高铬铸铁高铬合金在渣浆泵中的应用进展

渣浆泵主要应用于抽送固体颗粒和液体混合物，广泛应用于冶金、矿山、电力、化工以及煤炭等行业，在使用中，渣浆泵是最重要的输送设备，在输送过程中，由于浆液中固体的磨损以及液体的冲刷共同作用，蜗壳、叶轮等过流部件的磨蚀非常明显，是这些行业生产中大量消耗的易损件，零件的拆检更换不仅需要消耗人力、物力，也影响了设备固有生产能力，直接制约了企业的总体效益。对此，行业也对于渣浆泵的使用寿命提出的更高的要求，而研发和开发过流部件耐磨材料是延长渣浆泵寿命的关键。

二、渣浆泵材料发展现状

在渣浆泵生产历史中，先后经历了普通白口铸铁、镍硬白口铸铁和高铬铸铁三个阶段。

1.普通白口铸铁

最初的渣浆泵材料使用普通白口铸铁，这类铸铁不添加合金元素，含碳量高，含硅量低，为的是增加渗碳体的数量从而提高耐磨性，其缺点非常明显，为了提高硬度从而提高含碳量，进而形成了大量的莱氏体，韧性急剧下降，导致泵在使用过程中极易受冲击开裂，由此导致事故，从而慢慢淡出了市场。

2.镍硬白口铸铁

镍硬白口铸铁是Climax国际镍公司在1928年研制成功的，它是在普通白口铸铁中加入质量分数为3.0%～5.0%的镍和1.5%～3.0%的铬，镍硬白口铸铁铸态组织为渗碳体＋马氏体＋奥氏体。

镍硬白口铸铁在强度、硬度和耐磨性方面都优于普通白口铸铁且生产工艺简单，较早得到广泛应用。这种铸铁多用于泥浆泵泵体、球磨机衬板、磨煤机磨辊和冶金轧辊等。但由于碳化物主要是连续片状的渗碳体，其脆性较大。近来，还研究通过热处理方法获得贝氏体＋回火马氏体，以得到较高综合力学性能和耐磨料磨损能力的良好配合。为节约镍，国外还进行以锰、铜代镍的研究工作，试验结果表明，要得到相同的性能，镍只能被部分代替。

作为第二代耐磨白口铸铁，镍硬白口铸铁经历了其辉煌的时代，在当今由于镍的价格持续走高，并且镍硬白口铸铁本身的脆性问题，也逐渐被市场淘汰。

3.高铬白口铸铁

高铬铸铁中一般含Cr大于12%，铬能够改善白口铸铁的铸态组织，形成碳化物，显著提高材料的耐磨性，并且，与其他元素相比，铬含量高，价格低廉，因此高铬白口铸铁的性价比显著，从而广泛应用于渣浆泵部件的制造。

高铬白口铸铁按照化学成分或者结晶过程可分为亚共晶高铬铸铁、共晶高铬铸铁和过共晶高铬铸铁。

亚共晶高铬铸铁一般含铬量在15%左右，比较有代表的是国标中的BTM-Cr15Mo3，共晶高铬铸铁Cr含量一般在26%～28%，含碳量一般在2%～3.5%，有代表的国标牌号为BTMCr26，高铬铸铁的碳化物的形态比较复杂，可能有M7C3、MC、M23C6和M3C，其中M7C3这种碳化物结构紧密，硬度为1 200～1 800HV，是铬碳化合物中硬度最高的。为了改善碳化物的形态，改善性能，部分高铬铸铁加入了提高淬透性的元素Mo，通过适当的热处理，可以得到大量断网存在的M7C3型共晶碳化物，具有高的耐磨性和较好的韧性，可应用于复杂形状的铸件，如球磨机衬板、磨球以及渣浆泵部件等，但由于Mo元素在我国属于储量较低的稀缺合金元素，价格一直比较高，考虑到成本问题亚共晶高铬铸铁在渣浆泵中应用相对较少。

