各种矿山在生产过程中要产生许多渣浆,渣浆必须抽排。渣浆中含有很多硬质矿粒,对渣浆泵过流部件护套、叶轮、前护板、后护板产生高速冲刷,切削摩擦和腐蚀磨损作用,使其很快穿透而失效。若材质和生产工艺选择不当,护套使用十天左右就报废。渣浆泵过流部件护套、叶轮等是易损件,各种矿山的消耗量是很大的。
    1　材质的选择
    渣浆泵易损过流件有:护套、叶轮、前护板、后护板,其中以护套磨损最严重。以护套为例进行说明,其它铸件材质选择和护套相同。护套选择几种材质时的使用寿命比较如表1。
    表1　几种材料护套的使用寿命 

    表1中数据是从六个矿山企业用户统计的平均值。从比较结果看出,改型高铬铸铁护套使用寿命最长,寿命价格比最优。镍硬铸铁价格较高,尤其是要消耗大量的贵重合金元素镍,我国镍矿资源又贫乏,所以选镍硬铸铁不合适。奥贝球铁是一种新型耐磨材料,国内也有人用它生产渣浆过流部件,资料[1]曾有报道,经我们试验比较,奥贝球铁用于生产矿浆高速冲刷磨损的渣浆部件时耐磨性不如高铬铸铁。且奥贝球铁生产工艺比高铬铸铁复杂,生产工艺过程不易控制。普通高铬铸铁虽然硬度较高,使用寿命比其它几种材料都长,但它太脆,在矿粒高速冲刷时金属材料脱落磨,磨面上腐蚀凹坑较严重。不能使高铬铸铁的耐腐蚀性能和强韧性更高一些,组织更细密一些,在矿粒高速冲刷时金属材料就不易从本体脱落,耐磨性就会大大提高。资料[2]介绍:以腐蚀角度来看,Cr15Mo1Cu1高铬铸铁作为护套的材质并不理想!应选择含铬的Cr28高铬铸铁。

    但Cr28含铬太高,铸件成本太高,所以从经济角度考虑不太适宜,因此我们试制改型高铬铸铁渣浆过流部件。高铬铸铁的金相组织是马氏体+碳化物+残余奥氏体,奥氏体比马氏体韧性高,减少马氏体含量,增加奥氏体含量,有利于改善高铬铸铁的韧性。并且这种奥氏体是碳过饱和的,富含铬的固溶体,所以强度也高。这种奥氏体和高锰钢金相组织的奥氏是不相同的。我们选两种金相组织高铬铸铁生产护套,第一种是马氏体+碳化物+少量残余奥氏体;第二种是奥氏体+碳化物+部分马氏体,经实际使用,前者的寿命不如后者长。这种现象说明,护套在服役中除过磨损以外,还与腐蚀有关。

    因为矿浆对金属材料具有腐蚀作用,而奥氏体比马氏体抗腐蚀性强。要想使高铬铸铁的金相组织得到一定的奥氏体,有以下几个途径:

    第一,增加铬含量。铬元素扩大奥氏体相区,降低相变温度,奥氏体含量随着铬含量的增加而增加。

    第二,添加镍和锰元素。镍元素强烈扩大奥氏体相区,降低相变温度,当镍元素增加到一定量时,奥氏体相区甚至扩大到室温状态。锰能部分代替镍,具有和镍相似的性能,但作用比镍弱。但镍的加入量不宜太多,镍过量后护套反而不耐磨。

    第三,添加提高淬透性的元素,如铜、钼、钨等。护套壁厚不大,所以这些元素加入微量即可。奥氏体并非越多越好,而是有一定最佳含量,超过最佳含量后护套耐磨性就下降。碳化物的性能和形状对护套的耐磨性影响很大。

    众所周知,Ｍ7Ｃ3和Ｍ23Ｃ6型碳化物比Ｍ3Ｃ型碳化物耐磨,资料[3]介绍,Cr/Ｃ比超过3 5倍后,才能得到Ｍ7Ｃ3型碳化物。随着铬含量的增加,不仅碳化物的分子结构由Ｍ3Ｃ→Ｍ7Ｃ3→Ｍ23Ｃ6发生变化,而且其组织形状也发生变化,由网状→板条状→块状变化,显然,后者比前者对基体的割裂作用小,不易从基体上脱落。后者比前者显微硬度高。由资料[2]得,三种结构的碳化物显微硬度分别是:Ｍ3Ｃ型ＨＶ=840～1100,Ｍ7Ｃ3型ＨＶ=1200～1800,Ｍ23Ｃ6型ＨＶ=1000～1100,所以,后者组织的护套比前者耐磨性好。 

