高韧性高铬铸铁衬板的研制与应用

一．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。目前我国各类矿山磨机等选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（ak达200j/cm2），原始硬度不超过hb230，但在高的冲击负荷作用下，工作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，则工体很快磨损。同时高锰钢的屈服极限（δ0.2）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材板硬度。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，致使工体寿命短。
    cr>11%的高铬白口铸铁的共晶碳化物为六方晶系的m7c3，（crfe）7c3硬度为hrm501200-1800，比一般白口铸铁的共晶碳化物fe3c3（hrv50840-1100）高，同时凝固时（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，因此是搞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通过调整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、满足工作使用要求。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。
    二．高铬铸铁的成分设计
    1．碳和铬
    碳和铬的主要作用是保证铸铁中碳化物数量和形态。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，共晶碳化物晶体类型经历由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，同铬铸铁的断裂纹扩展能力最强。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．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，促进马氏体基的形成。
    3．钨
    其作用是细化晶粒，提高硬度，增加耐磨性。
    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，而且可使材料在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0.2-0.5%为宜。