高铬白口铸铁与磨球的技术研究

内容摘要：该文分析了高铬白口铸铁材质硬度、韧性、基体组织与磨球抗磨性的关系。分析了残余奥氏体，碳化物的数量、形态及分布对磨球抗磨性的影响。通过对磨球工况条件的研究分析及探讨，提出了磨球对材质的性能要求。在生产实践中，用辩证统一的方法，解决磨球材质诸多因素，存在的矛盾及存在的相互关系，从而使各因素得到**配合，达到相对统一，提高磨球抗磨性的目的。

关键词：高铬白口铸铁 磨球 硬度 韧性 抗磨性 奥氏体 碳化物 基体组织

由于高铬白口铸铁具有优良的抗磨性能，所以被广泛的应用于磨煤、矿石破碎机、水泥磨机、抛丸机、泥浆泵等设备上的易损件。

虽然高铬白口铸铁具有优良抗磨性能，但是这种铸铁相当脆，通过热处理和加入一定量合金元素来提高其冲击韧性，并且得到较大的进展，但是仍不能满足于部件在强冲击下的工况需要。解决高铬白口铸铁的冲击韧性，是一个很复杂的问题，它是多因素综合作用的结果。高铬白口铸铁的发展，就是如何使韧性和硬度得到**的配合。通过研究与实践认为，要解决这一矛盾，需要合理的选择高铬白口铸铁中碳化物的数量、形状(如：大小、团球、网状等）、分布（单独存在或相互关联）以及基体组织的选择，基体中残余奥氏体的量，铸件内外部铸造缺陷等因素的影响。因此，要有效的提高材质的耐磨性就需要搞清楚诸因素对耐磨性的具体影响。

一、硬度与耐磨性

材质的耐磨性和其硬度有着密切的关系。通常，在保证材料不断裂的前提下，耐磨性和材料硬度成正比关系。但实践证明，材料的耐磨性不仅和材料的本身硬度有关，而且也和磨料有关。当研磨体磨面硬度过高时，磨料对其擦伤磨损就会减弱，而疲劳磨损则会构成主要的磨损形式，此种磨损是一种疲劳磨损，当金属材料（研磨体）磨面的相对硬度越高时，韧性就越低，疲劳磨损（包括裂纹、剥落）越明显，因而磨球的破碎率也就随之提高。另外，就冲击耐磨来讲，主要取决于材质的硬度和韧性的配合，而且与磨损冲击功的大小有关。当磨损冲击功小的时候，硬度对材质的耐磨性起主要作用。随着磨损冲击功的增大，材质的韧性对耐磨性的影响增加。故在保持材质高硬度的前提之下，改善韧性可以增加材质的冲击耐磨性。

二、韧性与耐磨性

通常承受磨料磨损的零件，在使用中也要承受剧烈的机械冲击载荷。从多种磨损件（破碎机锤头、腭板，球磨机衬板与磨球）的破坏实效分析来看，其原因就是韧性不足。显然，足够的韧性是很必要的。但是，确定零件在工作中所需要的韧性值并不容易。所以在工业生产中，经常为了保证有足够的韧性，就必须牺牲一部分硬度（耐磨性）。

基体、碳化物与韧性

奥氏体基体的高铬白口铸铁的裂断韧性优于马氏体基体的高铬铸铁，而且碳化物含量低时，二者差值较大，碳化物含量高时差值就小，这就是说：低碳化物时，基体组织对其断裂韧性起支配作用，即可通过热处理改变基体，有利于断裂韧性的提高。随着碳化物数量的增加，决定高铬铸铁韧性的主要因素，已从基体转向碳化物，即可通过合金化变质处理，改变碳化物的结构、形态及分布，从而改变断裂韧性。

碳化物呈封闭的空间网状时，碳化物形态是影响白口铸铁断裂的主要因素。这时裂纹沿碳化物扩散，当其首尾相接，碳化物发生断裂，而且裂纹持续沿碳化物扩展（碳化物的尖端角），断裂不断产生，基体对裂纹的钝化效应未充分发挥出来。所以，为了耐磨期间，还要考虑到如何强化基体，而提高基体对碳化物的支撑作用。

