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摘要：本文设计出耐磨合金铸钢衬板化学成分和制造工艺，并与高铬铸铁衬板试样进行硬度、耐磨性、韧性、金相对比试验，结果表明，该耐磨合金铸钢综合性能达到设计指标，具有应用价值。
关键词：混凝土湿喷机 衬板 合金铸钢 耐磨性 韧性
引言
混凝土湿喷机衬板是用于工作机构转子与结合板之间的一种耐磨板，在工作中主要受系统的振动、冲击及与工作介质相对运动的摩擦剪切力，其失效形式有裂纹、断裂和快速磨损。目前湿喷机衬板的材料主要是高铬铸铁，其组织中含有超过20 %的高硬度共晶碳化物，基体为高碳马氏体[1]，该材料具有优异的耐磨性，但是其合金元素含量高、生产成本高及高温热处理易变形和断裂。据某企业统计数据，高铬合金衬板在生产制造过程的合格品率不到70%。[2-4]
为解决这个问题，设计出一种生产工艺简单、成本低、韧性高、淬透性与淬硬性好耐磨合金铸钢材料，代替目前广泛使用的普通高铬铸铁材料，是一个研究方向。耐磨合金铸钢是一种新型耐磨材料，以铬、钼为主要合金元素，其组织特点是在贝氏体基体上镶嵌有硬度高、热稳定性好的碳化物[1]，确保耐磨合金铸钢在具有优异强韧性的前提下，还具有高的硬度和优良的耐磨性。基于此，笔者设计一种多元合金铸钢制造成衬板，对其各项性能进行了试验研究。
1试件制备与试验方法
1.1衬板的制造
1.1.1.衬板结构说明
混凝土湿喷机衬板是一种圆形板状件，其结构见图1，外圆直径为Ф510mm，厚度为20mm，在Ф350的分度上均匀分布有9个Ф102孔。按照设计要求，衬板上下两个平面粗糙度小于Ra1.6，需要磨削加工。
1.1.2.化学成分设计
高铬铸铁衬板化学成分按照标准GB/T8263-1999抗磨白口铸铁件要求，分别选取KmTBCr8、KmTBCr12、KmTBCr26作为该试样材料的设计牌号。
1.1.3.铸造工艺
（1）高铬铸铁
在1t 酸性中频无芯感应电炉中冶炼。按照下紧上松的原则装入少量锰铁、硅铁和大部分钼铁、生铁、废钢及大部分铬铁。炉前调整成分，合格后将温度升至1480～1560℃，加入锰铁、硅铁及铝进行脱氧。铁液在浇包内镇静后浇注，浇注温度在1380～1450℃之间；采用15～25°倾斜浇铸工艺；浇注后8 h，当铸件表面温度不超过400 ℃同时不低于200℃时，开箱脱模，清理浇冒口。铸件进行高温软化退火处理。
（2）耐磨合金铸钢
在1t 酸性中频无芯感应电炉中冶炼。热炉装料，少量硅铁、锰铁以及大部分钼铁和铬铁随料装入。炉前调整成分，合格后将温度升至1600～1640℃，钢水经铝脱氧后出炉，在浇包内预先放置含稀土、钒、硼、钛等的复合变质剂，用冲入法对钢水进行微合金化和变质处理；浇注温度1520～1580℃，采用平作立浇工艺；浇注后8 h，当铸件表面温度不超过400 ℃同时不低于200℃时，开箱脱模，清理浇冒口。铸件进行高温软化退火处理。
1.1.4.机械加工工艺
衬板的机加工工艺为：车外圆、平面、钻镗中心孔→镗9个Ф102孔→钻定位销孔→淬火、回火→磨平面。
1.1.5.热处理工艺
衬板的热处理工艺见图2，分淬火和回火两道工序。
如图所示，高铬铸铁用盐浴炉加热保温，需要控制其升温速度不高于80℃/h，衬板在油中淬火时间不少于30分钟；合金铸钢升温至880～920℃，保温2h后进行等温盐浴淬火，淬火温度为180～220℃，盐浴保温1h后空冷，选择此淬火工艺是为了减少淬火变形，同时获得马氏体和下贝氏体的复合组织；另外，为尽量消除淬火应力，还增加回火工序，回火温度控制在220～270℃。
1.2.试验方法
高铬铸铁衬板按照牌号KmTBCr9、KmTBCr12、KmTBCr26分别制造出3种衬板。
