高铬锰耐磨铸铁在渣浆泵过流件上的开发应用
以高铬铸铁为基础，开发高耐磨低成本高铬锰耐磨铸铁用于渣浆泵过流件的制造。
内容摘要：以高铬铸铁为基础，开发高耐磨低成本高铬锰耐磨铸铁用于渣浆泵过流件的制造。
关键词：高铬锰耐磨铸铁；过流件；开发；应用
一．概述
渣浆泵是氧化铝生产工艺流程中输送浆液的主要设备之一，其工况条件属低应力冲蚀磨料磨损，对过流件材质的主要技术要求是HRC≥55、ak≥4J/cm2，兼有抗腐蚀能力。含Cr12%以上的高铬铸铁因其优良的抗磨性，在国内外已得到广泛应用，目前渣浆泵过流件大都采用此类材质。这类材质的铸铁为了获得足够的淬透性，一般都含有1-3%的钼，但钼铁价格昂贵，而且价格持续上涨，按目前钼铁市场价格33万元/吨计算，每加入1%钼，铸件成本增加6000元/吨左右。在过流件售价难以提高或提高幅度不大的情况下，这对于渣浆泵过流件生产制造企业是难以随的。为此寻求钼的代用材料，开发新型耐磨材质以降低生产制造成本满足使用要求势在必行、迫在眉睫。我厂以高铬铸铁为基础就此开展了高铬锰耐磨铸铁的开发应用，收到了良好的效果。
二．高铬铸铁化成分的作用及耐磨机里分析
高铬铸铁主要含C、Si、Mn、Cr、Mo、Cu、Ni等化学成分，其金相组织最显著的特点是共晶碳化物为M7C3型，且呈网状分布，显微硬度高达Hv1300—1800，因而高铬铸铁具有优良的抗磨性能。
C是提高材质硬度和耐磨性的重要元素，对高铬铸铁的组织和性能影非常显著。C能较多地渗于奥氏体（A）中，增强A M转变后的硬度，形成高碳马氏体，以提高基体的硬度和耐磨性。C含量对共晶合金碳化物（K）的体积百分比有很大影响，提高C量，K量也相应增长，从而可进一步强化材质的整体抗磨性。但过量的C能使M相变温度（Ms）点显著下移并降低淬透性，材质脆性增大，机械性能恶化。高铬铸铁中C含量一般在3%左右，含C量大于3%的高铬铸铁多用于中低应力磨损工况，而C含量低于3%的高铬铸铁多用于冲击载荷、高应力的磨损工况。
Si降低淬透性，所以Si一般限制在0.8%以下，但Si提高Ms点，当Mn量用的高进，允许把Si提高到1.0—1.2%。
Mn稳定奥氏体，但剧烈降低Ms点，带来大量残余奥氏体。Mn含量一般在2%以下。
Cr是主要合金元素，足量的Cr（高于9%）能可靠地得到 M7C3，Cr除与C形成碳化物外，尚有部分溶解于奥氏体中，起提高淬透性的作用。同时足量的Cr可提高材料磨蚀面的钝化力和钝化速度，这是由于Cr的氧化膜相当致密，具有很好的保护性的缘故。Cr含量一般在12—27%。
Mo一部分进入碳化物，一部分溶入奥氏体，溶入的Mo可以提高淬透性，而且Mo降低Ms点的作用不太大，当Mo和Cu联合使用时，提高淬透性的作用更大。高铬铸铁大都含有1—3的Mo。
Ni不溶于碳化物，全部进入奥氏体，可以充分发挥提高淬透性的作用，但降低Ms点的作用比Mo大。Ni含量一般在2%以下。
Cu能提高淬透性，作用小于Ni，Cu在奥氏体中的溶解度有限，用量通常很小在2%以下。
三．高铬锰耐磨铸铁的开发
由于钼铁价格的持续上涨，为了在满足使用的前提下降低渣浆泵过流件的生产制造成本，我们在对现应用的高铬铸铁进行分析的基础上，对高铬锰耐磨铸铁在渣浆泵过流件上的开发应用进行了探索。
1．高铬锰耐磨铸铁化学成分的确定
渣浆泵过流件工况条件属低应力、高速浆体磨料冲蚀磨损。结合上述高铬铸铁化学成分的作用及耐磨机理分析，遵循材料成本低、耐磨性能好、抗冲蚀能力强、淬透性好的化学成分确定原则，以一般高铬铸铁的化学成分为基础，减钼增锰，确定高铬锰抗磨铸铁化学成分如下：
表一 高铬锰抗磨铸铁的化学成分（%）
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C |
Si |
Mn |
Cr |
S |
P |
|
2.8-3.0 |
1.0-1.2 |
3.0-4.0 |
