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高铬铸铁
耐磨、高韧性、高强度的铸铁
高铬铸铁是高铬白口抗磨铸铁的简称，是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料；它以比合金钢高得多的耐磨性，比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。
基本信息
| 中文名 | 高铬铸铁 |
| 外文名 | high chromium cast iron |
| 别名 | 高铬白口抗磨铸铁 |
| 特点 | 耐磨、高韧性、高强度 |
| 组合 | 基体+碳化物 |
| 国家标准 | GB/T8263 |
| 执行标准 | 美ASTMA532M |
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基本介绍
高铬铸铁是继普通白口铸铁﹑镍硬铸铁发展起来的第三代耐磨材料。由于高铬铸铁自身组织的特点，使得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的韧性、高温强度、耐热性和耐磨性等性能。高铬铸铁已被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，并日益得到广泛应用。
高铬铸铁的良好的耐磨性主要取决于其基体组织和碳化物的类型及分布特点。
高铬铸铁是以Fe，Cr，C为基本成分的多元合金。刚凝固下来的高铬铸铁中基体是奥氏体，这种奥氏体在加热至较高的温度下才是稳定的，而且被C、Cr等元素所饱和。当温度降低时，奥氏体将发生转变。通常条件下，高铬铸铁呈现以奥氏体为主的多相组织，这种组织的铸铁在高温下使用，更能发挥材质本身的潜能。
高铬铸铁是含铬量在12%-28%之间的铬系白口铸铁，由于铬的大量加入使得白口铁中的M3C型碳化物变成M7C3型碳化物。这种合金碳化物很硬，赋予了高铬铸铁良好的耐磨性。另一方面，在凝固过程中M7C3型碳化物呈杆状孤立分布，使得高铬铸铁的韧性有了一定程度的改善。
国家标准
抗磨白口铸铁国家标准
我国抗磨白口铸铁国家标准（GB/T8263）规定了高铬白口铸铁的牌号、成分、硬度及热处理工艺和使用特性。其典型成分及工艺如下表：
表1 高铬铸铁的牌号及化学成分（%）
牌号 | C | Mn | Si | Ni | Cr | Mo | Cu | P | S |
KmTBCr12 | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.5 | ≤2.5 | 11.0-14.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
KmTBCr15Mo | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.2 | ≤2.5 | 11.0-18.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
KmTBCr20Mo | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.2 | ≤2.5 | 18.0-23.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
KmTBCr26 | 2.0-3.3 | ≤2.0 | ≤1.2 | ≤2.5 | 23.0-30.0 | ≤3.0 | ≤1.2 | ≤0.10 | ≤0.06 |
表2 高铬铸铁的硬度
表3 高铬铸铁件热处理规范
牌号 | 软化退火处理 | 硬化处理 | 去应力处理 |