当碳化物变为断网状时，基体是影响白口铸铁断裂韧性的重要因素。这时，裂纹扩展一定要经过基体，而基体对裂纹的钝化效果应较大，阻力亦大，故基体强度是控制裂纹扩展的重要环节。

综上所述，要考虑耐磨性和断裂韧性，在软磨料小冲击功条件下，宜选用马化体基体；大冲击条件下，则宜选用奥氏体基体。

有资料介绍，基体组织与相对耐磨性的关系，即在冲击力不同的情况下，应先后选择的基体组织：

冲击功 1.2焦：马氏体、回火复相、奥氏体、球光体

冲击功 3焦：回火复相、马氏体、奥氏体、球光体

冲基功 4.5焦：奥氏体、回火复相、马氏体、球光体

三、残余奥氏体对耐磨性的影响

对于残余奥氏体，目前较为统一的认识是：在低应力滑动磨损件中，残余奥氏体降低耐磨性（像钻井用泥浆泵上的缸套，就严格控制残奥的含量）。在高应力情况下，适量残余奥氏体的存在，则有利于高铬白口铸铁的强韧性，可获得较佳的耐磨性，而比纯马氏体基体耐磨性好。

为什么残余奥氏体在强冲击磨料磨损过程中，具有较好的耐磨性能？

1、残余奥氏体对裂纹源产生的影响

残余奥氏体在冲击磨损过程中，组织中的介稳定残奥会向马氏体转变，而且冲击功愈大，残奥的转变量也愈大。当残奥向马氏体转变过程中，消耗外界的冲击功，借冲击功而形成了马氏体，阻止裂纹源的产生，从而提高了材料的磨损抗力。

2、残奥对裂纹扩展的影响

当残奥含量较少时，裂纹成直线扩展，沿脆性碳化物扩展，其扩展所受的阻力较小，而残奥含量较高时，裂纹扩展途径是曲折的，裂纹穿过碳化物在基体中扩展，所受阻力较大。碳化物和奥氏体间高的结合强度和残奥的止裂作用，阻止裂纹沿脆性碳化物扩展。

3、残奥对疲劳断裂的影响

由试样冲击断裂的冲击次数得出：残奥含量在17%以下（淬火温度950℃以下），承受断裂冲击次数少，疲劳寿命低；残奥含量约30%（淬火温度1000℃），疲劳寿命有所提高；残奥含量>50%（淬火温度1050—1100℃），冲击4000次未断裂，疲劳寿命大大提高。

但也有资料认为：残奥在冲击磨损中转变成马氏体后，会引起体积膨胀，应力增加，导致剥落和开裂，因此应控制残奥。

四、碳化物数量、形态与分布对耐磨性的影响

在高铬白口铸铁中，其显微组织通常是碳化物+马氏体+奥氏体（残）或碳化物+奥氏体，其中碳化物是抗磨损的骨架，故其数量，形态和分布与耐磨性有着密切的联系。

1、碳化物数量越多，则硬度有所增加，在材料不断裂的前提下，碳化物数量越高，耐磨性越好。

2、在形态和分布上，为了避免裂纹沿碳化物扩展，则其碳化物**为球状、团状、孤岛状、碎块状或断网状，应力求避免连续网状和放射状分布。这可通过合金化，特别是炉前变质处理，改变结晶凝固条件。另外，也可通过热处理来改善形态。

五、基体组织与抗磨性的关系

耐磨材料的抗磨性与基体组织有着密切的关系，同时各组织组成物之间的内聚强度，也对其耐磨性有着重要影响，高铬白口铸铁的耐磨性不仅仅取决于碳化物，而且也和基体有关。基体必须有一定的硬度和对碳化物有较高的内聚强度，否则基体首先严重变形或过早磨损，碳化物就失去依托，使碳化物弯曲折断或孤立突出。

