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高鉻耐磨鑄件中ZFQ-A 型高分子類油聚合物水基淬火介質應用
洛陽金潤寶科技公司在聚合物水溶液淬火介質和類油聚合物水溶液淬火介質方面的開創性研究(以三項利為代表)及其生產應用為當前“堅決打好污染防治攻堅戰”在熱處理行業代替污染嚴重的淬火油提供了技術及產品支持。
本文對ZFQ-A型高分子類油聚合物水基淬火介質在高鉻耐磨鑄件中的應用，進行比較詳細介紹，希望引起大家的關心和興趣。
耐磨合金鑄鐵，主要在劇烈的摩擦磨損條件下使用。這里重點介紹干摩條件下工作的，像磨球，襯板，磨輥輥套等鑄件，要求有高的均勻的硬度，摩擦系數要大，這類鑄鐵叫耐磨鑄鐵。本文著重介紹，鉻系耐磨合金鑄鐵。
在鉻含量為12%~28%的合金鑄鐵中，能形成Cr7C3，和Cr23C6合金碳化物，而其中Cr7C3具有高硬度，其硬度在Hv1400~1800。這樣高的硬度足以抵抗石英（Hv900~1280）的磨損。為使獲得的部碳化物為Cr7C3共晶碳化物，高鉻合金的鉻碳比應為4~8。隨鉻含量增高，共晶碳量不斷下降，在含鉻量等于13%時，共晶碳量減至3.6%。提高碳含量能增加碳化物數量，他比提高鉻含量，增加共晶碳化物數量更有。鉻含量般控制在14%~28%，而碳量則根據耐磨件應力來選擇，在低應力下采用上限為3.2%~3.6%，中應力下為2.8%~3.2%，高應力下為2.4%~2.8%。單純高鉻鑄鐵的淬透性較差。若為提高其淬透性，般可加入鉬，錳，銅，鎳，等元素。鉬錳或鉬銅同時加入可有提高淬透性。含錳量太高，則劇烈降低Ms點，使殘余奧氏體量增加。硅可降低淬透性，故般控制在0.8%以下。
高鉻鑄鐵中加入釩、鈦、稀土金屬，可以細化共晶組織和碳化物。高鉻鑄鐵中的Cr7C3碳化物不以網狀出現，其韌性比般白口鑄鐵好。
2.1，高鉻耐磨鑄件常用號
燃煤電廠碎煤機耐磨件技術條件，DL/T1604-2016規定：碎煤機環錘，錘頭等選用，BTMCr12，BTMCr15，BTMCr20，和BTMCr26。這四個號的金相組織為：碳化物+回火馬氏體+殘余奧氏體，或碳化物+奧氏體及其轉變產物。
燃煤電廠磨煤機耐磨件技術條件DL/T681-2012，規定：鑄造磨球的號是，ZQCr26，ZQCr20，ZQCr 15，ZQCr 12，ZQCr8，ZQCr 5和ZQCr2。球磨機襯板的號是BTMCr12，BTMCr15，BTMCr20和BTMCr26。中速磨煤機磨輥、輥套、磨盤、襯板的號是，BTMCr15，BTMCr20和BTMCr26。以上各個號的化學成分，金相組織和使用性等。
2.1.1高鉻耐磨材料在磨球上的應用
表1鑄造磨球的化學成分（質量分析）
|
名稱 |
號 |
化學成分 |
||||||||
|
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
Cu |
Ni |
P |
s |
||
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅰ |
ZQCr26 |
2.0~3.3 |
≤ 1.2 |
0.3~1.5 |
>23.0~30.0 |
0~3.0 |
0~1.2 |
0~1.5 |
≤ 0.10 |
≤ 0.06 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅱ |
ZQCr20 |
2.0~3.3 |
