高铬铸铁
高铬铸铁，又称高铬白口抗磨铸铁，是一种性能优异且备受关注的抗磨材料。它以其高于合金钢的耐磨性，以及优于一般白口铸铁的韧性和强度，同时还具备良好的抗高温和抗腐蚀性能，因其生产便捷、成本适宜，被誉为当今最优秀的抗磨料磨损材料之一。
物理性质
组织特征
高铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁之后发展的第三代耐磨材料。其独特的组织结构使其具有更高的韧性、高温强度、耐热性和耐磨性。高铬铸铁常呈现出以奥氏体为主的多相组织，这一组织结构在高温环境下能够更好地发挥材质本身的能力。
化学组成
高铬铸铁是由铁、铬、碳为主要成分的多元合金。初始凝固状态下，其基体为奥氏体，这种奥氏体在较高温度下稳定，并由C、Cr等元素饱和。随着温度下降，奥氏体会发生变化。通常情况下，高铬铸铁显示出以奥氏体为主的多相组织，这种组织结构的铸铁在高温下使用，能够更有效地发挥材质潜力。
耐磨机制
高铬铸铁的良好耐磨性主要归功于其基体组织和碳化物的类型及其分布特点。高铬铸铁中含有12%至28%的铬，这导致白口铁中的M3C型碳化物转变为M7C3型碳化物。这种合金碳化物非常坚硬，赋予了高铬铸铁出色的耐磨性。此外，在凝固过程中，M7C3型碳化物呈杆状独立分布，从而提升了高铬铸铁的韧性。
标准规范
抗磨白口铸铁国家标准
中国的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。其中，典型的成分及工艺见下表：
其他国家的标准
除了中国的国家标准外，其他国家也有相应的高铬铸铁执行标准，包括美国的ASTMA532M、英国的BS4844、德国的DIN1695和法国的NFA32401。俄罗斯在苏联时期研发了含有12-15%铬、3-5.5%锰的球磨机衬板，目前执行的标准为ҐOCT7769。美国克莱梅克斯（Climax）钼业公司在抗磨白口铸铁领域有着杰出的贡献，他们曾在1928年发明了镍硬铸铁，并在1974年的国际GIFA展会上展示了一系列经典产品，其中包括高铬抗磨铸铁153（Cr15Mo3）和1521（Cr15Mo2Cu）。目前，克莱梅克斯公司执行的高铬铸铁标准如下所示：
应用实例
在球磨机中的应用
高铬铸铁磨球在水泥、电力、矿山等行业使用的球磨机中扮演着重要角色。作为球磨机的主要易损件之一，磨球需要兼具高耐磨性和高韧性。长治钢铁（集团）公司通过添加ree，改善了铸铁球的化学成分和均匀性，显著提高了磨球的耐磨性。中国铝业广西分公司的研究人员也成功研制出一种磨球，其由特高铬耐磨合金铸铁制成，具有良好的耐磨性和韧性，在氧化铝厂原料车间球磨机上取得了显著成效。安徽理工大学与淮化集团公司热电厂的合作项目中，生产的高铬铸铁磨球在淮化集团热电厂Φ3.2m球磨机上使用，表现良好，破碎率低于0.5%。
在渣浆泵上的应用
渣浆泵在多个工业领域中广泛使用，其过流部件如蜗壳、叶轮、前护板和后护板等在工作中不仅要承受物料的冲刷磨损，还要承受浆料的腐蚀作用。高铬铸铁是渣浆泵过流件的理想材料，通过调整碳、铬含量或选择合适的工艺，可以获得适应不同工况的最优效果。研究表明，铸态和热处理态的Cr28高铬铸铁均显示出了优越的耐腐蚀磨损性能。西安交通大学的研究成果表明，Cr28%左右的高铬铸铁和经过稀土变质处理的高铬铸铁具有良好的耐冲刷腐蚀性能，有望成为渣浆泵过流件的新材料。
在水泥磨上的应用
锰铝复合高铬铸铁的水泥磨磨辊衬板适用于有效截面较小的铸件。对于厚大截面的磨辊衬板，需要具有一定抗冲击性的高铬铸铁品种。沈阳重型机械集团有限责任公司开发的高铬铸铁衬板已在多种系列立磨、中速磨上投入使用。
在破碎机颚板上的应用
随着破碎机规格的扩大和自动化程度的提升，颚板的耐磨性问题愈发凸显。北京冶金设备研究院为河南黄河金矿生产的高铬铸铁颚板，使用寿命远超高锰钢。江西科学研究所研制的高铬铸铁颚板在浒坑钨矿试用期间，其耐磨性较之高锰钢有了显著提升。
铸造工艺
锤头高铬铸铁铸造工艺
高铬铸铁的化学成分设计通常采用亚共晶高铬铸铁。在工艺上，可以通过调整碳含量来改变碳化物的数量。不含其他合金元素的高铬铸铁，空淬最大直径可达20mm，若要提高淬透性，则需加入合金元素。锰和铜都会降低Ms，可能导致残留奥氏体量过多，因此分别控制在1.0%和1.5%以下。钒的价格较高，通常仅适用于不易热处理的铸件。硅会提高Ms，减少残留奥氏体，但也降低淬透性，因此应加以控制。高铬铸铁感应炉熔炼温度为1480℃，足以满足需求。浇注温度不宜过高，以防收缩过大和粘砂。厚大件浇注温度为1350-1400℃，一般件为1380-1420℃。高浇注温度会导致冒口下方的缩孔增多，显微缩松密集，晶粒组织粗大。模型收缩率为2%。冒口尺寸按照碳钢设计，浇注系统参照灰铸铁设计。采用气割法切割浇冒口易产生热裂纹，宜采用易割冒口或侧冒口，采用敲击法去除。高铬铸铁寿命短的主要原因是铸件内部存在的缩孔、气孔、夹杂等铸造缺陷，因此必须高度重视铸造工艺。高铬铸铁易开裂，铸造工艺设计应注意避免收缩受阻。铸件应在铸型中充分冷却后再开箱，开箱过早或温度过高易导致开裂。金属型铸造时，浇注温度应保持在150℃以上，以防止铸件冷却过快开裂。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。热处理前的铸态基体组织取决于铸态冷却速度。冷却速度快时通常为奥氏体基体，随冷却速度降低，开始析出部分马氏体、珠光体和奥氏体的混合物。冷却速度继续降低，可能获得珠光体基体的组织。根据铬含量和零件壁厚选择最佳淬火温度。Cr15高铬铸铁的淬火温度为940-970℃，Cr20高铬铸铁的淬火温度为960-1010℃。保温时间根据壁厚选择，一般2-4h，壁厚零件4-6h。空淬后的高铬铸铁存在较大内应力，应及时进行回火热处理。形状复杂、壁厚悬殊的铸件应严格控制升温温度，以免开裂。有时采用阶梯式升温更为安全。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，以免因保温时间不足而导致淬不透。高铬铸铁出炉应进行脱氧处理。通常在炉中加0.5%锰铁进行预脱氧，在炉中加0.25%硅铁进行初脱氧，在包中加0.05%铝进行终脱氧。熔炼过程中的温度控制在1450℃，最后快速升温至1480℃脱氧出炉。
参考资料
改善高铬铸铁力学性能的研究方法.铸铁杂志社.2024-09-25