强化基体的措施还常有：1、添加M0等合金元素。2、加变质剂：除气脱氧、清纯晶界，提高晶粒间的内聚强度；改变碳化物的形态，使其尖角变钝。3、通过热处理。

六、磨球工况特性及对材质性能的要求

1、磨机工况条件分析

各类球磨机的工况：当滚筒转动时，磨球与矿料紧密混合，由于离心力和磨擦力的作用，磨球沿着筒壁一边被提升到一定高度并达到动平衡时，即沿着筒内堆积的料堆的自由表面奔流落下，或者脱离此表面，瀑布似的泻落到料堆的根部，对矿料和磨球进行直接的冲击，奔流落下的料堆与沿筒壁下滑的磨球，对矿料做剪切破碎、碾研，而且多次重复性的球与球，磨球与衬板，磨球与物料之间碰撞和相对的滚动与滑动。

通过以上工况分析可知，磨球的形状虽然很简单，但其服役条件、受力情况却复杂到我们难以建立起一个合理的物理模型，服役过程中要承受剪切，碾研和较大的冲击载荷。不但要求磨球硬度高，耐磨性好，而且还要有较好的韧性，耐冲击防碎裂。其失效形式又受二个互相制约，相互矛盾的因素所影响（硬度与韧性），在湿磨条件下，还要考虑增强材料抗化学腐蚀的能力。

2、磨球对材质性能的要求

就硬度而言，根据磨机直径的大小、转速，硬度不应低于HRC48。随着硬度的增加，耐磨性一般亦随之增加，但过高则易造成表面的剥落而使耐磨性下降。一般情况下，除粉碎特殊坚硬的物质外，以不高于HRC60为好。

就材质的韧性来说，应根据磨机直径大小而定。根据文献报道，某大学耐磨研究组织和有关科研单位用MLD—10型动载冲击磨损试验机模拟试验，以及在不同磨机内测试的结果表明：Φ1.5米以下的磨机中，平均冲击能量为1.0—1.5焦；Φ2.4米的磨机，平均冲击能量为2.5—3.5焦；Φ4.5米以上的磨机，平均冲击能量为4.2—5.0焦。在磨球生产中，为了保证磨球工作中的安全使用，要求磨球材质的实际冲击值，应是同直径磨机模拟测试冲击值的2—3倍。也就是说，一般情况下，冲击值在6—12焦，就可以满足于磨球的使用要求。另外，对于4米以上的大磨机磨球或大径磨球，其冲击值应特别考虑。

然而，实际磨球所受到的冲击力并不比理论值大。这是因为被提升的磨球首先被抛落到物料运动面上，然后下沉撞击到未被提升的物料和磨球上，由于磨球抛落受阻而使速度减少，故其冲击力大大减少。

高铬磨球具有较强的抗萌生裂纹能力，而抗裂纹扩展能力低的特点。而铸造缺陷则是在无负荷情况下，萌生的裂纹源。所以，铸件的内外部缺陷，对磨球断裂韧性的降低作用是令人吃惊的，故而应尽量减少铸造缺陷，充分发挥材质的内在潜力。据有关现场统计数字表明，对于Φ100以下的磨球，若无铸造缺陷的存在，冲击值ak（J/cm2）≥6.5，在使用过程中是可靠的，但若有缩孔、缩松、夹杂、缺肉、冷隔等铸造缺陷则是很不利的。

在制定磨球产生工艺时，应根据磨球服役工况的不同，需要全面分析考虑，合理的设计其化学成分、造型工艺、冶炼工艺、变质处理及热处理工艺。

七、化学成分的选择

高铬铸铁化学成分的选择，将关系到铸件热处理工艺的制定，碳化物的量及形状，基体组织等，这些都直接涉及到材质的硬度和韧性。而且生产厂家不能像科研单位那样，有很好的试验条件、拟测手段，可以加入众多的稀有、贵重元素，生产厂家必须充分利用我国或本地区的金属资源优势，还要考虑到易购和原材料的价格，在生产工序安排上，还要考虑到尽量减少加工工序而降低成本。