14.0-16.0 |
＜0.08 |
＜0.1 |
2．高铬锰耐磨铸铁的铸造及热处理工艺要点
①．采用中频感应炉熔炼，炉衬为酸性炉衬，炉料为废钢、铬铁、锰铁等，炉料在全装料后熔化，铬烧损大应最后加入。
②．铁水出炉温度控制在1520O—1540OC，浇注温度为1380O—1420OC。
③．针对渣浆泵过流件的结构特点采用同时凝固工艺，即遵循设置冷铁和气冒口，内外冷铁相结合，内浇口采用缝隙式浇口等原则。
④．采用复合孕育剂对铁水进行孕育处理，孕育剂用量为0.2-0.3%，粒度为4-8mm。
⑤．低温装炉，以60OC/h加热速度升温至650OC （保温1小时），再升温至900OC（保温2-3小时），空冷，250OC回火（保温2-3小时），空冷。
3．高铬锰耐磨铸铁和高铬铸铁的性能比较
表二为高铬锰耐磨铸铁和高铬铸铁的性能对比，在合适的化学成分和适宜的铸造及热处理工艺的情况下，高铬锰抗磨铸铁可以获得和高铬铸铁相当的机械性能，在不含Mo、Cu的情况下可以获得满意的耐磨性，达到高铬铸铁的水平。
表二 高铬锰抗磨铸铁和高铬然笏性能比较
|
|
高铬锰铸铁 |
高铬铸铁 | ||||||
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Cr15Mn3 |
Cr15Mo1Cu1 |
Cr15Mo3 | ||||||
|
化
学
成
分 |
C
Si
Mn
Cr
Mo
Cu
S
P |
2.8-3.0
1.0-1.2
3.0-4.0
14.0-16.0
＜0.8
＜0.1 |
2.4-2.6
＜1.0
＜1.0
14.0-16.0
0.8-1.2
0.8-1.2
＜0.05
＜0.08 |
2.8-3.0
＜1.0
＜1.0
14.0-16.0
2.8-3.2
0.5-1.0
＜0.05
＜0.08 | ||||
|
热处理工艺 |
650OC×1h+900oC×（2-4）h空冷；250 oC回火 |
9809C×（2-4）h空冷；470 oC回火 |
960OC×（2-4）h空冷；240 oC回火 | |||||
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机
械
性
能 |
HRCak(J/cm2) |
55-60
5.8-6.2 |
58-65
5.8-7.8 |
58-65
5.8-7.8 | ||||
四．高铬锰耐磨铸铁的应用效果及经济效益
用高铬锰耐磨铸铁生产制造的渣浆泵过流件在氧化铝生产工艺流程中进行了工业试验，达到了其它高铬铸铁的同等水平，其对比结果如表三。
表三 工业试验对比结果
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工业试验 |
过流件材质 |
工况条件 |
使用寿命 |
|
二车间送料泵 |
Cr15Mo3或Cr15Mo1Cu1 |
密度1.7kg/1,温度90oC,固含65g/1,含碱18g/1 |
600小时 |
|
二车间送料泵 |
Cr15Mn3 |
密度1.7kg/1,温度90oC,固含65g/1,含碱18g/1 |
650小时 |
从表二可见，高铬锰耐磨铸铁不含钼和铜，但含3-4%的锰。高铬铸铁Cr15Mo1Cu1含1%的钼和1%铜。高铬锰铸铁用锰铁（含65%Mn）按8%计，锰铁单价为6000元/吨，则该项材料费为480元/吨。高铬铸铁Cr15Mo1Cu1用钼铁（含55%Mo）按2%计，用紫铜按1.1%计，钼铁单价为320000元/吨，紫铜单价为30000元/吨，则该部分材料费为6730元/吨，即成本降低6730-480=6250元/吨。由此可见，高铬锰耐磨然笏在渣浆泵过流件上的开发应用具有可观的经济效益和推广应用的价值。
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