一.导言
据统计，我国每年消耗金属耐磨材料300多万吨，其中仅冶金矿山就消耗衬板约10万吨。目前，我国各种矿山磨机等选矿设备中，普遍使用ZGMn13高锰钢作为衬板等易损件。这类易损件在使用中要承受一定的冲击和磨粒磨损，因此其材料应具有良好的耐磨性和一定的冲击韧性。ZGMn13奥氏体高锰钢的冲击韧性很高(аk高达200J/cm2)，其原始硬度不超过HB230。但在高冲击载荷下，工件表层可产生硬化效应，其表面硬度可达HRC 42 ~ 48，而中心仍保持优异的韧性。但如果在服役中冲击能量不够，奥氏体高锰钢表面的冲击硬化作用不能充分发挥，高锰钢表面达不到高硬度，那么工件就会磨损很快。同时，高锰钢的屈服极限(б0.2)较低(约350MPa)，工件在使用中容易发生塑性变形，尤其是在使用初期。此外，还有球磨机衬板与研磨介质(如磨球)的硬度匹配问题。一般情况下，研磨介质的硬度应高于衬板的硬度。然而，许多厂矿使用的低铬铸铁和高铬铸铁磨球的硬度远远高于高锰钢衬板。高锰钢在低冲击载荷下的上述缺点，往往导致工件韧性过剩但耐磨性不足，磨损失效快，变形严重，导致工件使用寿命短。
Cr & gt1%高铬白口铸铁的共晶碳化物为六方M7C3，(CrFe)7C3的硬度为HRV50 1200~1800，高于普通白口铸铁的共晶碳化物Fe3C (HRV50 840 ~ 100)。同时凝固特性发生变化，凝固过程中(CrFe)7C3为孤立相，而奥氏体为连续相，因此韧性高于普通白口铸铁。国外应用广泛，主要用于衬板、锤头、磨球、渣浆泵过流件等大中型磨损件。在中等和低冲击负荷条件下。国内外高铬铸铁的磨损机制、断裂机制和断裂韧性。
(K1c值)和裂纹扩展机制。结果表明，通过调整C/Cr比、添加各种合金元素、采用稀土变质和热处理工艺，可以控制碳化物的尺寸和形状、二次碳化物的数量和弥散度以及基体组织(马氏体、奥氏体和索氏体)，从而调整性能，满足工件的要求。近年来，国内有关单位也开展了高铬铸铁衬板的研究，在同等工况下，其耐磨性可达到高锰钢的两倍以上。但这些材料的韧性仍然较低(10×10×55mm缺口试样冲击值≤7.3J/cm2)，且含有钼、铜等合金元素，生产成本较高。因此，这种高铬铸铁还需要进一步的改进和完善。
二、高铬铸铁的成分设计
(1)碳和铬
碳和铬的主要作用是保证铸铁中碳化物的数量和形态。随着碳含量的增加，碳化物增多；随着Cr/C比的增加，共晶碳化物的形态经历了连续网状→片状→棒状的过程，共晶碳化物的晶格类型经历了M3C→M3C+ M7C3→M7C3的过程。指出当共晶碳化物不变，Cr/C为6.6 ~ 7.1时，高铬铸铁的断裂韧性值(K1c值)最高，即此时的抗裂纹扩展能力最强。根据这些原则，C的含量应为3.1 ~ 3.6%，Cr的含量应为20 ~ 25%。基体中的铬也能提高材料的淬透性。
(2)镍
其作用是增加高铬铸铁的淬透性，抑制奥氏体基体向珠光体转变，促进马氏体基体的形成。
(3)钨
其作用是细化晶粒，提高硬度和耐磨性。
(4)高效稀土复合变质剂
