譚湧 亓豐源 馬亮
（鹹陽非金屬礦研究設計院，鹹陽 712021）
摘要 分析了耐磨材料的磨損機理以及沖擊式粉磨機對耐磨件的使用要求，結合金屬材料的耐磨性和金屬工藝學的基本原理，試驗研究了高鉻鑄鐵在沖擊式粉磨機中的應用，確定Cr15Mo2Cu為適合制造沖擊式粉磨機耐磨件的材料。
關鍵詞 沖擊式粉磨機；耐磨材料；高鉻鑄鐵。
第壹作者簡介：譚湧，男，1976年生，工程師。電話：029-33343053；E-mail：yf ty@163.com。
近幾年來，隨著國內粉體技術的發展，各類超細粉碎設備的應用越來越廣泛，作為制造設備關鍵部件的各種耐磨材料的需求量大量增加，對耐磨材料的耐磨性能、壽命的要求越來越高。但是各類設備對耐磨材料的具體性能要求又不盡相同，對於沖擊式超細粉磨設備來說，不但要求耐磨材料的耐磨性能要好，而且要有好的抗沖擊能力。這就要通過分析材料的磨損機理來幫助我們選擇合適的耐磨材料。
壹、耐磨件的磨損機理情況的分析
在沖擊式粉磨機中，物料磨損設備零件的過程壹般分為兩種情況，在破碎大塊物料時，在物料被破碎的同時，零件受到鑿削性磨損；在把中粗物料粉磨成細粉時，零件的表面受到切削磨損。這兩種磨損同時存在並交織在壹起，物料與被磨損零件經過反復多次的接觸和撞擊造成被磨損零件表面疲勞磨損，產生金屬磨屑，直至失去工作能力。
耐磨性並不是金屬材料固有的機械性能，它隨著破碎物料的類型、工作狀態等條件的變化而變化，所以只能說某種金屬材料在某種工作條件下的耐磨性。同壹種金屬在壹種工作條件下的耐磨性很好，但在另壹種工作條件下的耐磨性也許很差。正如我們曾在CM51型沖擊式超細粉磨機中采用的高錳鋼錘頭壹樣，其結果耐磨性很差。分析其原因主要是由於：高錳鋼在受到沖擊的工作狀況下，的確能發生加工硬化，使得它表現出良好的耐磨性（如鐵路道岔滑塊、墊板）；但如果在工作過程中不能很快得到加工硬化或者在還來不及硬化時表層已經被磨損掉，高錳鋼就非常不耐磨，所以對沖擊式粉磨機中耐磨件的材料選擇要根據工作狀況的不同來選擇。
二、沖擊式粉磨機對耐磨件的要求
作為沖擊式粉磨機的耐磨件，首先要具備兩個條件：
1）耐磨性好。由於在沖擊式粉磨機中，錘頭等耐磨件屬於易損件，為了減少易損件更換次數，節約成本，耐磨件應為深度磨損件，要求其內部組織結構與表面相同，而不是表面耐磨而內部不耐磨。
2）抗沖擊性能好。由於在沖擊式粉磨機中，耐磨件受到的沖擊力很大，如果只是硬度大，耐磨性好，脆性很大，那麽使用時受到沖擊後就容易產生裂紋或斷裂，損壞粉磨機。所以沖擊式粉磨機的耐磨件不但要耐磨，而且要耐沖擊。只有當兩者達到最佳配合時，耐磨件才能發揮它最大的功效。我們通過多次的試驗找到了壹種非常合適的高鉻鑄鐵——Cr15 Mo2 Cu。
三、試驗條件及方法
1）試驗采用Cr15 Mo2 Cu鑄鐵，中頻感應爐熔煉，實型鑄造。
2）進行了鑄件化學分析、熱處理、金相組織、硬度試驗。
3）進行了應用對比試驗：在CM51 型沖擊式超細粉磨機上粉磨方解石（原料顆粒≤8mm，產品1250目），以生產應用與T10、CrWMn作對比試驗，考察實際使用效果。
四、試驗結果
（壹）熱處理規範（淬火＋回火）
淬火過程分為幾個階段，首先以50℃/h的速度使零件升溫至650℃，並在這壹溫度下保溫1 h，然後再以100℃/h的速度快速升溫至接近熔點的960℃並保溫2 h，使得零件內外部組織的溫度趨於壹致，然後將零件從熱處理爐中取出在空氣中自然冷卻至室溫，得到細晶粒的合金化馬氏體組織。
經過淬火的零件已經具有很強的耐磨性，但合金碳化物析出率不高，所以還需要進行回火處理。采取緩慢升溫至400℃並保溫2 h然後在空氣中自然冷卻至室溫，進壹步提高合金碳化物析出率，增強耐磨性。
（二）金相組織（圖1）
觀察經過熱處理的零件的金相組織，發現圖中黑色為粒狀碳化物＋馬氏體，白色為滲碳體＋萊氏體，這樣不僅保證了碳化物的含量，而且提高的碳化物與基體之間的結合力，保證了零件有良好的耐磨性和抗沖擊性。
圖1 金相組織圖
（三）化學成分（表1）
表1 零件的化學成分
（四）熱處理後的硬度測試（表2）
表2 零件熱處理後的硬度
（五）斷口外觀
斷口為致密白口鑄鐵。
五、試驗結果分析
（壹）化學成分、金相組織與耐磨性的關系
高鉻鑄鐵的化學成分應確保絕大部分的碳化物為M7 C3型（如Fe7 C3）。碳化物的數量適合，可以使材料的耐磨性在沖擊式粉磨機內的這種工作條件下與所要求的韌性達到最佳配合，並有足夠的淬透性，使得零件在空淬時不出現珠光體或索氏體。若基體為馬氏體，可以牢固地支撐碳化物，在磨損過程中，碳化物突出於磨損面，保護了基體，使其不直接受到磨損的作用。由於基體與碳化物互相保護，使合金的耐磨性得到了很大提高，且隨著碳化物含量的增加而增高。鉻是強烈的碳化物形成元素，在熔煉與熱處理過程中與碳形成了高硬度的碳化物，從而提高了耐磨性。采用接近熔點的淬火溫度，得到細晶粒的合金化馬氏體組織，在低溫回火時又使合金碳化物析出，從而進壹步提高了硬度和耐磨性。但如果單純增加碳和鉻的含量，雖能增加耐磨性，但硬度大、韌性降低。為此要加入壹定量的鉬元素，鉬能減少鋼中碳化物的不均勻性，細化碳化物晶粒，提高韌性、淬透性，而且可以使更多的碳化物進入基體。加入壹定量的銅後進壹步增強了基體與碳化物的結合力，提高了高鉻鑄鐵的抗沖擊性能。