1、碳、铬

影响高铬铸铁综合机械性能**的是碳、铬两元素。一般情况下，碳量决定碳化物的数量，而铬含量是决定碳化物的类型。

碳：从磨球需要耐磨性和冲击韧性两个方面考虑，由于含碳量决定碳化物的量，碳量越高，碳化物数量就越高，形状越粗大，硬度高。但增加了材质的脆性，降低了韧性。碳量过低，碳化物呈晶界状分布，对韧性和耐磨性都不利，高铬铸铁磨球通常选用亚共晶成分，由于共晶含碳量（α）随含Cr量的增加而下降

Cr=2%时 共晶含碳量为4.2%

Cr=8%时 共晶含碳量为3.8%

Cr=15%时 共晶含碳量为3.6%

Cr=17%时 共晶含碳量为3.5%

Cr=20%时 共晶含碳量为3.2%

（α）值也可用下式求得：

α=4.4%—0.054×（Cr%）

在高铬铸铁中，有时为了得到较好的韧性，往往不得不适当的控制硬度而降低C量，从磨球的服役状况分析，含碳量选择2.4—2.8%。

铬、Cr是强烈的白口元素，能提高白口倾向和硬度。当含Cr量低时，得到的是M3C[(Cr·Fe)3C]型碳化物，其硬度1060—1240HV，对材质的韧性和抗磨性有较大的改善，当含Cr量大于12%时，得到M7C3[（Cr•Fe）7C3]型组织，这种组织和M3C型组织相比，耐磨性和耐腐蚀性要高的多，其显微硬度可提高到1500—1800HV。当含Cr量>20%，在形成M7C3的同时，还形成一定量的M23C6型碳化物，这种碳化物的硬度并不比M7C3型高，而且在磨损过程中较易出现裂纹，综合分析认为Cr含量一般控制在14—17%。

另外，Cr/C是高铬的铸铁的一个重要参数，Cr/C比对高铬铸铁的基体组织具有决定性的作用，Cr/C比的改变将引起材料组织和性能的变化。Cr/C比的提高使M3C减少，M7C3型碳化物数量增高，抗磨性提高，断裂韧性也提高，在Cr/C比为7.1时，达到峰值。

2、锰

锰中和硫后多余的量,起到稳定碳化物的作用，并且能提高淬透性。锰是强烈稳定奥化体的元素。通过热处理可使抗磨性能和冲击韧性均得到提高。Mn还有一个更可贵的作用，就是减少铸件的红脆性。Mn一般控制在0.5—1%，可得马、贝组织。如果欲在铸态得到奥氏体组织，可提高到3—5%。

3、硅

硅的作用与锰相反，Si固溶于基体中，显著地降低高铬铸铁的淬透性， Si高、马氏体组织中易混入珠光体，所以其含量不易过高。但适量的Si加入量，在溶炼过程中,Si起一定的脱氧作用，可以防止其它元素的氧化，提高流动性以利于浇注，在高铬铸铁中，常控制在0.4—0.8%。

4、铜

Cu增加合金的淬透性，可使厚大铸件中缓慢地转变成马氏体（有少量残奥），即使加入量少到0.1%时，也可提高淬透性17%，Cu对合金基体强化的效果与Ni相似，但Ni的价格贵得多。

Cu在奥氏体的溶解度有限，过高的含Cu量易出现富Cu现象而使材质发脆。特别是大量使用回炉料时，Cu的遗传性很大，也易出现集累富铜现象，所以在冶炼过程中应注意炉料配比以及回炉料的使用。通常Cu控制在0.4—0.8%。

5、钼

Mo分布在共晶碳化物和基体组织之中，显著提高高铬铸铁的淬透性，对厚壁铸件可抑制珠光体的形成，并且Cr/C比愈高，Mo的这一效果愈大，少量的Mo溶于基体中，可以细化晶粒和提高碳化物的显微硬度，即使在铸态通过情况下，由于加入Mo，冲击韧性也能得到提高。通过热处理，可使树枝状结晶基体的硬度降低，局部的产生软相，以弥补部分因Cr高或加入V、B等强化碳化物的元素，而使材质过硬冲击值下降的不足，从而使冲击韧性和耐磨性显著提高。但从经济成本与材料实用工况综合考虑，磨球的加入量可在05.—1.5%。