≤ 1.2 |
0.3~1.5 |
>18.0~23.0 |
0~3.0 |
0~1.2 |
0~1.5 |
≤ 0.10 |
≤ 0.06 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅲ |
ZQCr15 |
2.0~3.3 |
≤ 1.2 |
0.3~1.5 |
>14.0~18.0 |
0~3.0 |
0~1.2 |
0~1.5 |
≤ 0.10 |
≤ 0.06 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅳ |
ZQCr12A |
2.0~3.3 |
≤ 1.2 |
0.3~1.5 |
>10.0~14.0 |
0~3.0 |
0~1.2 |
0~1.5 |
≤ 0.10 |
≤ 0.06 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅴ |
ZQCr12B |
2.0~3.3 |
≤ 1.5 |
0.3~1.5 |
>10.0~14.0 |
0~1.0 |
0~0.8 |
-- |
≤ 0.10 |
≤ 0.06 |
|
中鉻鑄鐵磨球Ⅰ |
ZQCr8 |
2.1~3.3 |
1.5~2.2 |
0.3~1.5 |
7.0~10.0 |
0~1.0 |
0~0.8 |
-- |
≤ 0.10 |
≤ 0.06 |
|
中鉻鑄鐵磨球Ⅱ |
ZQCr5 |
2.1~3.3 |
≤ 1.5 |
0.3~1.5 |
4.0~6.0 |
0~1.0 |
0~0.8 |
-- |
≤ 0.10 |
≤ 0.10 |
|
低鉻鑄鐵磨球 |
ZQCr2 |
2.1~3.6 |
≤ 1.5 |
0.3~1.5 |
1.0~3.0 |
0~1.0 |
0~0.8 |
-- |
≤ 0.10 |
≤ 0.10 |
|
名稱 |
號 |
表面硬度 HRC |
磨球沖擊疲勞 壽命/次數 |
|
|
淬火態并回火處理 |
鑄態并去應力處理 |
|||
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅰ |
ZQCr26 |
≥58 |
-- |
≥8000 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅱ |
ZQCr20 |
≥58 |
-- |
≥8000 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅲ |
ZQCr15 |
≥58 |
-- |
≥8000 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅳ |
ZQCr12A |
≥58 |
-- |
≥8000 |
|
高鉻鑄鐵磨球Ⅴ |
ZQCr12B |
-- |
≥49 |
≥8000 |
|
中鉻鑄鐵磨球Ⅰ |
ZQCr8 |
-- |
≥48 |
≥8000 |
|
中鉻鑄鐵磨球Ⅱ |
ZQCr5 |
-- |
≥47 |
≥8000 |
|
低鉻鑄鐵磨球 |
ZQCr2 |
-- |
≥45 |
≥8000 |
2.1.2高鉻耐磨材料在襯板上的應用
