超高铬铸铁板锤的研制与应用

导读：大型反击式破碎机具有结构简单、破碎比大、效率高等优点，广泛应用于矿山、水泥、冶金、电力、耐火材料、玻璃及化工等行业。板锤是大型反击式破碎机关键而又易磨损的零件之一，以楔块固定式安装固定于破碎机的转子上。破碎机工作时，高速旋转的转子带动板锤以30~40 m/s的线速度物料撞击破碎矿石，矿石块度＜1500mm，磨损十分严重，冲击力很大，因此要求板锤具有较高的耐磨性和抗冲击能力。

传统的高锰钢虽具有较高韧性，但耐磨性不高，磨损消耗太大。普通的高铬铸铁虽具有很高的硬度，但韧性不高，易于断裂。针对大型反击式破碎机板锤的工况条件和结构特点，我们在现有普通高铬铸铁基础上，通过优化成分设计和热处理工艺，研制出具有较高综合耐磨性能的超高铬铸铁板锤，使用寿命为普通高锰钢的3倍以上。 

2 化学成分的设计 

 2.1碳含量的确定

碳是影响材料机械性能的关键元素之一，尤其对材料硬度和冲击韧性的影响较为明显。材料的硬度随着碳含量的增加而显著上升，冲击韧性则较大幅度降低。随着碳量的提高，高铬铸铁中碳化物数量增多，硬度增加，耐磨性增加但韧性下降。为获得较高的硬度并保证足够的韧性，碳含量设计为2.6~3.0%。  2.2铬含量的确定
铬是高铬铸铁中主要的合金元素，随着铬量的增加，碳化物类型发生变化，碳化物形式由MC3向M7C3、M23C6过渡。在碳化物中M7C3硬度高，显微硬度可达到HV1300~1800。随着铬固溶在基体中数量的增加，残余奥氏体量增加，硬度下降。为保证较高的耐磨性，控制Cr／C=8~10，可获得数量较多的断网状M7C3型共晶碳化物；同时为获得较高的韧性，综合考虑，铬含量设计为25~27%。  2.3钼含量的确定
钼在高铬铸铁中一部分溶入基体，提高淬透性；一部分形成MoC碳化物，提高显微硬度。钼与锰、镍、铜联合使用，对于厚壁件来说淬透性效果会更好。由于板锤较厚，考虑到钼铁价格较贵，钼含量控制在0.6~1.0%。  2.4镍和铜含量的确定
镍和铜是固溶强化基体的主要元素，提高铬铸铁的淬透性和韧性。二者均是非碳化物形成元素，全部溶入奥氏体，稳定奥氏体。加入量大时，残余奥氏体量增加，硬度降低。考虑到生产成本和铜在奥氏体中溶解度有限，镍含量控制在0.4~1.0%，铜含量控制在0.6~1.0%。  2.5硅、锰含量的确定
硅、锰在高铬铸铁中是常规元素，其主要作用是脱氧脱硫。硅降低淬透性但提高Ms点；同时硅阻碍碳化物形成，有利于促进石墨化和铁素体的形成，含量过高，基体硬度下降厉害，因此将硅含量控制在0.4~1.0%。锰扩大高铬铸铁奥氏体相区，固溶在奥氏体中，提高淬透性，降低马氏体转变温度。锰含量增加，残余奥氏体量增加，硬度降低，影响耐磨性，因此将锰含量控制在0.5~1.0%。  2.6 其它
S．P为有害元素，在生产中一般控制在0.05%以下。RE、V、Ti等作为复合变质剂和复合孕育剂加入，细化晶粒，净化晶界，提高高铬铸铁的冲击韧性。  板锤成分设计如表1所示：  表1 板锤化学成分（%）  C Cr Mo Ni Cu Si Mn S、P 2.6~3.0 25~28 0.6~1.0 0.4~1.0 0.6~1.0 0.4~1.0 0.5~1.0 ≤0.05  3 铸造工艺的确定  3.1造型工艺
板锤重约285kg，外形尺寸见图1。为确保板锤安装要求，板锤平面弯曲变形量≤2mm。由于板锤表面要求极高，不得有任何的凹陷或凸起，为确保铸件致密，我们采用强度高的树脂砂造型，线收缩率取2.4~2.8%，浇注系统截面比例按ΣF内:ΣF横:ΣF直 = 1:0.75:1.1进行设计。采用水平造型倾斜浇注，同时辅助发热保温冒口和直接外冷铁，工艺出品率控制在70~75%。
生产试制过程中，我们先后采用图2、图3、图4三种造型工艺。浇注打磨后发现，采用图2和图3工艺生产的板锤都有不同程度的表面凹陷和弯曲变形，采取加大冒口的办法也不能消除表面凹陷和弯曲变形，达不到安装要求。