6、钒

V是极有效的稳定碳化物的元素，并增加白口深度，含量为0.1—0.5%范围内它可使白口组织细化，并使粗大的柱状晶体减少。

V对硬度的影响： 有资料介绍，在高铬铸铁中，加入0.05%的v，树枝状结晶基体的淬火硬度上升， V的加入明显提高硬度降低韧性。如果与Mo(>0.3%）同时加入0.1%的v，对材质的综合性能是有用的。

从图中看出，v对宏观硬度影响不大，对显微硬度提高的峰值含量在0.05%—0.15%

V对冲击韧性的影响：

随着v加入量的增加，而冲击值急剧的下降。但是在含Mo>0.3%的高铬铸铁中，加入0.1%的v，能较有效的提高材质的综合性能，即弥补了由于加入Mo使树枝状结晶硬度下降的不足。

V的加入量常控制在0.07%—0.15%的范围。

7、钛

Ti在高铬铸铁中形成坚硬的TiC，它分布于金属基体中，阻碍共晶碳化物的长大，有细化组织的作用。另外，Ti有净化晶界，提高基体强度，抑制裂纹产生之作用。控制范围在0.1%—0.5%。

8、硫

S是非金属元素，它基本上不溶于铁的固溶体中，而与铁生成硫化铁（FeS）。硫化铁形成低溶（985℃）共晶体以及其他硫化物，分布在晶界上。硫能使铁液的流动性降低，收缩量增大，使铸铁有较大的热裂倾向。应控制在0.05%以下。

9、磷

P是非金属元素，但磷能溶于铁水中，磷在奥氏体中的溶解度很小。由于磷的存在则生成磷共晶。磷共晶硬而脆且熔点低，在金属开始凝固时其还是液体，在已结晶凝固金属的挤压下，形成带有锐尖的磷共晶或以网状分布在晶界上，切割基体，使材质脆性增加，降低材质的冲击韧性及强度。应控制在0.07%以下。

在控制磨球化学成分时，应根据磨机直径的大小、转速、冲击荷以及磨球直径大小的不同，取各化学成分的**值。从实用和经济两者考虑，其化学成分控制在如下范围是可取的。

C：2.4%—2.8% Si：0.5%—1.0% Mn:0.5%—1.0%

Cu：0.4%—0.8% Cr：14%—17% Mo:0.5%—1.5%

V：0.07%—0.15% Ti：0.1%—0.5% S<0.05% P<0.07%

八 铸造工艺

1、熔炼

炉料一般采用低硅生铁，废钢。合金元素使用铬铁（从经济效益出发，常用高碳或碳素铬铁），锰铁、硅铁、钼铁、钛铁（用钒、钛生铁可降低成本）和电解铜。用中频电炉冶炼，以保证要求的化学成分和温度。加料方法:先在炉底加入五分之一的铬铁，当废钢和生铁溶化完毕后，边预热边慢慢加入余下的铬铁、锰铁（铜和钼铁可先加入炉底）硅铁等合金，在进行脱氧、除渣后出炉。

2、浇注温度

高铬铸铁有较好的流动性，浇注温度一般取液相线温度以上过热50—100℃，含Cr15%的高铬铸铁液相线在1250℃左右，也就是说浇注温度在1350—1400℃，其出炉温度不要超过1480℃，以免大量氧化和吸气。适当的控制浇注温度，将直接关系到铸件质量。在铸件不出现冷隔的情况下，适当采用低的浇注温度，可以得到细晶粒组织和减少缩孔、缩松倾向。但浇注温度过低时，铸件将出现冷隔、缺火等缺陷。浇注温度过高时，不利于逐层凝固，铸件而出现缩孔、缩松等缺陷。另外，也将会缩短模具的使用寿命，甚至因过烧而使铸件和模具粘结在一起。