高鉻白口鑄鐵襯板以其高硬度、高強度和高耐磨性而著稱，在外已被廣泛使用，在制作水泥工業球磨機襯板中，般壽命在5a以上。近年來，內在這方面也取得了很大的發展，據資料介紹，內制造的高鉻白口鑄鐵溝槽襯板成功應用于Φ3m×9m大型磨機上，已連續運轉6a以上。目前，高鉻白口鑄鐵襯板在水泥工業球磨機上，從Φ2.2m、Φ2.4m、Φ3m中小型磨機到Φ3.8m、Φ4.2m、Φ5m、Φ5.4m大型和大型磨機都實現了安生產，取得了較好經濟和社會益。別是用于Φ5.4×15.5m大型磨機襯板，可完替代進口產品。
高鉻白口鑄鐵襯板制造和使用中應注意以下問題：
1）高鉻白口鑄鐵襯板的失形式主要是斷裂和磨損，斷裂失常使高鉻白口鑄鐵襯板的生產和推廣應用受到很大影響。其中，鑄造缺陷，如疏松，縮孔，氣孔，夾雜等是造成斷裂的主要原因。因此，襯板制備過程中不允許有超標的鑄造缺陷存在。
2）襯板應小而厚，單螺栓孔為宜，對大而薄或雙螺栓孔襯板的生產和使用應別注意。
3）高鉻襯板在安裝時，凡有螺栓孔的襯板，螺栓固定要緊實牢固。安裝面與筒體面應為面接觸， 好選用橡膠墊做墊層，嚴禁無任何鋪墊而直接安裝和使用高鉻襯板。安裝完畢進行試運轉時，磨機內必須填充定量的物料方可運行，嚴禁空磨運轉。
4）目前內為了降低成本，開發了無鉬鎳高鉻合金鑄鐵襯板，其熱處理工藝應視鑄件壁厚、結構、裝爐量及四季溫度變化情況而定。
5）襯板在鑄態開箱、清理打磨、熱處理裝筐等搬運中應輕拿輕放，防止碰撞，防止鑄態裂紋的產生。高鉻白口鑄鐵襯板的含碳量的選擇，應考慮到它的使用工況。高鉻合金白口鑄鐵般是指鉻質量分數在12%~28%，碳質量分數在2.4%~3.6%的合金白口鑄鐵。它的*點是高硬度的Cr7C3型共晶碳化物，呈菊花狀彌散分布于馬氏體基礎上，減少了對基體的割裂作用。因此，高鉻白口鑄鐵襯板具有強度和硬度高，韌性和耐磨性好等點。目前內外大量應用于大型水泥磨機上，般使用壽命，（倉）達到6~8a，二、三倉達到12a以上，表現出了良好的耐磨性。
但是實際使用中發現，當碳含量選擇不合理時，高鉻白口鑄鐵襯板易出現斷裂現象，別在些大型磨機上尤為明顯。通常，對沖擊載荷較大的工況般采用低碳高鉻白口鑄鐵襯板；對沖擊載荷較小的工況采用高碳高鉻白口鑄鐵襯板，以便充分發揮材料的耐磨性能。如ω(C)=2.40%~2.65%的Cr15襯板可用于Φ4.2m以下磨機（倉）；ω(C)=2.65%~2.85%的Cr20、Cr26襯板可用于Φ4.2以上磨機；磨前有預粉系統，如“輥壓機+水泥磨”，平均球徑≤60mm，碳含量再高些，可保證倉使用壽命達到8~10a，二、三倉使用壽命更長。磨頭襯板可選用中（低）碳高鉻白口鑄鐵；出料蓖板可選用中、高碳高鉻白口鑄鐵；分塊組合成的隔倉板可選用低碳高鉻白口鑄鐵。
2.2高鉻耐磨鑄件的熱處理工藝
過去在行業里，高鉻耐磨鑄件（以下簡稱鑄件）普遍采用粗放式的空冷、風冷或者風霧冷的方式實現淬火。然而，傳統的工藝存在鑄件迎風面和背風面的冷卻不均勻問題，導致硬度分散性大，甚至出現硬度不足，降低鑄件使用壽命。對于厚大鑄件只能采用冷卻速度更快的淬火油進行淬火，但使用淬火油產生煙氣的污染和存在火災隱患。當前生產廠家都不再用淬火油淬火。
曾經有人提出利用水和空氣作為淬火介質，對直徑80mm的Fe-2.4C-12Cr，高鉻鑄球進行多次循環淬火-分配-回火工藝（MQ-P-T）處理，并與常規的空冷和油淬處理的高鉻鑄球進行對比，獲得了較高的綜合力學性能。但這種方法對于復雜形狀厚薄不勻的鑄件，生產中操作起來很困難，暫時不宜推廣。目前在行業中，正在按照我們提出的三槽理論，采用金潤寶類油聚合物水基淬火介質代替淬火油，實現鑄件的綠色環保熱處理！
(類油聚合物水基淬火介質代替淬火油的理論依據）
3.1、ZFQ-A型高分子類油聚合物水基淬火介質的性能
