含鉬過(guò)共晶高鉻鑄鐵渣漿泵實(shí)用性分析

（石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊 050100）

關(guān)鍵字：過(guò)共晶高鉻鑄鐵；渣漿泵；耐磨性；沖蝕磨損

渣漿泵主要用于抽送固體顆粒和液體混合物，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、電力、化工、煤炭等行業(yè)。在使用中，渣漿泵是最重要的輸送設(shè)備，在輸送過(guò)程中，由于漿液中固體的磨損以及液體的沖刷共同作用，使得蝸殼、葉輪等過(guò)流部件的磨蝕非常明顯，是這些行業(yè)生產(chǎn)中大量消耗的易損件，零件的拆檢更換不僅需要消耗人力、物力，還影響了設(shè)備固有生產(chǎn)能力，直接制約了企業(yè)的總體效益。因此，如何提高渣漿泵使用壽命，增加渣漿泵材料耐磨性成為行業(yè)發(fā)展的迫切需求。渣漿泵常用的材料高鉻鑄鐵自上世紀(jì)60 年代開(kāi)始發(fā)展，至今已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的歷程，是目前世界上公認(rèn)的最優(yōu)秀的耐磨損金屬材料，其良好的耐磨性主要由于M7C3型共晶碳化物及韌性相對(duì)較好基體的配合，目前研究和使用比較多的是亞共晶和共晶高鉻鑄鐵。過(guò)共晶高鉻鑄鐵含碳量和含鉻量較高，含碳量一般大于3.5%，組織中碳化物的體積分?jǐn)?shù)較高，表現(xiàn)出來(lái)的硬度和耐磨性也較高，但是過(guò)共晶高鉻鑄鐵在鑄造凝固過(guò)程中會(huì)形成粗大的初生碳化物，這類(lèi)碳化物往往對(duì)基體產(chǎn)生割裂作用，使材料的韌性大幅下降，在鑄造過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋、缺陷等問(wèn)題，因而很少應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1]。

本文設(shè)計(jì)了一種含鉬過(guò)共晶高鉻鑄鐵（G1），不僅具有優(yōu)異的耐磨性，而且通過(guò)鑄造和熱處理過(guò)程的控制，能夠有效降低廢品率，可以應(yīng)用于渣漿泵零件批量生產(chǎn)制造，滿足了高磨損工況的使用。

1 主要成分

高鉻鑄鐵最主要元素是碳和鉻，鉻與碳形成較為復(fù)雜的碳化物，這些碳化物硬度非常高，作為耐磨相存在于基體金屬中，顯著提高了金屬的耐磨性，過(guò)共晶鑄鐵中，碳鉻含量都很高，因此組織中碳化物數(shù)量也十分龐大，控制碳化物的形態(tài)和分布是決定共晶高鉻鑄鐵性能的關(guān)鍵。對(duì)于渣漿泵零件來(lái)說(shuō)，除了耐磨性要求外，必須要保證泵在承壓情況下正常運(yùn)行，這對(duì)材料的力學(xué)性能要求也是不可避免的。為了兼顧耐磨性和一定的力學(xué)性能，本文對(duì)于渣漿泵過(guò)共晶高鉻鑄鐵成分進(jìn)行了設(shè)計(jì)：鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%以上，鉻碳比約為7.5；為了防止過(guò)共晶碳化物過(guò)大，增加了錳含量；為細(xì)化原始鑄態(tài)組織并進(jìn)一步提高材料淬透性，加入了大量碳化物形成元素鉬；為提高材料抗撕裂能力，加入了鎳。具體成分如表1 所示。

表1 過(guò)共晶高鉻鑄鐵G1 主要成分范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 主要工藝過(guò)程

2.1 鑄造工藝

渣漿泵零件通常形狀復(fù)雜，接觸漿液的主要零件有葉輪、蝸殼、前后護(hù)板等，如圖1 所示。除了護(hù)板相對(duì)簡(jiǎn)單外，葉輪和蝸殼均比較復(fù)雜，零件各部位壁厚不均勻，在鑄造過(guò)程易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖1 渣漿泵主要過(guò)流部件示意圖