在总结图2和图3造型工艺试制生产经验的基础上，我们决定采用图4所示的水平造型倾斜浇注的造型工艺，浇注打磨后的板锤表面没有凹陷和弯曲变形，变形量≤2mm，满足安装要求。具体生产制作过程为：砂型水平制作合箱后，将砂型的一端抬起一定的高度，形成一定倾斜角度（实际生产中，砂型倾斜的角度一般根据铸件的外形尺寸、重量、结构特点而定，倾斜角度一般控制在8~20°。），铁水从浇口引入，先进入型腔内的铁水到达最低处，受外冷铁的激冷作用首先凝固，后引入的铁水对先引入的铁水产生重压力，直到冒口浇注满铁水时达到最大值，冒口最后凝固，实现顺序凝固，从而获得组织致密、无缩孔的铸件。
3.2熔炼与变质孕育工艺
采用1000kg中频电炉（石英砂炉衬）熔炼生产，熔炼前加入石灰石+碎玻璃复合造渣剂，待大部分炉料熔化后扒渣，然后加入硅铁、锰铁脱氧，按1kg/t的量插入铝丝进行终脱氧后出炉浇注，熔炼温度控制在1500~1550℃。  为进一步提高板锤的综合耐磨性能，我们通过复合变质与孕育处理工艺改善高铬铸铁碳化物形态，减少夹杂、净化铁液、细化晶粒，增强厚大铸件断面组织和性能的一致性。具体操作为：将浇包预热至400~600℃，浇注前在浇包内加入一定量的Re-A1-Bi-Mg复合变质剂和V-Ti-Zn复合孕育剂【1，2】，铁水倒入浇包后抛撒聚渣剂，使得残余熔渣迅速聚集，进一步净化铁水，同时形成一层保温覆盖膜有利于铸件浇注成型。铁水镇静2~3分钟后浇注，浇注温度控制在1380~1420℃。  4 热处理工艺的确定
在超高铬铸铁高温淬火升温过程中，合金元素在奥氏体中的溶解度随温度的升高而增大。当淬火温度较低时，由于碳、铬在奥氏体中的溶解度较低，保温时将有较多的二次碳化物析出，虽然大部分奥氏体能转变成马氏体，但由于马氏体的含碳量及合金元素含量较低，因而硬度不高。随着淬火温度的提高，奥氏体中的含碳量及合金含量愈高，转变后形成的马氏体愈硬，因而淬火硬度提高。淬火温度过高时，高温奥氏体的含碳量及合金含量太高，稳定性过高，冷却速度愈快，析出的二次碳化物就愈少，残留奥氏体就愈多，淬火硬度也就愈低【3,4】。  随着淬火保温时间的增加，超高铬铸铁的宏观硬度先升高后降低。奥氏体化保温时间对超高铬铸铁硬度的影响，实质上是二次碳化物的析出、溶解反应与平衡态的接近程度对高温奥氏体的含碳量及合金含量的影响。铸态超高铬铸铁加热到奥氏体化温度以后，奥氏体中过饱和的碳及合金元素以二次碳化物析出，这是一个扩散过程。保温时间太短时，二次碳化物的析出量太少，奥氏体因含有较多的碳及合金元素，稳定性过高，淬火时马氏体转变不完全，淬火硬度较低。随保温时间的延长，二次碳化物的析出量增加，奥氏体的稳定性下降，淬火时形成的马氏体数量增加，淬火硬度增加。当保温一定时间后，奥氏体中的含碳量及合金含量达到平衡。如继续延长保温时间，奥氏体晶粒变粗，导致残留奥氏体数量增加，降低淬火硬度。

5 工业应用效果
我们研制的超高铬铸铁板锤应用在页岩反击破碎机上，原使用的普通高锰钢板锤每套可破碎页岩10万吨左右，改用超高铬铸铁后可破碎页岩30万吨以上，使用寿命提高3倍多。在运转过程中板锤没有出现断裂现象，大大降低了金属材料消耗，同时减少了更换板锤所需要的人工、材料等费用，具有较高的经济效益和社会效益。  6 结语
(1) 采用水平制作倾斜浇注，辅助发热保温冒口和直接外冷铁，板锤表面无凹陷和凸起，弯曲变形≤2mm，组织致密，满足安装要求。
(2) 板锤热处理工艺为：1020℃（保温3~4h）高温雾淬，3~5分钟后空冷，400℃高温回火（保温4~6h，散开空冷至室温），淬火回火组织为回火马氏体+共晶碳化物M7C3+二次碳化物+残余奥氏体。热处理后硬度58~62 HRC，冲击韧性8.5J/cm2。  （3）超高铬铸铁板锤使用寿命为普通高锰钢的3倍以上。