鉻鑄鐵

為了提高鑄鐵的抗磨性，防止在鑄鐵中出現(xiàn)石墨組織，向鑄鐵中添加一定數(shù)量的碳化物形成元素鉻從而形成了低鉻鑄鐵。低鉻鑄鐵的含鉻量通常在(質(zhì)量分數(shù))2%～5%范圍內(nèi)，為避免出現(xiàn)石墨，硅量應作限制。此外，為了調(diào)整低鉻鑄鐵的組織，進一步提高抗磨性，也可向低鉻鑄鐵中添加一定數(shù)量的Mo、Cu、Ni等合金元素。

由于鉻及其它合金元素的添加量較少，因此低鉻鑄鐵的組織與普通白口鑄鐵差別不大，圖2為含鉻量(質(zhì)量分數(shù))為2%的Fe-C-Cr平衡相圖，可見鉻的加入并未在相圖中增加新的組成相，只是一些特征點的位置相對于不含鉻的Fe-C相圖發(fā)生了一些改變。

與普通白口鑄鐵相比，低鉻白口鑄鐵的碳化物為含有少量鉻的合金滲碳體(Fe、Cr)₃C，維氏硬度也由840～1100HV增加到1000～1230HV。碳化物形貌也略有所改善，而基體組織則根據(jù)熱處理狀態(tài)的不同而不同，可以是珠光體、索氏體、馬氏體或它們的混合組織，同時可能伴隨有少量的奧氏體。隨低鉻鑄鐵中含碳量提高，組織中碳化物數(shù)量增加，鑄鐵的硬度略有增加。低鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織通常為共晶碳化物 珠光體。

低鉻鑄鐵的化學成分根據(jù)零件使用的工況條件，可作相應的調(diào)整。隨含碳量增加，低鉻鑄鐵的碳化物數(shù)量增加(而且呈網(wǎng)狀形態(tài)存在于基體中)，硬度提高，韌性降低，沖擊較大的使用工況(如直徑較大的球磨機等用低鉻鑄鐵鑄球)易產(chǎn)生破碎現(xiàn)象，其含碳量應適當降低，圖3是低鉻鑄鐵的碳含量與硬度和相對耐磨性的關(guān)系。此外，隨鉻含量的增加，碳化物的形態(tài)和分布有所改善，使沖擊韌性、硬度以及疲勞抗力和沖擊磨損抗磨性有所增加，圖4為鉻對低鉻鑄鐵性能的影響。

由于組織中大量碳化物的存在，低鉻鑄鐵的韌性與普通白口鑄鐵相當，但抗磨料磨損的抗磨性比之有較大的提高。因此，低鉻鑄鐵主要應用于球磨機磨球。

低鉻鑄鐵一般采用鑄態(tài)去應力處理，其基體組織為珠光體，即將鑄態(tài)鑄件在中、低溫度保溫適當時間以減少應力。為進一步提高低鉻鑄鐵的硬度，亦可進行高溫保溫一定時間后空冷并低溫回火的方式，獲得一定數(shù)量的馬氏體基體組織，此時為提高淬透性可添加一定數(shù)量的Mo、Cu或Ni等元素。

低鉻鑄鐵既可用沖天爐熔煉，亦可用電爐熔煉，還可用沖天爐與電爐雙聯(lián)熔煉。但用沖天爐熔煉時應注意控制鐵液的含碳量。通常低鉻鑄鐵鐵液在爐前采用稀土硅鐵進行孕育處理以提高綜合性能。稀土元素有改善碳化物形態(tài)、細化晶粒、脫氧、脫硫和凈化鐵液的作用。低鉻鑄鐵在爐前加入質(zhì)量分數(shù)1%左右的稀土硅鐵合金，將對改善低鉻鑄鐵的沖擊韌性和抗磨性有一定的作用。

低鉻鑄鐵的鑄造性能基本與普通白口鐵相當，鑄造收縮率在1.6%～1.8%之間。

高鉻鑄鐵是指含鉻量(質(zhì)量分數(shù))大于12%的白口鑄鐵，它是國內(nèi)外使用最為廣泛的抗磨鑄鐵之一。

高鉻鑄鐵是繼普通自口鑄鐵、鎳硬鑄鐵發(fā)展起來的第三代白口鑄鐵。發(fā)達國家在60年代，我國在80年代初為滿足生產(chǎn)的需要并在感應爐的應用逐漸普及的前提下，高鉻鑄鐵才進入了較廣泛的實用階段。由于高鉻鑄鐵金屬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，已被譽為21世紀最優(yōu)良的抗磨料磨損材料，并得到廣泛應用。對于在常溫和高溫沖擊磨損條件下應用，高鉻鑄鐵更具有實用價值。