零件采用呋喃樹(shù)脂砂造型試制，具有結(jié)合強(qiáng)度、零件表面光潔度和尺寸精度高以及潰散性好的特點(diǎn)，同時(shí)呋喃樹(shù)脂發(fā)氣量較其他有機(jī)黏結(jié)劑低、熱穩(wěn)定性好、透氣性好，能夠有效減少鑄件的夾砂、粘砂、氣孔、縮孔、裂紋等鑄造缺陷，從而降低廢品率。除此外，過(guò)共晶高鉻鑄鐵收縮率大，凝固過(guò)程產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力也較大，因此為了降低砂型鑄件收縮過(guò)程中產(chǎn)生的阻礙，需要控制樹(shù)脂的加入量，同時(shí)要求砂型具有良好的透氣性和潰散性，原砂粒徑采用40～100 目，主要為70 目。

以葉輪為例，葉輪是渣漿泵中形狀最復(fù)雜的零件，典型結(jié)構(gòu)包括軸端、上下蓋板以及中間均勻分布的幾枚扭曲葉片，軸端和蓋板、葉片和蓋板過(guò)渡部位由于壁厚差異屬于應(yīng)力集中區(qū)域，易產(chǎn)生缺陷或開(kāi)裂，對(duì)于此類(lèi)壁厚不均的部位需要使用冷鐵或采用鉻礦砂來(lái)控制整體冷卻速度。葉輪鑄造工藝如圖2 所示，采用上下兩箱，葉輪橫置，軸端部位在下的形式，中間放置砂芯，澆注系統(tǒng)采用頂端澆注，蓋板上冒口，一側(cè)開(kāi)澆口和澆道。高鉻鑄鐵易形成氧化物雜質(zhì)，并且對(duì)承壓受力零件影響較大，需設(shè)置底窩和擋渣板，澆口設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，阻止夾雜物進(jìn)入鑄件。

圖2 過(guò)共晶高鉻鑄鐵葉輪鑄造工藝示意圖

2.2 熔煉和澆注

采用中頻爐熔煉，中性爐襯，為降低合金元素?zé)龘p，熔化過(guò)程中需進(jìn)行測(cè)溫，溫度控制在1 530 ℃～1 560 ℃.為了防止初生碳化物過(guò)大，需加入一定量變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理。

2.3 鑄后處理

為了防止過(guò)共晶高鉻鑄鐵冷卻過(guò)快引起開(kāi)裂，因此鑄件開(kāi)箱時(shí)間不能過(guò)短。為了避免大型零件在砂箱內(nèi)冷卻過(guò)程中收縮受阻，應(yīng)提前對(duì)砂箱進(jìn)行疏松。而且由于渣漿泵的零件形狀不規(guī)則，鑄后內(nèi)應(yīng)力較大，需要進(jìn)行一定的去應(yīng)力處理。

3 性能和組織分析

與傳統(tǒng)共晶高鉻鑄鐵相比，過(guò)共晶高鉻鑄鐵碳、鉻含量高，鑄態(tài)組織中具有相當(dāng)數(shù)量的碳化物，雖然通過(guò)退火處理可以消除一部分碳化物，但由于碳化物比例大，難以完全溶于奧氏體中，因此過(guò)共晶高鉻鑄鐵無(wú)論鑄態(tài)還是退火態(tài)硬度通常比較高，尤其需要鉆孔和攻絲的部位，難以加工，這對(duì)于渣漿泵零件來(lái)說(shuō)無(wú)疑會(huì)增加生產(chǎn)的加工費(fèi)用和生產(chǎn)周期，因此過(guò)共晶高鉻鑄鐵應(yīng)盡可能降低加工量，對(duì)于鉆孔、攻絲部位需要提前設(shè)置預(yù)埋件。過(guò)共晶高鉻鑄鐵材料的主要性能如表2 所示。

表2 過(guò)共晶高鉻鑄鐵材料性能數(shù)據(jù)

