高鉻白口鑄鐵與磨球（待續(xù)）

康晉輝，王俊榮，楊群收，謝耀曾

（1.河南省駐馬店高級技工學(xué)校，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店市解放路282號4號樓，河南 駐馬店 463000）

由于高鉻白口鑄鐵具有優(yōu)良的抗磨性能，所以被廣泛的應(yīng)用于磨煤、礦石破碎機、水泥磨機、拋丸機、泥漿泵等設(shè)備上的易損件。

雖然高鉻白口鑄鐵具有優(yōu)良的抗磨性能，但是這種鑄鐵相當(dāng)脆，通過熱處理和加入一定量合金元素來提高其沖擊韌性，并且得到較大的進展，但是仍不能滿足于部件在強沖擊下的工況需要。解決高鉻白口鑄鐵的沖擊韌性，是一個很復(fù)雜的問題，它是多因素綜合作用的結(jié)果。高鉻白口鑄鐵的發(fā)展，就是如何使韌性和硬度得到最佳的配合。通過研究認為，要解決這一矛盾，需要合理的選擇高鉻白口鑄鐵中碳化物的數(shù)量、形狀 （如：大小、團球、網(wǎng)狀等）、分布 （單獨存在或相互關(guān)聯(lián)）以及基體組織，基體中殘余奧氏體的量，鑄件內(nèi)外部鑄造缺陷等因素的影響。因此，要有效的提高材質(zhì)的耐磨性就需要搞清楚諸因素對耐磨性的具體影響。

1 硬度與耐磨性的關(guān)系

材質(zhì)的耐磨性和其硬度有著密切的關(guān)系。通常，在保證材料不斷裂的前提下，耐磨性和材料硬度成正比關(guān)系。但實踐證明，材料的耐磨性不僅和材料的本身硬度有關(guān)，而且也和磨料有關(guān)。當(dāng)研磨體磨面硬度過高時，磨料對其擦傷磨損就會減弱，而疲勞磨損則會構(gòu)成主要的磨損形式，此種磨損是一種疲勞磨損，當(dāng)金屬材料 （研磨體）磨面的相對硬度越高時，韌性就越低，疲勞磨損 （包括裂紋、剝落）越明顯，因而磨球的破碎率也就隨之提高。另外，就沖擊耐磨來講，主要取決于材質(zhì)的硬度和韌性的配合，而且與磨損沖擊功的大小有關(guān)。當(dāng)磨損沖擊功小的時候，硬度對材質(zhì)的耐磨性起主要作用。隨著磨損沖擊功的增大，材質(zhì)的韌性對耐磨性的影響增加。故在保持材質(zhì)高硬度的前提之下，改善韌性可以增加材質(zhì)的沖擊耐磨性。

2 韌性與耐磨性的關(guān)系

通常承受磨料磨損的零件，在使用中也要承受劇烈的機械沖擊載荷。從多種磨損件（破碎機錘頭、腭板，球磨機襯板與磨球）的破壞實效分析來看，其原因就是韌性不足。顯然，足夠的韌性是很必要的。但是，確定零件在工作中所需要的韌性值并不容易。所以在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常為了保證有足夠的韌性，就必須犧牲一部分硬度（耐磨性）。

奧氏體基體的高鉻白口鑄鐵的裂斷韌性優(yōu)于馬氏體基體的高鉻鑄鐵，而且碳化物含量低時，二者差值較大，碳化物含量高時差值就小，這就是說：低碳化物時，基體組織對其斷裂韌性起支配作用，即可通過熱處理改變基體，有利于斷裂韌性的提高。隨著碳化物數(shù)量的增加，決定高鉻鑄鐵韌性的主要因素，已從基體轉(zhuǎn)向碳化物，即可通過合金化變質(zhì)處理，改變碳化物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)及分布，從而改變斷裂韌性。

碳化物呈封閉的空間網(wǎng)狀時，碳化物形態(tài)是影響白口鑄鐵斷裂的主要因素。這時裂紋沿碳化物擴散，當(dāng)其首尾相接，碳化物發(fā)生斷裂，而且裂紋持續(xù)沿碳化物擴展（碳化物的尖端角），斷裂不斷產(chǎn)生，基體對裂紋的鈍化效應(yīng)未充分發(fā)揮出來。所以，為了耐磨期間，還要考慮到如何強化基體，而提高基體對碳化物的支撐作用。