KmTBCr12 | 920-960℃保温1-8h,缓冷至700-750℃保温4-8h,冷至600℃以下出炉空冷或炉冷 | 920-980℃保温2-6h，出炉空冷 | 200-300℃保温2-8h，出炉空冷或炉冷 |
KmTBCr15Mo | 920-960℃保温1-8h,缓冷至700-750℃保温4-8h,缓冷至600℃以下出炉空冷或炉冷 | 920-980℃保温2-6h，出炉空冷 | 200-300℃保温2-8h，出炉空冷或炉冷 |
KmTBCr20Mo | 960-1000℃保温1-8h,缓冷至700-750℃保温4-10h,缓冷至600℃以下出炉空冷或炉冷 | 960-1020℃保温2-6h，出炉空冷 | 200-300℃保温2-8h，出炉空冷或炉冷 |
KmTBCr26 | 960-1060℃保温2-6h，出炉空冷 |
美国高铬铸铁执行标准为ASTMA532M，英国为BS4844，德国为DIN1695，法国为NFA32401。俄罗斯在前苏联时期曾研制了12-15%Cr、3-5.5%Mn，壁厚达200mm的球磨机衬板，现执行ҐOCT7769标准。特别值得一提的是在近一个世纪里，曾为抗磨白口铸铁做出了卓越贡献的美国克莱梅克斯（Climax）钼业公司。1928年该公司首先发明了镍硬铸铁，把抗磨铸铁科技推向了一个空前高度。1974年为纪念国际GIFA，在杜赛尔多夫展览会上展示了名为“神秘1号”和“神秘2号”。即经典的高铬抗磨铸铁153（Cr15Mo3）和1521（Cr15Mo2Cu），现如今克莱梅克斯公司执行高铬铸铁标准如下，
表4 美国Climax钼公司规定的高铬铸铁成分（质量分子数）%
成分 牌号 | 12-1 | 15-3 | 15-2-1 | 20-2-1 | |||
超高碳 | 高碳 | 中碳 | 低碳 | ||||
C | 3.0-3.5 | 3.6-4.3 | 3.2-3.6 | 2.8-3.2 | 2.4-2.8 | 2.8-3.5 | 2.6-2.9 |
Cr | 11-14 | 14-16 | 14-16 | 14-16 | 14-16 | 14-16 | 18-21 |
Mo | 0.5-1.0 | 2.5-3.0 | 2.5-3.0 | 2.5-3.0 | 2.4-2.8 | 1.9-2.2 | 1.4-2.0 |
Cu | <1.0 | - | - | - | - | 0.5-1.2 | 0.5-1.2 |
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注：①碳含量为下限时，大断面中可能出现贝氏体。
应用举例
高铬铸铁磨球在球磨机中的应用
球磨机是水泥、电力、矿山等行业研磨工序的主要设备，磨球是球磨机主要易损件之一。磨球既要有高的耐磨性，又要有高的韧性。它的耐磨性能高低对生产起着极为重要的作用。因此提高其硬度、抗冲击性、耐磨性能极为重要。长治钢铁（集团）公司为了改进铸铁球的致密度，减少热裂，通过加入不同的稀土元素，来改善铸铁球的化学成分和均匀性。并成功用于生产水泥用的球磨机中，显著提高了磨球的耐磨性。中国铝业广西分公司检厂已研制成功并投入生产了一种磨球，它是用自行研制的特高铬耐磨合金铸铁制成，由于其具有良好的耐磨性及韧性，用它制作的磨球应用在该公司氧化铝厂原料车间球磨机上，获得了很大的成功。这种耐磨材料制成的磨球的应用创造出了很好的经济效益，具体可表现为加球量比原来少了一半。安徽理工大学与淮化集团公司热电厂合作制作的高铬铸铁磨球在淮化集团热电厂Φ3.2m球磨机使用，停机开仓检查无明显破碎变形磨球，破碎率小于0.5%，使用效果良好。在使用高铬铸铁磨球时，必须考虑到实际工况条件。尤其是与之相配的衬板必须有足够的硬度，否则磨损过快。如何处理好磨球硬度与韧性、淬透性与合金元素含量这两对矛盾一直是实际生产中未解决的难题，通常是硬度高则韧性低，破碎率高；合金元素含量高使淬透性提高，但成本增加。
