各種礦山在生產(chǎn)過程中要產(chǎn)生許多渣漿,渣漿必須抽排。渣漿中含有很多硬質(zhì)礦粒,對渣漿泵過流部件護套、葉輪、前護板、后護板產(chǎn)生高速沖刷,切削摩擦和腐蝕磨損作用,使其很快穿透而失效。若材質(zhì)和生產(chǎn)工藝選擇不當(dāng),護套使用十天左右就報廢。渣漿泵過流部件護套、葉輪等是易損件,各種礦山的消耗量是很大的。
1 材質(zhì)的選擇
渣漿泵易損過流件有:護套、葉輪、前護板、后護板,其中以護套磨損最嚴(yán)重。以護套為例進行說明,其它鑄件材質(zhì)選擇和護套相同。護套選擇幾種材質(zhì)時的使用壽命比較如表1。
表1 幾種材料護套的使用壽命 材質(zhì) 鎳硬鑄鐵 奧貝球鐵 高鉻鑄鐵
Ｃｒ15Ｍｏ1Ｃｕ1 改型高鉻鑄鐵 使用壽命/ｄ 37 30 43 62 價格/元 8000 5500 6500 7000
表1中數(shù)據(jù)是從六個礦山企業(yè)用戶統(tǒng)計的平均值。從比較結(jié)果看出,改型高鉻鑄鐵護套使用壽命最長,壽命價格比最優(yōu)。鎳硬鑄鐵價格較高,尤其是要消耗大量的貴重合金元素鎳,我國鎳礦資源又貧乏,所以選鎳硬鑄鐵不合適。奧貝球鐵是一種新型耐磨材料,國內(nèi)也有人用它生產(chǎn)渣漿過流部件,資料[1]曾有報道,經(jīng)我們試驗比較,奧貝球鐵用于生產(chǎn)礦漿高速沖刷磨損的渣漿部件時耐磨性不如高鉻鑄鐵。且奧貝球鐵生產(chǎn)工藝比高鉻鑄鐵復(fù)雜,生產(chǎn)工藝過程不易控制。普通高鉻鑄鐵雖然硬度較高,使用壽命比其它幾種材料都長,但它太脆,在礦粒高速沖刷時金屬材料脫落磨,磨面上腐蝕凹坑較嚴(yán)重。不能使高鉻鑄鐵的耐腐蝕性能和強韌性更高一些,組織更細密一些,在礦粒高速沖刷時金屬材料就不易從本體脫落,耐磨性就會大大提高。資料[2]介紹:以腐蝕角度來看,Ｃｒ15Ｍｏ1Ｃｕ1高鉻鑄鐵作為護套的材質(zhì)并不理想!應(yīng)選擇含鉻的Ｃｒ28高鉻鑄鐵。
但Ｃｒ28含鉻太高,鑄件成本太高,所以從經(jīng)濟角度考慮不太適宜,因此我們試制改型高鉻鑄鐵渣漿過流部件。高鉻鑄鐵的金相組織是馬氏體+碳化物+殘余奧氏體,奧氏體比馬氏體韌性高,減少馬氏體含量,增加奧氏體含量,有利于改善高鉻鑄鐵的韌性。并且這種奧氏體是碳過飽和的,富含鉻的固溶體,所以強度也高。這種奧氏體和高錳鋼金相組織的奧氏是不相同的。我們選兩種金相組織高鉻鑄鐵生產(chǎn)護套,第一種是馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體;第二種是奧氏體+碳化物+部分馬氏體,經(jīng)實際使用,前者的壽命不如后者長。這種現(xiàn)象說明,護套在服役中除過磨損以外,還與腐蝕有關(guān)。因為礦漿對金屬材料具有腐蝕作用,而奧氏體比馬氏體抗腐蝕性強。要想使高鉻鑄鐵的金相組織得到一定的奧氏體,有以下幾個途徑:第一,增加鉻含量。鉻元素擴大奧氏體相區(qū),降低相變溫度,奧氏體含量隨著鉻含量的增加而增加。第二,添加鎳和錳元素。鎳元素強烈擴大奧氏體相區(qū),降低相變溫度,當(dāng)鎳元素增加到一定量時,奧氏體相區(qū)甚至擴大到室溫狀態(tài)。錳能部分代替鎳,具有和鎳相似的性能,但作用比鎳弱。但鎳的加入量不宜太多,鎳過量后護套反而不耐磨。第三,添加提高淬透性的元素,如銅、鉬、鎢等。護套壁厚不大,所以這些元素加入微量即可。奧氏體并非越多越好,而是有一定最佳含量,超過最佳含量后護套耐磨性就下降。碳化物的性能和形狀對護套的耐磨性影響很大。