按照设计的耐磨合金铸钢化学成分，在其范围内调整各元素的比例，制造出3种衬板。
采用电火花线切割机在材料分别为高铬铸铁、耐磨合金铸钢的衬板本体上9个孔部边缘切取试样，将其制作成蝶形试样和边长15mm的立方体试样。
采用光电发射光谱分析方法分析试样的化学成分；采用洛氏硬度仪测试其硬度；按GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行试样冲击韧性试验；按国家标准《GB/T12444.1-1990金属磨损试验方法MM型磨损试验》的规定，在M-2000型磨损试验机上对蝶形试样进行滑动摩擦纯磨损试验，条件：磨擦副材料为硬质合金（Ф外=40mm，HV0.1=1380），轴转速200rpm，载荷为40N，采用失重法测定磨损量，称量天平的精度为0.0001g；在金相试验仪上对立方体试件进行金相分析。
1.3.试验结果与讨论
2.1.化学成分分析
将高铬铸铁和耐磨合金铸钢两种材料分别取3组试样的分析其化学成分，结果见表2。
由表2可见，高铬铸铁试样的成分特点为高碳高铬，其中试样3的铬含量较试样1高；耐磨合金铸钢试样的成分特点是中碳低铬，其中试样3的碳、锰、铬、钼含量均较1试样高。
2.2.硬度、耐磨性和冲击韧性
试样洛氏硬度值和冲击韧性结果见表3。
金属材料表面宏观硬度与其耐磨性的一般规律是，表面硬度越高，相对耐磨性越好。从表3可以看出，高铬铸铁的硬度明显高于耐磨合金铸钢，理论上的耐磨性会强于耐磨合金铸钢；从图1和表3的试验数据验证了高铬铸铁的实验室耐磨性略高于耐磨合金铸钢。
另一方面，高铬铸铁的冲击韧性基本为0，接近于脆性材料，因此在生产制造和使用过程中出现裂纹，是一种普遍现象。
2.3.金相组织 由图4可见，高铬铸铁试样的组织为珠光体+莱氏体，为亚共晶白口铸铁；由图5可见，耐磨合金铸钢试样为马氏体和贝氏体组织。
由图6可见，耐磨合金铸钢试样中均匀分布细小白色的碳化物颗粒，由图7试样1和3的同倍数电镜照片对比可以看出，试样3中细小白色的碳化物颗粒多于试样1，其洛氏硬度检测相同，但其耐磨性实验数据好于试样1，说明组织中的白色的碳化物是耐磨合金铸钢耐磨性的重要表征，在下文中的工程应用中也得到了验证。
3.工程应用
为进一步验证耐磨合金铸钢材料的工艺性能，将耐磨合金铸钢进行喷射混凝土应用试验。其具体应用数据和失效状态见表5和图8～9。
由表5可看出，高铬铸铁衬板平均寿命450 m3/件，而耐磨合金铸钢衬板的平均寿命为766m3/件，虽然高铬铸铁磨损失效的使用寿命高于合金铸钢，但是其大部分失效为断裂，直接影响设备正常使用，而耐磨合金铸钢失效形式均为磨损。
4.结论
4.1.用于制造衬板类特殊零件，耐磨合金铸钢的耐磨性略低于高铬铸铁，但其综合使用寿命远高于高铬铸铁，可以代替高铬铸铁应用于有高耐磨性要求的工况下，具有应用价值。
4.2.从耐磨合金铸钢与高铬铸铁的化学成分可以看出，在耐磨合金铸钢的铬含量远低于高铬铸铁，其机械加工性能和合格品率优于高铬铸铁，生产成本具有较大优势。
4.3.耐磨合金铸钢抗冲击性能优于高铬铸铁，满足湿喷机衬板的应用要求。
4.4.以上化学成分微调试件的金相组织、耐磨性对比试验表明，耐磨合金铸钢因其合金元素含量上的差异，其金相组织和耐磨性显著不同。
参考文献：
[1]张伯明，陆文华.铸造手册[M] .北京：机械工业出版社，2002.
[2]郑朝保.混凝土喷射机振动喂料系统的研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2005：2.
[3]秦雪花，张海涛.混凝土喷射机橡胶密封板和旋转衬板的维护与修复[J].矿山机械，2009，16.
[4]陈恢翰.提高转子式混凝土喷射机结合板和衬板使用寿命技术途径[J].建井技术，1998，19（2）：36-38.