渣浆泵在矿山、冶金、火力发电、煤炭、化工和环保等工矿部门广泛应用于输送高浓度渣浆，其四大过流件如蜗壳、叶轮、前护板和后护板等在工作过程中不但承受物料的冲刷磨损，而且还承受浆料的腐蚀作用，运行工况极其恶劣，因此其过流部件成为冶金矿山行业常见的易损件。国内外渣浆泵过流部件所用材料主要有不锈钢、高铬铸铁和镍硬铸铁。高铬铸铁是渣浆泵过流件的理想候选材料，通过碳、铬含量水平的调整或选择，可以获得不同工矿条件下过流件的最佳使用效果。蒋业华等人研究发现，铸态和热处理态两种状态下的Cr28高铬铸铁的腐蚀磨损性能与高铬铸铁标样Cr15Mo3相比都有显著地提高，表现出优越的耐腐蚀磨损性能。西安交通大学研究的Cr28%左右的高铬铸铁和利用稀土变质处理的高铬铸铁耐冲刷腐蚀性能优越，可望成为渣浆泵过流件的新材料。改善定向凝固设备和工艺，以制备碳化物定向排列的高铬铸铁，这也是一种值得期待的方法。
锰铝复合高铬铸铁的水泥磨磨辊衬板，对于厚大件其淬透性、耐磨性都不理想，仅适用于有效截面在100mm-140mm的铸件上。厚大截面的磨辊衬板需要有一定抗冲击能力的高铬铸铁品种，用于大型水泥立磨。沈阳重型机械集团有限责任公司开发研制的高铬铸铁衬板，已使用在各种系列立磨、中速磨上。
高铬铸铁在破碎机颚板上的应用
铸造工艺举例
锤头高铬铸铁铸造工艺
1、工艺上常常通过调整碳含量来达到改变碳化物数量。
2、不含其他合金元素的高铬铸铁，空淬能淬透的最大直径为20mm，要提高淬透性，必须加入合金元素。
4、铜降低Ms，会造成许多的残留奥氏体，因此，一般控制在1.5%以下。
5、由于V价格高，通常只适用于不易热处理的铸件。
6、硅提高Ms，会减少残留奥氏体，同时降低淬透性，因此，一般应控制。
7、高铬铸铁感应炉熔炼温度1480℃，已经足够，不必太高。
8、高铬铸铁浇注温度不希望太高，以免收缩过大和粘砂。浇注温度厚大件1350-1400℃，（一般件1380-1420℃）。高的浇注温度加重冒口下的缩孔，而且会造成浓密的显微缩松，同时使晶粒组织粗大。
9、高铬铸铁模型收缩率2%。
11、高铬铸铁寿命短的原因，不是金相不合格，而是，铸件内存在缩孔、气孔、夹杂等铸造缺陷，因此必须足够重视铸造工艺。
12、高铬铸铁容易开裂。在铸造工艺设计上注意不让铸件收缩受阻，以免造成开裂。
13、高铬铸铁铸件在铸型中应充分冷却，然后开箱。开箱过早，开箱温度过高，是铸件开裂的主要原因。
14、高铬铸铁采用金属型铸造时，浇注温度应保持在150℃以上，以免铸件冷却太快开裂。
15、高铬铸铁采用高温空淬，中低温回火的热处理，获得高硬度的马氏体基体。
16、高铬铸铁在热处理前的铸态基体组织取决于铸态冷却速度的高低。冷却速度高时通常为奥氏体基体：随冷却速度降低逐渐开始析出部分马氏体、珠光体和奥氏体的混合物。冷却速度进一步降低，可能获得珠光体基体的组织。
17、高铬铸铁一般根据铬含量和零件壁厚选择最佳淬火温度。淬火温度越高，淬透性越高，但淬火后形成残留奥氏体数量有可能越多。Cr15高铬铸铁的淬火温度940-970℃，Cr20高铬铸铁的淬火温度960-1010℃。保温时间根据壁厚选择。一般2-4h,壁厚零件4-6h。
18、空淬后的高铬铸铁存在较大的内应力，应尽快进行回火热处理。
19、对一些形状复杂、壁厚形成悬殊的高铬铸铁铸件应严格控制升温温度（≤50℃/h），以免铸件开裂。有时采用阶梯式升温（在200℃、400℃、600℃停留2-3h）更为安全，在700℃以上升温可以适当加速。但不超过150℃/h。
20、保温时间应视铸件壁厚、装炉量、状态和升温速度等因素综合考虑，以免由于部分铸件或铸件的心部因保温时间不足而出现淬不透。
22、高铬铸铁在熔炼过程中温度控制在1450℃，最后快速升温控制在1480℃脱氧出炉。
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