經(jīng)典的高鉻鑄鐵是Cr15M03。隨著生產(chǎn)發(fā)展，按Cr含量控制范圍，通常采用Cr15、Cr20、Cr25三個系列。為滿足不同工況要求，除調(diào)整含碳量外，還輔以其他合金元素，如鎳、鎢、鉬等，形成多元合金高鉻鑄鐵。

高鉻鑄鐵的鑄態(tài)基體相似于耐熱鋼，為奧氏體型。這種組織的鑄鐵在高溫下使用，更能充分發(fā)揮材質(zhì)本身的潛能。根據(jù)需要，通過熱處理，高鉻鑄鐵可獲得馬氏體基體或多相復合的基體組織。

各種不同成分范圍的高鉻鑄鐵都具有各自的性能和相應的使用范圍，只有當材料性能滿足特定的工藝要求時，才能發(fā)揮其潛力，取得最好的使用效果。

高鉻鑄鐵在各種條件下的各種性能、變化趨勢具有一定的規(guī)律，但由于影響因素較多，在試驗中采取多種固定條件，變化一種因素來進行研究，但這種固定與變化的做法只能是相對的，因此會在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)一些不太規(guī)律的變化。另外，高鉻鑄鐵所包含的鉻、碳范圍較寬，可供選擇的Cr/C區(qū)間較大，而不同選擇所引起的敏感性又較強，因此必須充分考慮工況條件，以利于選擇適當?shù)难芯糠秶腿〉米罴训膽眯Ч?。由于高鉻鑄鐵加工性能很差，也限制了試驗研究的數(shù)量和范圍。

在實際生產(chǎn)中，各種耐磨備件受到塊狀燒結(jié)礦、塊礦、焦炭及其他磨料的磨損時，滑移、劃傷、切削、研磨甚至鑿削是相互疊加在一起的。使用工況條件不同，沖擊力、溫度、冷卻條件等因素也對材料的磨損有較大影響，因此，材料的磨損過程是比較復雜的。復雜的工況條件對材料提出了多種要求，特別是冶金備件，經(jīng)常是同時要求耐熱、耐磨和耐沖擊，因此應針對這些要求開發(fā)相適應的高鉻鑄鐵。為充分合理地利用鉻、碳及其他合金元素的作用，開發(fā)、完善和規(guī)范高鉻鑄鐵在冶金備件上的應用，必須對不同材料的高鉻鑄鐵的組織、結(jié)構(gòu)、各種力學性能以及熱處理工藝進行系統(tǒng)的研究，以便獲得在高溫沖擊磨損條件下應用高鉻鑄鐵的基本概念、參數(shù)和多因素相互作用規(guī)律的結(jié)論；加深對合金元素應用的基礎(chǔ)條件的理解，以使得高鉻鑄鐵應用得以合理

推廣。備件在不同的工況條件下使用，選擇的高鉻鑄鐵材質(zhì)也不同，要充分考慮壽命和成本的相互關(guān)系，以最合理的材質(zhì)、最低限度的成本來取得最好的使用效果，以消除因使用高鉻鑄鐵而提高了成本、提高了一次性投入的不利因素，這樣才使高鉻鑄鐵具有實際的推廣應用價值。

鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵發(fā)展起來的第三代白口鑄鐵。高鉻白口鑄鐵含鉻量大于11%，鉻、碳含量比值介于4~8之間。在這種條件下，高硬度的M7C3型碳化物幾乎全部代替了M3C型碳化物。M7C3型碳化物基本上是以孤立的中空六角形存在，與呈網(wǎng)狀連續(xù)分布的M3C型碳化物相比，大大增強了基體的連續(xù)性，因而整體材料的韌性顯著提高。高鉻鑄鐵已經(jīng)是世所公認的優(yōu)良的耐磨材料，在采礦、水泥、電力、筑路機械、耐火材料等方面應用十分廣泛。