[5]侯增寿，樊东黎.热处理手册[M] .北京：机械工业出版社，2006.
关键词：混凝土湿喷机 衬板 合金铸钢 耐磨性 韧性
引言
混凝土湿喷机衬板是用于工作机构转子与结合板之间的一种耐磨板，在工作中主要受系统的振动、冲击及与工作介质相对运动的摩擦剪切力，其失效形式有裂纹、断裂和快速磨损。目前湿喷机衬板的材料主要是高铬铸铁，其组织中含有超过20 %的高硬度共晶碳化物，基体为高碳马氏体[1]，该材料具有优异的耐磨性，但是其合金元素含量高、生产成本高及高温热处理易变形和断裂。据某企业统计数据，高铬合金衬板在生产制造过程的合格品率不到70%。[2-4]
为解决这个问题，设计出一种生产工艺简单、成本低、韧性高、淬透性与淬硬性好耐磨合金铸钢材料，代替目前广泛使用的普通高铬铸铁材料，是一个研究方向。耐磨合金铸钢是一种新型耐磨材料，以铬、钼为主要合金元素，其组织特点是在贝氏体基体上镶嵌有硬度高、热稳定性好的碳化物[1]，确保耐磨合金铸钢在具有优异强韧性的前提下，还具有高的硬度和优良的耐磨性。基于此，笔者设计一种多元合金铸钢制造成衬板，对其各项性能进行了试验研究。
1试件制备与试验方法
1.1衬板的制造
1.1.1.衬板结构说明
混凝土湿喷机衬板是一种圆形板状件，其结构见图1，外圆直径为Ф510mm，厚度为20mm，在Ф350的分度上均匀分布有9个Ф102孔。按照设计要求，衬板上下两个平面粗糙度小于Ra1.6，需要磨削加工。
1.1.2.化学成分设计
高铬铸铁衬板化学成分按照标准GB/T8263-1999抗磨白口铸铁件要求，分别选取KmTBCr8、KmTBCr12、KmTBCr26作为该试样材料的设计牌号。
1.1.3.铸造工艺
（1）高铬铸铁
在1t 酸性中频无芯感应电炉中冶炼。按照下紧上松的原则装入少量锰铁、硅铁和大部分钼铁、生铁、废钢及大部分铬铁。炉前调整成分，合格后将温度升至1480～1560℃，加入锰铁、硅铁及铝进行脱氧。铁液在浇包内镇静后浇注，浇注温度在1380～1450℃之间；采用15～25°倾斜浇铸工艺；浇注后8 h，当铸件表面温度不超过400 ℃同时不低于200℃时，开箱脱模，清理浇冒口。铸件进行高温软化退火处理。
（2）耐磨合金铸钢
在1t 酸性中频无芯感应电炉中冶炼。热炉装料，少量硅铁、锰铁以及大部分钼铁和铬铁随料装入。炉前调整成分，合格后将温度升至1600～1640℃，钢水经铝脱氧后出炉，在浇包内预先放置含稀土、钒、硼、钛等的复合变质剂，用冲入法对钢水进行微合金化和变质处理；浇注温度1520～1580℃，采用平作立浇工艺；浇注后8 h，当铸件表面温度不超过400 ℃同时不低于200℃时，开箱脱模，清理浇冒口。铸件进行高温软化退火处理。
1.1.4.机械加工工艺
衬板的机加工工艺为：车外圆、平面、钻镗中心孔→镗9个Ф102孔→钻定位销孔→淬火、回火→磨平面。
1.1.5.热处理工艺
衬板的热处理工艺见图2，分淬火和回火两道工序。
如图所示，高铬铸铁用盐浴炉加热保温，需要控制其升温速度不高于80℃/h，衬板在油中淬火时间不少于30分钟；合金铸钢升温至880～920℃，保温2h后进行等温盐浴淬火，淬火温度为180～220℃，盐浴保温1h后空冷，选择此淬火工艺是为了减少淬火变形，同时获得马氏体和下贝氏体的复合组织；另外，为尽量消除淬火应力，还增加回火工序，回火温度控制在220～270℃。
1.2.试验方法
高铬铸铁衬板按照牌号KmTBCr9、KmTBCr12、KmTBCr26分别制造出3种衬板。
按照设计的耐磨合金铸钢化学成分，在其范围内调整各元素的比例，制造出3种衬板。
采用电火花线切割机在材料分别为高铬铸铁、耐磨合金铸钢的衬板本体上9个孔部边缘切取试样，将其制作成蝶形试样和边长15mm的立方体试样。