當(dāng)碳化物變?yōu)閿嗑W(wǎng)狀時，基體是影響白口鑄鐵斷裂韌性的重要因素。這時，裂紋擴展一定要經(jīng)過基體，而基體對裂紋的鈍化效果應(yīng)較大，阻力亦大，故基體強度是控制裂紋擴展的重要環(huán)節(jié)。

綜上所述，要考慮耐磨性和斷裂韌性，在軟磨料小沖擊功條件下，宜選用馬氏體基體；大沖擊條件下，則宜選用奧氏體基體。

有資料介紹，基體組織與相對耐磨性的關(guān)系，即在沖擊功不同的情況下，選擇的基體組織為：

沖擊功1.2 J：馬氏體、回火復(fù)相、奧氏體、珠光體；

沖擊功3 J：回火復(fù)相、馬氏體、奧氏體、珠光體；

沖擊功4.5 J：奧氏體、回火復(fù)相、馬氏體、珠光體；

3 殘余奧氏體對耐磨性的影響

對于殘余奧氏體，目前較為統(tǒng)一的認識是：在低應(yīng)力滑動磨損件中，殘余奧氏體降低耐磨性（像鉆井用泥漿泵上的缸套，就嚴格控制殘奧的含量）。在高應(yīng)力情況下，適量殘余奧氏體的存在，則有利于高鉻白口鑄鐵的強韌性，可獲得較佳的耐磨性，而比純馬氏體基體耐磨性好。

3.1 殘余奧氏體對裂紋源產(chǎn)生的影響

殘余奧氏體在沖擊磨損過程中，組織中的介穩(wěn)定殘余奧氏體會向馬氏體轉(zhuǎn)變，而且沖擊功愈大，殘奧的轉(zhuǎn)變量也愈大。當(dāng)殘奧向馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，消耗外界的沖擊功，借沖擊功而形成了馬氏體，阻止裂紋源的產(chǎn)生，從而提高了材料的磨損抗力。

3.2 殘余奧氏體對裂紋擴展的影響

當(dāng)殘奧含量較少時，裂紋成直線擴展，沿脆性碳化物擴展，其擴展所受的阻力較小，而殘奧含量較高時，裂紋擴展途徑是曲折的，裂紋穿過碳化物在基體中擴展，所受阻力較大。碳化物和奧氏體間高的結(jié)合強度和殘奧的止裂作用，阻止裂紋沿脆性碳化物擴展。

3.2 殘余奧氏體對疲勞斷裂的影響

由試樣沖擊斷裂的沖擊次數(shù)得出：殘奧含量在17%以下（淬火溫度950℃以下），承受斷裂沖擊次數(shù)少，疲勞壽命低；殘奧含量約30%（淬火溫度1000℃），疲勞壽命有所提高；殘奧含量＞50%（淬火溫度1050℃～1100℃），沖擊4000次未斷裂，疲勞壽命大大提高。

但也有資料認為：殘奧在沖擊磨損中轉(zhuǎn)變成馬氏體后，會引起體積膨脹，應(yīng)力增加，導(dǎo)致剝落和開裂，因此應(yīng)控制殘奧。

4 碳化物數(shù)量、形態(tài)與分布對耐磨性的影響

在高鉻白口鑄鐵中，其顯微組織通常是碳化物+馬氏體+奧氏體（殘）或碳化物+奧氏體，其中碳化物是抗磨損的骨架，故其數(shù)量，形態(tài)和分布與耐磨性有著密切的聯(lián)系。

1）碳化物數(shù)量越多，則硬度有所增加，在材料不斷裂的前提下，碳化物數(shù)量越高，耐磨性越好。

2）在形態(tài)和分布上，為了避免裂紋沿碳化物擴展，則其碳化物最好為球狀、團狀、孤島狀、碎塊狀或斷網(wǎng)狀，應(yīng)力求避免連續(xù)網(wǎng)狀和放射狀分布。這可通過合金化，特別是爐前變質(zhì)處理，改變結(jié)晶凝固條件。另外，也可通過熱處理來改善形態(tài)。

5 基體組織與抗磨性的關(guān)系

耐磨材料的抗磨性與基體組織有著密切的關(guān)系，同時各組織組成物之間的內(nèi)聚強度，也對其耐磨性有著重要影響，高鉻白口鑄鐵的耐磨性不僅僅取決于碳化物，而且也和基體有關(guān)?；w必須有一定的硬度和對碳化物有較高的內(nèi)聚強度，否則基體首先嚴重變形或過早磨損，碳化物就失去依托，使碳化物彎曲折斷或孤立突出。

