紀念國際GIFA，在杜賽爾多夫展覽會上展示了名為“神秘1號”和“神秘2號”。即經典的高鉻抗磨鑄鐵153（Cr15Mo3）和1521（Cr15Mo2Cu），現如今克萊梅克斯公司執行高鉻鑄鐵標準如下，
表4 美國Climax鉬公司規定的高鉻鑄鐵成分（質量分子數）%
成分 牌號 | 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 |
Mn | 0.5-0.8 | 0.7-1.0 | 0.7-1.0 | 0.5-0.8 | 0.5-0.8 | 0.6-0.9 | 0.6-0.9 |
Si | 0.5-0.8 | 0.3-0.8 | 0.53-0.8 | 0.3-0.8 | 0.3-0.8 | 0.4-0.8 | 0.4-0.9 |
S | <0.05 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | <0.05 |
P | <0.10 | <0.10 | <0.10 | <0.10 | <0.10 | <0.06 | <0.06 |
空冷時不出現珠光體的最大斷面(mm) | - | 70 | 90 | 120 | 200① | >200 | |
硬度HRC | 鑄態 | 60-67 | 51-56 | 50-54 | 44-48 | 50-55 | 50-54 |
淬火 | 62-67 | 60-65 | 58-63 | 60-67 | 60-67 | ||
退火 | 40-44 | 36-42 | 35-40 | 40-44 | 38-43 | ||
套用舉例
高鉻鑄鐵磨球在球磨機中的套用
球磨機是水泥、電力、礦山等行業研磨工序的主要設備，磨球是球磨機主要易損件之一。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生產起著極為重要的作用。因此提高其硬度、抗衝擊性、耐磨性能極為重要。長治鋼鐵（集團）公司為了改進鑄鐵球的緻密度，減少熱裂，通過加入不同的稀土元素，來改善鑄鐵球的化學成分和均勻性。並成功用於生產水泥用的球磨機中，顯著提高了磨球的耐磨性。中國鋁業廣西分公司檢廠已研製成功並投入生產了一種磨球，它是用自行研製的特高鉻耐磨合金鑄鐵製成，由於其具有良好的耐磨性及韌性，用它製作的磨球套用在該公司氧化鋁廠原料車間球磨機上，獲得了很大的成功。這種耐磨材料製成的磨球的套用創造出了很好的經濟效益，具體可表現為加球量比原來少了一半。安徽理工大學與淮化集團公司熱電廠合作製作的高鉻鑄鐵磨球在淮化集團熱電廠Φ3.2m球磨機使用，停機開倉檢查無明顯破碎變形磨球，破碎率小於0.5%，使用效果良好。在使用高鉻鑄鐵磨球時，必須考慮到實際工況條件。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矛盾一直是實際生產中未解決的難題，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。
高鉻鑄鐵在渣漿泵上的套用
渣漿泵在礦山、冶金、火力發電、煤炭、化工和環保等工礦部門廣泛套用於輸送高濃度渣漿，其四大過流件如蝸殼、葉輪、前護板和後護板等在工作過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，運行工況極其惡劣，因此其過流部件成為冶金礦山行業常見的易損件。國內外渣漿泵過流部件所用材料主要有不鏽鋼、高鉻鑄鐵和鎳硬鑄鐵。高鉻鑄鐵是渣漿泵過流件的理想候選材料，通過碳、鉻含量水平的調整或選擇，可以獲得不同工礦條件下過流件的最佳使用效果。蔣業華等人研究發現，鑄態和熱處理態兩種狀態下的Cr28高鉻鑄鐵的腐蝕磨損性能與高鉻鑄鐵標樣Cr15Mo3相比都有顯著地提高，表現出優越的耐腐蝕磨損性能。西安交通大學研究的Cr28%左右的高鉻鑄鐵和利用稀土變質處理的高鉻鑄鐵耐沖刷腐蝕性能優越，可望成為渣漿泵過流件的新材料。改善定向凝固設備和工藝，以製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。