其作用是脱氧和脱硫，从而抑制晶界夹杂物的偏析，改善晶界条件；此外，稀土元素偏向并吸附在碳化物的择优生长方向，抑制了碳化物的生长，从而使其均匀孤立，而其他变质元素可形成弥散的碳氮化合物，阻止晶粒长大，细化晶粒。稀土复合变质剂的上述作用不仅改善了材料的显微组织，而且显著提高了材料的硬度，尤其是冲击韧性。高效稀土复合变质剂的加入量为0.3-0.5%。
三。高铬铸铁的组织和性能
(1)铸态
显微组织:索氏体+共晶碳化物和条状块状棒状碳化物。
硬度:HRC 48.6，49.3，46.0，49.4，51.7。平均硬度:HRC 49。
(2)热处理状态
经过“正火空冷却+回火空冷却”热处理后，平均硬度为HRC60.5，金相组织为马氏体+共晶碳化物+条状棒状碳化物。
四。衬板铸件的试制
高铬铸铁衬板的铸造工艺如下图1所示。
图1高铬铸铁衬板铸造工艺图
(1)熔化过程
熔炼在500公斤酸性中频电炉中进行。
1.首先将废钢和生铁加入500Kg酸性中频电炉中熔化，然后加入铬铁、钨铁和镍调整钢水成分。
2.出钢前5-10分钟内陆续加入锰铁和硅铁。
3.出钢前约2分钟加入0.05%纯铝脱氧。
4.铁水出钢温度应控制在1460 ~ 1500℃左右。
5.将1.4公斤高效稀土复合变质剂倒入钢包进行孕育处理。
6.将适量保温聚渣剂撒入袋中覆盖，静置5分钟左右，然后除渣。
7.铁水的浇注温度应控制在1360 ~ 1400℃左右。
(2)造型和制芯工艺
造型工艺采用有机酯水玻璃砂工艺:
配料:底箱砂和芯砂:100%原砂(40/70目)+5%硅酸钠(以原砂重量计)+12%有机酯(以硅酸钠重量计)+2.5% EZK溃散剂(以原砂重量计)。
装砂量:100%原砂+4.5%硅酸钠(以原砂重量计)+12%有机酯(以硅酸钠重量计)，不含溃散剂。
混砂工艺:原砂与溃散剂混合1分钟→加入有机酯2 ~ 3分钟→加水和玻璃1 ~ 2分钟→砂光。
型砂可用时间:25 ~ 30分钟。
脱模时间:0.5 ~ 1.5小时。
涂料为醇基锆英粉涂料，要求充分搅拌，均匀涂刷两遍，点燃后快速干燥。
立管采用浮珠保温套管。
试制铸件表面质量良好，无铸造缺陷。
(3)热处理工艺
铸件清洗后，进行热处理。热处理在台车电阻炉中进行，热处理工艺为“正火空冷却+回火空冷却”。热处理后，铸件的平均硬度为HRC60.5，冲击韧性高达8.1J/cm2(10×10×55mm缺口试样)。
5.安装试验
该衬板在WISCO金山店铁矿115t/hφ3.6×4m湿式球磨机上安装运行。铁矿石的莫氏硬度f = 7 ~ 8。新型高铬铸铁缸套和高锰钢(ZGMn13)缸套同时间隔安装。从2001年7月4日起，使用5081小时，处理铁矿石609720吨后，新低合金钢衬板和高锰钢衬板在相同工况下的质量变化比较见表1。表1显示高铬铸铁衬板的耐磨性是高锰钢(ZGMn13)的2.6倍。
启动后，未发现衬板出现裂纹。这说明这种高铬铸铁衬板的韧性能够满足轧机的要求。
表1相同工况下高铬铸铁衬板和高锰钢衬板的耐磨性对比
新型高韧性高铬铸铁衬板(KmTBCr20NiWRe)不含昂贵的钼和铜，采用适合我国资源特点的高效稀土复合变质剂和较多的铬。其硬度在HRC60以上，冲击韧性在8J/cm2以上，耐磨性是ZGMn13高锰钢衬板的2.6倍。