    除过含铬量影响碳化物的结构和形状外,变换处理能显著改善碳化物的形状。我们用含稀土的复合变质剂处理高铬铸铁,不仅使碳化物的形状块状化,而且使其组织细密,宏观断口的冰渣现象明显减少,各项机械性能指标得以提高。复合型碳化物比简单形碳化物耐磨,所以,Ｍ7Ｃ3中的Ｍ不应该仅是Fe和Cr,而应该是几种或多种元素,如Ｎｂ、Ｗ、Ｖ、Ti、Mn、Fe、Cr、Ni、Cu等,(Ni和Cu不进入碳化物,但具有其它有益作用),多种合金元素有机配合,能显著提高高铬铸铁的淬透性,避免组织发生珠光体转变,得到细密的马氏体,从而使高铬铸铁的耐磨性大大提高,变质处理和加入Ｖ、Ti等合金元素细化高铬铸铁的组织,是生产高铬铸铁的关键工序,组织越细密,其耐磨性越好,寿命越长。但合金元素的种类和加入量并非越多越好,过量用合金,高铬铸铁脆性增加,磨损中出现剥落现象,从而加剧材料的磨损,符合资料[5]的理论观点。我厂经过多年的生产实践,选定改型高铬铸铁渣浆过流部件的化学成分是ｗ(Ｃ)=2.1%～3.6%,ｗ(Ｓｉ)=0.6%～1.8%,ｗ(Mn)=1.0%～2.5%,ｗ(Ｓ)≤0.07%,ｗ(Ｐ)≤0.05%,ｗ(Cr)=15%～26%,其它合金≥3 5%,用中频感应电炉熔炼铁水,1480℃～1500℃出炉,1420℃～1360℃浇注。

2　造型工艺
    我们开始生产时,护套脖颈处不放外冷铁,该处缩裂,缩孔严重,使用中该处提前磨穿。而后我们在造型时给该处放成型外冷铁,并把过渡园孤半径由Ｒ20ｍｍ增大到Ｒ50ｍｍ,既增加了壁厚,又解决了缩裂,缩松问题,避免了该处提高磨穿的现象。护套的三种浇冒口系统方案如图1～图3所示。

    三种浇冒口系统方案我们都用过。

    第一种方案冒口对铸件的补缩效果不明显。冒口的补缩效果η=(冒口的理论重量-浇注后冒口的实际重量)÷冒口理论重量,九八年按此工艺生产时经统计计算,η=7%～8%,此值和资料[6]提供的高铬铸铁液态收缩率7 5%相近,所以冒口基本上是自身补缩,而没有补缩铸件。

    第二种方案利用护套壁厚均匀一致的特点,分散浇口,使型腔温度趋于一致,实现同时凝固,工艺出品率较高,但横浇口截面积必须略大一些,使横浇口对与内浇口相连的铸件局部进行补缩,否则,与内浇口相连处铸件局部会产生小缩孔和缩松。

    第三种方案是浇注时铁水从下向上充型,从而形成从下向上由低到高的顺向温度梯变,便于顶部冒口补缩,再加出气冒口(冷筋冒口)配合,横浇口中安放过滤片,使铸件组织致密,无缩孔缩松缺陷。前后护板浇冒口系统和图1相似,用两只热冒口补缩,下部放冷铁,如图4所示。叶轮由于有多个分散的热节,壁厚相差较大,难以用一两个冒口集中补缩。侧冒口偏离热节太远,补缩不进去,若不设冒口,浇道腔隔墙内会产生缩孔缩松,影响叶轮寿命,所以必须水平造型,水平浇注,每个热节顶部安放一只小冒口,共五只冒口,如图5所示。
    型砂的选择影响到铸件的尺寸精度和表面粗糙度,我们先各使用粘土干砂型,水玻璃砂型、树脂砂型工艺都生产过,后者比前者铸件尺寸精度高。故为渣浆泵过流件,这三种型砂工艺都能满足设计和使用要求,但生产成本不同,应根据具体条件确定。
    3　热处理工艺
    高铬铸铁铸态成分不均匀,存在组织偏析,晶粒粗大,含有部分珠光体和菜氏体,并存在较大的铸造应力,这些都降低了高铬铸铁的机械性能,使其不能充分发挥应有的优越特性,铸件使用寿命缩短。所以必须进行热处理,热处理后要求高铬铸铁渣浆泵过流部件的理想金相组织是:马氏体+碳化物+奥氏体。由于高铬铸铁的导热性差,所以750℃以下计温时要缓慢加热,高温出炉后空冷或风冷。我们选用五种加热温度和三种回火温度进行了热处理比较,其结果如表2所示。
    经生产试验和使用比较,以980℃淬火性能最优,护套使用寿命最长,所以我们最后确定热处理工艺为:980℃风冷+280℃回火空冷。在350℃以上回火后,铸件韧性提高,硬度下降,耐磨性略有下降,低于和高于980℃淬火铸件硬度均有所下降,耐磨性也降低。

4　结论　
    1)渣浆泵过流部件应选用多元合金高铬铸铁生产,护套寿命可达两个月。 

    2)渣浆泵过流部件造型时应以冒口加冷铁配合应用,方能得到组织致密而合格的铸件。

    3)渣浆泵过流部件的热处理工艺以980℃淬火+280℃回火为最佳。