高鉻鑄鐵在水泥磨上的套用
錳鋁複合高鉻鑄鐵的水泥磨磨輥襯板，對於厚大件其淬透性、耐磨性都不理想，僅適用於有效截面在100mm-140mm的鑄件上。厚大截面的磨輥襯板需要有一定抗衝擊能力的高鉻鑄鐵品種，用於大型水泥立磨。瀋陽重型機械集團有限責任公司開發研製的高鉻鑄鐵襯板，已使用在各種系列立磨、中速磨上。
高鉻鑄鐵在破碎機顎板上的套用
隨著破碎機規格的加大和機械化程度的提高，顎板的耐磨性問題變得越來越突出。因顎板耐磨性差，造成頻繁更換，不僅增加了破礦成本，而且降低了生產率，增大了工人勞動強度，因此，提高顎板耐磨性問題已引起了人們的重視。北京冶金設備研究院為河南黃河金礦生產了一批高鉻鑄鐵顎板，用於破碎金礦石，使用壽命是高錳鋼的三倍以上。江西科學研究所研製的高鉻鑄鐵顎板在滸坑鎢礦試用表明，其耐磨性比高錳鋼提高兩倍以上。
鑄造工藝舉例
錘頭高鉻鑄鐵鑄造工藝
高鉻鑄鐵化學成分設計：（一般採用亞共晶高鉻鑄鐵）
1、工藝上常常通過調整碳含量來達到改變碳化物數量。
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。
3、錳劇烈降低Ms，會使高鉻鑄鐵在淬火後有較多的殘留奧氏體，因此，一般控制在1.0%以下。
4、銅降低Ms，會造成許多的殘留奧氏體，因此，一般控制在1.5%以下。
5、由於V價格高，通常只適用於不易熱處理的鑄件。
6、矽提高Ms，會減少殘留奧氏體，同時降低淬透性，因此，一般應控制。
7、高鉻鑄鐵感應爐熔煉溫度1480℃，已經足夠，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，而且會造成濃密的顯微縮松，同時使晶粒組織粗大。
9、高鉻鑄鐵模型收縮率2%。
10、高鉻鑄鐵冒口尺寸按碳鋼設計，澆注系統按灰鑄鐵設計。採用氣割法切割澆冒口，容易產生熱裂紋，故設計時採用易割冒口或者側冒口，採用敲擊法去除。
11、高鉻鑄鐵壽命短的原因，不是金相不合格，而是，鑄件記憶體在縮孔、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。在鑄造工藝設計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充分冷卻，然後開箱。開箱過早，開箱溫度過高，是鑄件開裂的主要原因。
14、高鉻鑄鐵採用金屬型鑄造時，澆注溫度應保持在150℃以上，以免鑄件冷卻太快開裂。
15、高鉻鑄鐵採用高溫空淬，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基體組織取決於鑄態冷卻速度的高低。冷卻速度高時通常為奧氏體基體：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，但淬火後形成殘留奧氏體數量有可能越多。Cr15高鉻鑄鐵的淬火溫度940-970℃，Cr20高鉻鑄鐵的淬火溫度960-1010℃。保溫時間根據壁厚選擇。一般2-4h,壁厚零件4-6h。
18、空淬後的高鉻鑄鐵存在較大的內應力，應儘快進行回火熱處理。
19、對一些形狀複雜、壁厚形成懸殊的高鉻鑄鐵鑄件應嚴格控制升溫溫度（≤50℃/h），以免鑄件開裂。有時採用階梯式升溫（在200℃、400℃、600℃停留2-3h）更為安全，在700℃以上升溫可以適當加速。但不超過150℃/h。
20、保溫時間應視鑄件壁厚、裝爐量、狀態和升溫速度等因素綜合考慮，以免由於部分鑄件或鑄件的心部因保溫時間不足而出現淬不透。
21、高鉻鑄鐵出爐應進行脫氧處理。通常在爐中加0.5%錳鐵進行預脫氧，在爐中加0.25%矽鐵進行初脫氧，在包中加0.05%鋁進行終脫氧。
22、高鉻鑄鐵在熔煉過程中溫度控制在1450℃，最後快速升溫控制在1480℃脫氧出爐。