亚共晶高铬铸铁和共晶高铬铸铁由于其优异的耐磨性被认为是目前最好的渣浆泵制造材料，但是用于恶劣磨损工况时，寿命却相当有限，如BTMCr26制作的300ZJ—90渣浆泵在安徽某矿业公司使用，用于输送铁矿石原料，不足500h便被磨损穿孔，平均寿命不足20天，再比如，BTMCr26制作的250ZJ—103渣浆泵在承德某矿业公司使用，寿命不足10天，这类情况在选矿行业还有许多，这种问题的发生，不仅影响了用户的正常生产周期，更增大了用户的维修费用。

过共晶高铬铸铁含碳量和含铬量均较高，在亚共晶和共晶高铬白口铸铁中碳化物数量一般在20%～40%，而过共晶高铬铸铁碳化物数量要高很多，同时材料的硬度也有很大的提高，这对材料的耐磨性具有重要意义。但是由于碳化物数量大，极易造成异常碳化物的成团、连网，对基体造成的割裂作用明显，韧性极差，在铸造过程中因为材料强度不足，收缩受阻导致的应力开裂现象十分常见，因此以前极少应用于渣浆泵部件的制造。

三、过共晶高铬铸铁的应用进展

过共晶高铬铸铁硬度高，韧性差，材料收缩率大，凝固过程中由于壁厚不均匀也容易造成开裂，铸造难度大；热处理过程中，由于渣浆泵部件复杂，冷却过程中热应力不可避免，也容易导致材料的开裂，从两方面出发来改善材料的性能，提高成品率。

1.铸造工艺性

过共晶高铬铸铁铸造性显然并不理想，并且由于材料硬度过高，钻孔加工不能实现，还需要对攻螺纹部位放置预埋件，由于预埋材料（45钢）和过共晶高铬铸铁收缩率不同，浇注时预埋件周围冷却速度不同，增大了局部应力，进一步增加了铸造难度。

一般提高材料韧性可以通过改善碳化物的形态分布和细化晶粒的措施来实现。

（1）控制浇注温度和浇注速度 过共晶高铬铸铁对温度比较敏感，浇注温度过高，铸件晶粒粗大，碳化物集聚形成团状，极大地降低了材料的韧性，渣浆泵结构较为复杂，还会导致热节的产生，导致铸件内应力增大进而出现裂纹。因此，过共晶高铬铸铁需要严格控制浇注温度和浇注速度，在可能低的温度下进行，从而获得细密组织。

（2）合理放置冷铁 为了加速局部热节的冷却速度，实现铸件均匀凝固，冷铁的使用必不可少，合理放置冷铁位置，可以消除铸件收缩产生的缺陷，提高过共晶高铬铸铁的质量和成品率。

（3）添加净化剂和变质剂 首先，过共晶高铬铸铁必须严格控制材料成分，降低铁液中的S、P含量，这要求严控原材料的品质，并且通过添加净化剂来对铁液进行处理，去除气体，降低有害元素及杂质的影响；另外，为了提高过共晶高铬铸铁的韧性，细化晶粒，对炉前铁液还要进行变质处理，加入变质剂，促进形核。

（4）冒口设置 过共晶高铬铸铁收缩率大，体收缩在2.5%左右，由于浇注温度较低，如何放置冒口也非常关键，为了补缩和减小铸件在冷却过程中于冒口直径的收缩应力，采用小口径发热冒口，这种工艺调整改善了过共晶高铬铸铁经常在冒口位置收缩不足以及应力集中的缺陷。

除了铸造方面的工艺问题外，热处理过程也比较重要，可以采取低温去应力处理，控制淬火冷却速度等过程进一步改善材料的性能。

2.目前工业化生产现状

通过合理并且细致的工艺过程，过共晶高铬铸铁可以应用于生产，目前一种过共晶高铬铸铁，成分（质量分数）为3.5%～5%C、25%～40%Cr、0.2%～1%Ni和2%～5%Mo的过共晶高铬铸铁已经成功制作250ZJ-103、300ZJ-90等泵型渣浆泵，其中300ZJ-90泵直径约1.5m，于2015年8月在安徽某矿业公司使用，使用寿命平均可达到1 000h以上，最高使用纪录为1 600h，而同泵位使用BTMCr26材质的渣浆泵寿命均不足500h，相差一倍以上。