3、变质处理

尽管高铬铸铁具有较高的硬度和一定的冲击韧性，但因仍存在着易脆裂的不足，故限制了使用范围。为解决脆裂和进一步提高冲击韧性，国内外为此进行了大量的研究。我们知道，在高铬铸铁中的碳化物，是对耐磨性举足轻重的一个相，它的数量、结构、形态与分布对耐磨性和断裂韧性有着十分重要的影响。目前比较统一的认识，就是用含稀土类等多种元素的复合孕育剂，或以镁作载体混入钾、钠类制成的复合变质剂，对高铬铸铁中的碳化物进行变质处理，使碳化物端部的尖变钝，使其成团球状，孤立条块状、碎点状，分散分布以减少对基体的切割作用，达到提高硬度和冲击韧性的目的。良好的孕育剂应具有以下二个方面：

(1)能够有效的改善碳化物的形态，有利于碳化物形成孤立团球状。

(2)能够充分除气、脱硫、去氧、净化晶界、细化晶粒。减少夹杂物及改变夹杂物的形态。提高铁液流动性。

孕育剂的合理选择以及适宜加入量的确定，须注意以下几点：

a、加入量不易过多，防止过分降低铁水温度。

b、在保证性能的前提下，尽量简单，便于操作，有利于推广。

c、立足于国内本地区资源，尽量降低成本，易于购买

常用的变质剂有稀土1#（加入量为0.8%—1.5%)和铝（0.1%—0.3%）；Si-Ca合金或以钾、纳为主要元素的变质剂。也可以加入0.01—0.02的锌。

1986年5月份，我们用山东工业大学杨相寿老师研究的以钾纳为主要元素的高铬铸铁变质剂，用于生产油田钻井用泥浆泵缸套的内套，加入量为1.5—2.0%。

金相组织：铸态金相组织是在奥氏体基体上有大块状、小条状、点状碳化物，并有10—15%的团球状碳化物，个别视野的团球状碳化物达20—25%。

供试验材料的成分：C3.03% Gr14.31%

①随炉降温退火。为了便于取样化验，停炉后把试样放入炉内，用钢板盖上炉口，第二天取出 。HRC32—35

②淬火 970℃保温2小时 HRC63—65

③铸态 HRC48—52

④铸态冲击韧性 1.51—1.77kg.m/cm2（金相组织如图3）可惜的是，由于时间长久，有的试验资料已丢失。为降低生产成本和采购方便，用我们自己配制的高铬铸铁变质剂，其效果也接近于此值。

铸型

鉴于高铬铸铁本身具有糊状凝固的特性，为使凝固断面的温度变陡，使固液两相共存温度区间变窄，实现顺序逐层凝固，以把磨球心部缩孔、缩松缺陷引入冒口，故采用金属型，高压力头补缩工艺，对于消除晶间缩松、细化晶粒是行之有效的。

九、热处理

通常情况下，高铬铸铁铸态下的金相组织是:奥氏体+马氏体+碳化物+珠光体。为了充分发挥材质的硬度潜力和**耐磨性能，同时又使材质具有**的韧性，就需要进行热处理。

通常奥氏体化温度约为960—980℃，保温2至4小时（视球径大小而定）。如果加入0.3—1.0%的Cu，要破坏奥氏体的稳定性须保温6小时以上。

回火处理可在两个温度区间内进行，在较低的温度范围（200—300℃）进行回火，其目的是把在淬火中得到的马氏体进行回火，由此而减少断裂和对冲击的敏感性。

在高冲击磨料磨损状态下，如欲得到奥氏体组织，在化学成分控制的理想情况下，只有进行一次高温时效处理，清除内应力，就可以满足一般的需要。

结束语

实际应用及实验说明，用高铬铸铁材料生产磨球是适宜的，只要在生产过程中注意铸造、热处理工艺的实施，化学成分的选择及控制，金相组织，以及硬度与韧性的匹配，就可以发挥材质的效率、满足于使用的要求。