眾所周知,Ｍ7Ｃ3和Ｍ23Ｃ6型碳化物比Ｍ3Ｃ型碳化物耐磨,資料[3]介紹,Ｃｒ/Ｃ比超過3 5倍后,才能得到Ｍ7Ｃ3型碳化物。隨著鉻含量的增加,不僅碳化物的分子結(jié)構(gòu)由Ｍ3Ｃ→Ｍ7Ｃ3→Ｍ23Ｃ6發(fā)生變化,而且其組織形狀也發(fā)生變化,由網(wǎng)狀→板條狀→塊狀變化,顯然,后者比前者對基體的割裂作用小,不易從基體上脫落。后者比前者顯微硬度高。由資料[2]得,三種結(jié)構(gòu)的碳化物顯微硬度分別是:Ｍ3Ｃ型ＨＶ=840～1100,Ｍ7Ｃ3型ＨＶ=1200～1800,Ｍ23Ｃ6型ＨＶ=1000～1100,所以,后者組織的護套比前者耐磨性好。除過含鉻量影響碳化物的結(jié)構(gòu)和形狀外,變換處理能顯著改善碳化物的形狀。我們用含稀土的復(fù)合變質(zhì)劑處理高鉻鑄鐵,不僅使碳化物的形狀塊狀化,而且使其組織細密,宏觀斷口的冰渣現(xiàn)象明顯減少,各項機械性能指標(biāo)得以提高。復(fù)合型碳化物比簡單形碳化物耐磨,所以,Ｍ7Ｃ3中的Ｍ不應(yīng)該僅是Ｆｅ和Ｃｒ,而應(yīng)該是幾種或多種元素,如Ｎｂ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等,(Ｎｉ和Ｃｕ不進入碳化物,但具有其它有益作用),多種合金元素有機配合,能顯著提高高鉻鑄鐵的淬透性,避免組織發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,得到細密的馬氏體,從而使高鉻鑄鐵的耐磨性大大提高,變質(zhì)處理和加入Ｖ、Ｔｉ等合金元素細化高鉻鑄鐵的組織,是生產(chǎn)高鉻鑄鐵的關(guān)鍵工序,組織越細密,其耐磨性越好,壽命越長。但合金元素的種類和加入量并非越多越好,過量用合金,高鉻鑄鐵脆性增加,磨損中出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,從而加劇材料的磨損,符合資料[5]的理論觀點。我廠經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐,選定改型高鉻鑄鐵渣漿過流部件的化學(xué)成分是ｗ(Ｃ)=2.1%～3.6%,ｗ(Ｓｉ)=0.6%～1.8%,ｗ(Ｍｎ)=1.0%～2.5%,ｗ(Ｓ)≤0.07%,ｗ(Ｐ)≤0.05%,ｗ(Ｃｒ)=15%～26%,其它合金≥3 5%,用中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵水,1480℃～1500℃出爐,1420℃～1360℃澆注。
2 造型工藝