采用光电发射光谱分析方法分析试样的化学成分；采用洛氏硬度仪测试其硬度；按GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行试样冲击韧性试验；按国家标准《GB/T12444.1-1990金属磨损试验方法MM型磨损试验》的规定，在M-2000型磨损试验机上对蝶形试样进行滑动摩擦纯磨损试验，条件：磨擦副材料为硬质合金（Ф外=40mm，HV0.1=1380），轴转速200rpm，载荷为40N，采用失重法测定磨损量，称量天平的精度为0.0001g；在金相试验仪上对立方体试件进行金相分析。
1.3.试验结果与讨论
2.1.化学成分分析
将高铬铸铁和耐磨合金铸钢两种材料分别取3组试样的分析其化学成分，结果见表2。
由表2可见，高铬铸铁试样的成分特点为高碳高铬，其中试样3的铬含量较试样1高；耐磨合金铸钢试样的成分特点是中碳低铬，其中试样3的碳、锰、铬、钼含量均较1试样高。
2.2.硬度、耐磨性和冲击韧性
试样洛氏硬度值和冲击韧性结果见表3。
金属材料表面宏观硬度与其耐磨性的一般规律是，表面硬度越高，相对耐磨性越好。从表3可以看出，高铬铸铁的硬度明显高于耐磨合金铸钢，理论上的耐磨性会强于耐磨合金铸钢；从图1和表3的试验数据验证了高铬铸铁的实验室耐磨性略高于耐磨合金铸钢。
另一方面，高铬铸铁的冲击韧性基本为0，接近于脆性材料，因此在生产制造和使用过程中出现裂纹，是一种普遍现象。
2.3.金相组织 由图4可见，高铬铸铁试样的组织为珠光体+莱氏体，为亚共晶白口铸铁；由图5可见，耐磨合金铸钢试样为马氏体和贝氏体组织。
由图6可见，耐磨合金铸钢试样中均匀分布细小白色的碳化物颗粒，由图7试样1和3的同倍数电镜照片对比可以看出，试样3中细小白色的碳化物颗粒多于试样1，其洛氏硬度检测相同，但其耐磨性实验数据好于试样1，说明组织中的白色的碳化物是耐磨合金铸钢耐磨性的重要表征，在下文中的工程应用中也得到了验证。
3.工程应用
为进一步验证耐磨合金铸钢材料的工艺性能，将耐磨合金铸钢进行喷射混凝土应用试验。其具体应用数据和失效状态见表5和图8～9。
由表5可看出，高铬铸铁衬板平均寿命450 m3/件，而耐磨合金铸钢衬板的平均寿命为766m3/件，虽然高铬铸铁磨损失效的使用寿命高于合金铸钢，但是其大部分失效为断裂，直接影响设备正常使用，而耐磨合金铸钢失效形式均为磨损。
4.结论
4.1.用于制造衬板类特殊零件，耐磨合金铸钢的耐磨性略低于高铬铸铁，但其综合使用寿命远高于高铬铸铁，可以代替高铬铸铁应用于有高耐磨性要求的工况下，具有应用价值。
4.2.从耐磨合金铸钢与高铬铸铁的化学成分可以看出，在耐磨合金铸钢的铬含量远低于高铬铸铁，其机械加工性能和合格品率优于高铬铸铁，生产成本具有较大优势。
4.3.耐磨合金铸钢抗冲击性能优于高铬铸铁，满足湿喷机衬板的应用要求。
4.4.以上化学成分微调试件的金相组织、耐磨性对比试验表明，耐磨合金铸钢因其合金元素含量上的差异，其金相组织和耐磨性显著不同。
参考文献：
[1]张伯明，陆文华.铸造手册[M] .北京：机械工业出版社，2002.
[2]郑朝保.混凝土喷射机振动喂料系统的研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2005：2.
[3]秦雪花，张海涛.混凝土喷射机橡胶密封板和旋转衬板的维护与修复[J].矿山机械，2009，16.
[4]陈恢翰.提高转子式混凝土喷射机结合板和衬板使用寿命技术途径[J].建井技术，1998，19（2）：36-38.
[5]侯增寿，樊东黎.热处理手册[M] .北京：机械工业出版社，2006.