高鉻鑄鐵經過熱處理後雖然耐磨性和抗沖擊性能得到了提高，但零件的內應力較大，需要進行時效處理以消除內應力，否則使用過程中容易損壞。自然時效的效果較好，但時間較長，壹般需要1～2年的時間；也可采用人工時效，采取低溫時效反復進行2～3次，加工周期相對較短，性能也比較穩定。
圖2為空淬能淬透的最大直徑與Cr、C比以及Mo含量之間的關系，本文中Cr∶C為6.23，Mo為2.12%，試樣最大厚度為30mm。
圖2 空淬能淬透的最大直徑與Cr、C比以及Mo含量之間的關系圖
（二）硬度
僅僅有了以上這些性能還不能滿足沖擊式粉磨機的使用要求，高鉻鑄鐵的韌性或斷裂抗力是最重要的，因為它可能導致零件較早破碎，所以經常成為使用的限制因素。馬氏體的硬度越高，變形能力越差；同時由於磨料磨損的形式不同，其硬度與耐磨性的關系也不同，並不壹定存在硬度與耐磨性的線性關系，所以不能僅從金屬材料的宏觀硬度來判斷其耐磨性。熱處理硬度過高，錘頭在運行過程中容易崩裂，嚴重時會導致粉磨機損壞。通過大量的工藝試驗發現，將高鉻鑄鐵的硬度控制在HRC58～63最為合適。
六、應用對比試驗
以下是壹些材料在CM51型沖擊式粉磨機中應用的試驗數據（表3，表4）。
表3 不同種金屬材料耐磨性比較
表4 Cr15Mo2Cu 在不同熱處理硬度下的耐磨性比較
註：1.零件的磨損量是安裝在壹排的錘頭的試驗數據。
2.零件磨損產生的磨削鐵絕大部分可以通過CM51型沖擊式超細粉磨機特有的排渣裝置隨同其他難磨粒子排出機外，從而使產品的含鐵量（遊離鐵）低於萬分之壹。
七、技術經濟分析
通過對比試驗發現Cr15 Mo2 Cu在沖擊式粉磨機中的耐磨性確實比T10、CrWMn要好。
1）由於材料的成分復雜，熱處理工藝難度比較大，造成零件的生產成本有所增加，使用Cr15 Mo2 Cu比使用CrWMn生產成本要高出30%左右。
2）由於Cr15Mo2Cu的耐磨性比CrWMn好，所以耐磨零件的單位磨耗降低，使得零件在同等時效條件下的使用壽命增加了6～7倍，同時還降低了產品中磨削鐵的含量，提高了產品品質。
綜合分析Cr15 Mo2 Cu的技術經濟性能，用其制造沖擊式粉磨機中的耐磨零件是非常適合於工業生產應用的。
八、結論
1）中頻感應爐熔煉Cr15 Mo2 Cu鑄鐵，化學成分穩定，S、P雜質少，可以達到優質鋼水平。
2）高鉻鑄鐵抗磨損能力強，而且鑄造性能好。
3）在CM51型沖擊式超細粉磨機中使用，與CrWMn等合金工具鋼比較，相對耐磨性提高7倍左右。
4）通過以上的分析和試驗研究的結果發現，Cr15Mo2Cu是壹種很好的耐磨材料，非常適合於制造沖擊式粉磨機的耐磨件。
Selection of Wear-resistant Material for Impact Ultrafine Grinding Mill
Tan Yong，Qi Fengyuan，Ma Liang
（Xiangyang Research ＆ Design Institute of Non-metallic Minerals，Xiangyang 712021，China）
Abstract：This paper analyzes the wearing mechanism of wear-resistant materials and requirements of impact superfine mill on wear-resistant parts.According to the wearability of metal materials and the basic fundamental of metal technology，the application of high chromium cast iron in impact superfine mill was studied through experiments.The experimental results indicate that Cr15 Mo2 Cu is an appropriate material which can be made into wear-resistant parts in impact superfine mill.
Key words：high chromium cast iron，wear-resistant materials，impact superfine mill.