強化基體的措施還常有：1）添加M0等合金元素；2）加變質(zhì)劑，除氣脫氧、清純晶界，提高晶粒間的內(nèi)聚強度；改變碳化物的形態(tài)，使其尖角變鈍；3、通過熱處理。

6 磨球工況特性及對材質(zhì)性能的要求

6.1 磨機工況條件分析

各類球磨機的基本工況如圖1所示。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動時，磨球與礦料緊密混合，由于離心力和磨擦力的作用，磨球沿著筒壁一邊被提升到一定高度并達到動平衡時，即沿著筒內(nèi)堆積的料堆的自由表面奔流落下，或者脫離此表面，瀑布似的瀉落到料堆的根部，對礦料和磨球進行直接的沖擊，奔流落下的料堆與沿筒壁下滑的磨球，對礦料做剪切破碎、碾研，而且多次重復(fù)性的球與球，磨球與襯板，磨球與物料之間碰撞和相對的滾動與滑動。

圖1 磨球受力及運動分析示意圖

通過以上工況分析可知，磨球的形狀雖然很簡單，但其服役條件、受力情況卻復(fù)雜到我們難以建立起一個合理的物理模型，服役過程中要承受剪切，碾研和較大的沖擊載荷。不但要求磨球硬度高，耐磨性好，而且還要有較好的韌性，耐沖擊防碎裂。其失效形式又受二個互相制約，相互矛盾的因素所影響（硬度與韌性），在濕磨條件下，還要考慮增強材料抗化學(xué)腐蝕的能力。

6.2 磨球?qū)Σ馁|(zhì)性能的要求

就硬度而言，根據(jù)磨機直徑的大小、轉(zhuǎn)速，硬度不應(yīng)低于HRC48。隨著硬度的增加，耐磨性一般亦隨之增加，但過高則易造成表面的剝落而使耐磨性下降。一般情況下，除粉碎特殊堅硬的物質(zhì)外，以不高于HRC60為好。

就材質(zhì)的韌性來說，應(yīng)根據(jù)磨機直徑大小而定。根據(jù)文獻報道，某大學(xué)耐磨研究組織和有關(guān)科研單位用MLD—10型動載沖擊磨損試驗機模擬試驗，以及在不同磨機內(nèi)測試的結(jié)果表明：φ1.5 m以下的磨機中， 平均沖擊能量為 1.0J～1.5 J；φ2.4 m的磨機， 平均沖擊能量為 2.5 J～3.5 J；φ4.5 m 以上的磨機， 平均沖擊能量為 4.2 J～5.0J。 在磨球生產(chǎn)中，為了保證磨球工作中的安全使用，要求磨球材質(zhì)的實際沖擊值，應(yīng)是同直徑磨機模擬測試沖擊值的2～3倍。也就是說，一般情況下，沖擊值在6 J～12 J，就可以滿足于磨球的使用要求。另外，對于4 m以上的大磨機磨球或大徑磨球，其沖擊值應(yīng)特別考慮。

然而，實際磨球所受到的沖擊力并不比理論值大。這是因為被提升的磨球首先被拋落到物料運動面上，然后下沉撞擊到未被提升的物料和磨球上，由于磨球拋落受阻而使速度減少，故其沖擊力大大減少。

高鉻磨球具有較強的抗萌生裂紋能力，而抗裂紋擴展能力低的特點。而鑄造缺陷則是在無負荷情況下，萌生的裂紋源。所以，鑄件的內(nèi)外部缺陷，對磨球斷裂韌性的降低作用是令人吃驚的，故而應(yīng)盡量減少鑄造缺陷，充分發(fā)揮材質(zhì)的內(nèi)在潛力。據(jù)有關(guān)現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)字表明，對于φ100mm以下的磨球，若無鑄造缺陷的存在，沖擊值 ak≥6.5/J·cm-2，在使用過程中是可靠的，但若有縮孔、縮松、夾雜、缺肉、冷隔等鑄造缺陷則是很不利的。

在制定磨球產(chǎn)生工藝時，應(yīng)根據(jù)磨球服役工況的不同，需要全面分析考慮，合理的設(shè)計其化學(xué)成分、造型工藝、冶煉工藝、變質(zhì)處理及熱處理工藝。

（待續(xù)）