中鉻鑄鐵的含鉻量(質(zhì)量分數(shù))在5%～10%之間，其共晶碳化物中既有(Fe、Cr)₇C₃又有(Fe、Cr)₃C。通常中鉻鑄鐵的鉻含量(質(zhì)量分數(shù))選在8%～10%間。中鉻鑄鐵的化學成分根據(jù)基體情況不同而有所不同。以珠光體狀態(tài)使用時，一般選擇(質(zhì)量分數(shù))C：2.5%～3.6%，Si：0.5%～2.2%，Mn：0.5%～1.0%，Cr：7%～11%；當以馬氏體狀態(tài)使用時，還應加入Mo：0%～2%和Cu：0%～2%，以提高基體的淬透性。欲獲得符合使用要求的組織和性能，需要綜合考慮Cr/C和Si/C。提高Cr/C和Si/C，(Fe、Cr)₇C₃型碳化物量相對增加，碳化物硬度和形態(tài)相應得到增加和改善，鑄鐵韌性與抗磨性提高。另一方面，高的含Si量會降低鑄鐵的淬透性，低的含C量又會減少碳化物量，降低鑄鐵抗磨性，故需綜合考慮C、Si元素的影響。中鉻鑄鐵通常通過高溫空淬 低溫回火處理，獲得馬氏體 (Fe、Cr)₇C₃ (Fe、Cr)₃C 殘余奧氏體的金相組織。

空淬回火處理的中鉻鑄鐵是為減少使用Ni資源而開發(fā)出為取代鎳硬Ⅳ型鑄鐵的一種鑄鐵材料。中鉻鑄鐵的鑄造性能介于低鉻鑄鐵和高鉻鑄鐵之間且接近于高鉻鑄鐵，由于合金元素含量偏高，因而導熱性較差、收縮較大，因此在鑄件鑄造工藝設(shè)計時應給予足夠的注意。中鉻鑄鐵由于含鉻量較低鉻鑄鐵高，因此具有一定的抗蝕性，可用于中等沖擊載荷的磨料磨損和沖蝕磨損的工況。

高鉻鑄鐵是繼普通白口鑄鐵﹑鎳硬鑄鐵發(fā)展起來的第三代耐磨材料。由于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(yōu)良的抗磨料磨損材料，并日益得到廣泛應用。

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。

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(wěn)定的，而且被C、Cr等元素所飽和。當溫度降低時，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變。通常條件下，高鉻鑄鐵呈現(xiàn)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(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。

高鉻鑄鐵磨球在球磨機中的應用

球磨機是水泥、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(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。長治鋼鐵（集團）公司為了改進鑄鐵球的致密度，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。并成功用于生產(chǎn)水泥用的球磨機中，顯著提高了磨球的耐磨性。中國鋁業(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。這種耐磨材料制成的磨球的應用創(chuàng)造出了很好的經(jīng)濟效益，具體可表現(xiàn)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制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，破碎率小于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(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。

高鉻鑄鐵在渣漿泵上的應用

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用于輸送高濃度渣漿，其四大過流件如蝸殼、葉輪、前護板和后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(yè)常見的易損件。國內(nèi)外渣漿泵過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流件的理想候選材料，通過碳、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。

高鉻鑄鐵在水泥磨上的應用

錳鋁復合高鉻鑄鐵的水泥磨磨輥襯板，對于厚大件其淬透性、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。沈陽重型機械集團有限責任公司開發(fā)研制的高鉻鑄鐵襯板，已使用在各種系列立磨、中速磨上。

高鉻鑄鐵在破碎機顎板上的應用

隨著破碎機規(guī)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(chǎn)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(shè)備研究院為河南黃河金礦生產(chǎn)了一批高鉻鑄鐵顎板，用于破碎金礦石，使用壽命是高錳鋼的三倍以上。江西科學研究所研制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。

抗磨白口鑄鐵國家標準

我國抗磨白口鑄鐵國家標準（GB/T8263）規(guī)定了高鉻白口鑄鐵的牌號、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 高鉻鑄鐵的牌號及化學成分（%）

表2 高鉻鑄鐵的硬度

表3 高鉻鑄鐵件熱處理規(guī)范

美國高鉻鑄鐵執(zhí)行標準為ASTMA532M，英國為BS4844，德國為DIN1695，法國為NFA32401。俄羅斯在前蘇聯(lián)時期曾研制了12-15%Cr、3-5.5%Mn，壁厚達200mm的球磨機襯板，現(xiàn)執(zhí)行?OCT7769標準。特別值得一提的是在近一個世紀里，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(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(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)行高鉻鑄鐵標準如下，

表4 美國Climax鉬公司規(guī)定的高鉻鑄鐵成分（質(zhì)量分子數(shù)）%

注：①碳含量為下限時，大斷面中可能出現(xiàn)貝氏體。