G1 材料含有較高的鉬，其中約50%與碳結(jié)合形成碳化物，在鑄造凝固過(guò)程中，這批初生碳化物（以Mo2C 為主）會(huì)成為形核中心，加速鐵液的形核速度，并阻礙晶粒的長(zhǎng)大，達(dá)到細(xì)化晶粒的作用；還有一部分鉬會(huì)溶于鉻、碳化合物中，替代一部分鉻，改善鉻碳化合物的硬度和強(qiáng)度；剩余部分會(huì)溶于奧氏體或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中[2]。通過(guò)鉬的加入和爐前的變質(zhì)處理，使G1 材料在鑄態(tài)下得到大量孤立存在碳化物，消除了原來(lái)過(guò)共晶高鉻鑄鐵材料碳化物成片連網(wǎng)存在的現(xiàn)象，改善對(duì)基體組織的割裂，提高了材料的力學(xué)性能。其金相組織如圖3 所示。

圖3 G1 材料金相組織（去應(yīng)力退火）

在保證力學(xué)性能基礎(chǔ)上，耐磨蝕性是決定渣漿泵使用壽命的最重要因素，耐磨試驗(yàn)使用傳統(tǒng)BTMCr26 與G1 材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試樣尺寸為1 8 mm×18 mm×38 mm，采用自制沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)（如圖4）模擬渣漿泵實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，介質(zhì)為60 目石英砂與水的中性混合漿液，質(zhì)量比1：1，轉(zhuǎn)速1 024 r/min，磨損時(shí)間5 h.試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

圖4 自制沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖

從表3 可以看出，過(guò)共晶高鉻鑄鐵G1 與傳統(tǒng)BTMCr26 材料相比，耐沖蝕磨損性能有非常大的提高，分析與G1 中存在大量碳化物有直接關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，G1 材料使用壽命相對(duì)傳統(tǒng)BTMCr26 材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，在承德某鐵礦選礦廠，同泵位250 mm 出口口徑渣漿泵使用壽命為普通高鉻鑄鐵材料壽命的1.4～1.6 倍；在內(nèi)蒙古某選煤廠重介選煤工況，同泵位300 mm 出口口徑渣漿泵使用壽命可達(dá)到1.5 倍。

表3 相對(duì)磨損試驗(yàn)（5 h）

4 成 本

材料的性能雖然決定了其使用性能，但成本仍是材料是否適合工業(yè)生產(chǎn)推廣的決定要素，過(guò)共晶高鉻鑄鐵與傳統(tǒng)高鉻鑄鐵泵零件成本差異主要取決于成品率、原材料成本、加工費(fèi)用，如表4 所示。

表4 成本差異分析表

除此之外，相比共晶和亞共晶高鉻鑄鐵，過(guò)共晶高鉻鑄鐵抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性均較低，在渣漿泵設(shè)計(jì)中，由于部分蝸殼類(lèi)零件承受高壓，因此還需要考慮強(qiáng)度能否滿足使用要求，設(shè)計(jì)壁厚需要重新核算，這些也增加了過(guò)共晶高鉻鑄鐵的生產(chǎn)成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年國(guó)內(nèi)實(shí)施礦產(chǎn)資源精細(xì)化、節(jié)約化開(kāi)采，為降低采礦環(huán)節(jié)中造成的資源浪費(fèi)，低品位惡劣的磨損工況越來(lái)越多，對(duì)設(shè)備耐用性的要求越來(lái)越高，原有的高鉻鑄鐵已經(jīng)難以滿足現(xiàn)場(chǎng)惡劣使用要求。本文設(shè)計(jì)的過(guò)共晶高鉻鑄鐵G1 具有較高耐磨性，應(yīng)用于惡劣工況下能夠顯著提高渣漿泵使用壽命。通過(guò)添加約3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉬元素和采用一定量變質(zhì)劑處理，同時(shí)嚴(yán)格控制鑄造過(guò)程，克服了通常過(guò)共晶鑄鐵材料性能缺點(diǎn)，提高了材料的成品率，成功應(yīng)用于渣漿泵零件的批量生產(chǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)取得了良好的使用效果。