我們開始生產(chǎn)時,護套脖頸處不放外冷鐵,該處縮裂,縮孔嚴(yán)重,使用中該處提前磨穿。而后我們在造型時給該處放成型外冷鐵,并把過渡園孤半徑由Ｒ20ｍｍ增大到Ｒ50ｍｍ,既增加了壁厚,又解決了縮裂,縮松問題,避免了該處提高磨穿的現(xiàn)象。護套的三種澆冒口系統(tǒng)方案如圖1～圖3所示。三種澆冒口系統(tǒng)方案我們都用過。第一種方案冒口對鑄件的補縮效果不明顯。冒口的補縮效果η=(冒口的理論重量-澆注后冒口的實際重量)÷冒口理論重量,九八年按此工藝生產(chǎn)時經(jīng)統(tǒng)計計算,η=7%～8%,此值和資料[6]提供的高鉻鑄鐵液態(tài)收縮率7 5%相近,所以冒口基本上是自身補縮,而沒有補縮鑄件。第二種方案利用護套壁厚均勻一致的特點,分散澆口,使型腔溫度趨于一致,實現(xiàn)同時凝固,工藝出品率較高,但橫澆口截面積必須略大一些,使橫澆口對與內(nèi)澆口相連的鑄件局部進行補縮,否則,與內(nèi)澆口相連處鑄件局部會產(chǎn)生小縮孔和縮松。第三種方案是澆注時鐵水從下向上充型,從而形成從下向上由低到高的順向溫度梯變,便于頂部冒口補縮,再加出氣冒口(冷筋冒口)配合,橫澆口中安放過濾片,使鑄件組織致密,無縮孔縮松缺陷。前后護板澆冒口系統(tǒng)和圖1相似,用兩只熱冒口補縮,下部放冷鐵,如圖4所示。葉輪由于有多個分散的熱節(jié),壁厚相差較大,難以用一兩個冒口集中補縮。側(cè)冒口偏離熱節(jié)太遠,補縮不進去,若不設(shè)冒口,澆道腔隔墻內(nèi)會產(chǎn)生縮孔縮松,影響葉輪壽命,所以必須水平造型,水平澆注,每個熱節(jié)頂部安放一只小冒口,共五只冒口,如圖5所示。
型砂的選擇影響到鑄件的尺寸精度和表面粗糙度,我們先各使用粘土干砂型,水玻璃砂型、樹脂砂型工藝都生產(chǎn)過,后者比前者鑄件尺寸精度高。故為渣漿泵過流件,這三種型砂工藝都能滿足設(shè)計和使用要求,但生產(chǎn)成本不同,應(yīng)根據(jù)具體條件確定。
3 熱處理工藝
高鉻鑄鐵鑄態(tài)成分不均勻,存在組織偏析,晶粒粗大,含有部分珠光體和菜氏體,并存在較大的鑄造應(yīng)力,這些都降低了高鉻鑄鐵的機械性能,使其不能充分發(fā)揮應(yīng)有的優(yōu)越特性,鑄件使用壽命縮短。所以必須進行熱處理,熱處理后要求高鉻鑄鐵渣漿泵過流部件的理想金相組織是:馬氏體+碳化物+奧氏體。由于高鉻鑄鐵的導(dǎo)熱性差,所以750℃以下計溫時要緩慢加熱,高溫出爐后空冷或風(fēng)冷。我們選用五種加熱溫度和三種回火溫度進行了熱處理比較,其結(jié)果如表2所示。
經(jīng)生產(chǎn)試驗和使用比較,以980℃淬火性能最優(yōu),護套使用壽命最長,所以我們最后確定熱處理工藝為:980℃風(fēng)冷+280℃回火空冷。在350℃以上回火后,鑄件韌性提高,硬度下降,耐磨性略有下降,低于和高于980℃淬火鑄件硬度均有所下降,耐磨性也降低。
4 結(jié)論
1)渣漿泵過流部件應(yīng)選用多元合金高鉻鑄鐵生產(chǎn),護套壽命可達兩個月。 2)渣漿泵過流部件造型時應(yīng)以冒口加冷鐵配合應(yīng)用,方能得到組織致密而合格的鑄件。3)渣漿泵過流部件的熱處理工藝以980℃淬火+280℃回火為最佳。
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