本產品為種高分子類油聚合物水基淬火介質，無色至淡黃色透明粘稠液體，PH與自來水相同。使用時無毒，不燃燒，無煙霧，無火災危險，無污染，不老化，使用壽命長等點，使用時只需補充原液，無需整槽更換。
3.2、使用范圍
適用于厚大件高鉻鑄鐵（Cr15 Cr20 Cr26 Cr28等各號高鉻鑄鐵），冷、熱雙金屬復合高鉻鑄鐵錘頭，反擊破中大型板錘，立磨上用高鉻鑄鐵輥套等各種高鉻鑄鐵工件；高鉻鋼，高、中、低鉻合金鑄鐵，高、中、低合金鋼，高速鋼、合金工具鋼、模具鋼，合金球鐵，高鉻鋼球的淬火。
原液與自來水的配比比例為1:6~1:15之間，本淬火介質無逆溶性，工件淬火后得到的硬度不受此淬火介質水溶液溫度的影響，在工件淬火前不需要把淬火液預熱可直接淬火。
淬高鉻鋼球，原液與自來水配比為1:8~1:15即可。在淬厚大件高鉻鑄鐵工件時，工件重量與淬火劑所配制的水溶液重量之比冬季1:1.5~1:2.5之間，夏季1:1.5~1:3之間。1噸A型系列母液與自來水混合配制成水溶液，可次性淬入高鉻鑄鐵件重量為2.5~5噸之間。
淬厚大件高鉻鑄鐵件適宜的ZFQ-A型淬火介質的濃度：原液與水配比1:6，其 大冷卻速度，15℃/s~20℃/s之間， 大冷卻速度所在的溫度在780℃~830℃之間，在300℃的冷卻速度小于6.5℃/s，在300℃到200℃馬氏體轉變溫度區域內所用時間大于20秒(s)，（采用冷卻介質測定儀測定，測定溶液溫度30℃。）。
本產品適用性廣，淬透性強，硬度高，并且均勻，不淬裂，使用量少，可減少貴金屬的加入量，降低原材料的生產成本。
因此，ZFQ-A型淬火介質淬火比采用風冷加霧冷淬火的設備簡單，操作方便，使用可靠，產品質量高，在鑄件化學成分配置合理，熱處理工藝參數正確的情況下，可以使沖擊值提高，碳化物呈彌散分布且使用中不易剝落，甚至使高鉻鑄鐵工件的耐磨性提高30%-50%或更高。別是淬厚大件高鉻鑄鐵有其優勢，不淬裂，淬透性強，硬度高且均勻。
3.3、ZFQ-A型淬火介質與油、水、風冷+霧冷的冷卻性對比見表3（類油聚合物水基淬火介質代替淬火油的理論依據）
由表3可見，ZFQ-A型淬火介質在300℃時的冷卻速度在6.4℃/s至13℃/s，正好處于普通淬火油6.5℃/s和快速淬火油16.4℃/s之間。而它們的 大冷速在17.1℃/s至19.8℃/s。都小于普通淬火的83.5℃/s和快速淬火油的114.3℃/s。這些數據充分顯示了它們的類油性！
這就提供了類油聚合物介質代替淬火油的可能性！在類油聚合物淬火介質的研究上，我們正接近際水平！
表3、ZFQ-A型淬火介質和油、水、風冷+霧冷的冷卻性
|
不同與水配比 ZFQ-A 型淬火介質和油、水、風冷+霧冷的冷卻性對比 |
|||||||||||
|
淬火介質 |
介質溫度（℃） |
性溫度 ①（℃） |
性時間 （S） |
大冷速 所在溫度 （℃） |
大冷速 （℃/S） |
300℃時 冷速（℃ /S） |
到 600℃ 時間（S） |
到 400℃ 時間（S） |
到 300℃ 時間（S） |
到 200℃ 時間（S） |
|
|
水 |
|
30 |
688 |
1.62 |
545 |
203 |
111.5 |
2.1 |
3.2 |
3.9 |
5.1 |
|
快速淬火油 |
|
30 |
733 |
4.2 |
626 |
114.3 |
16.4 |
5.5 |
8 |
11.4 |
27.3 |
|
普通淬火油 |
|
|
|
|
545 |
83.5 |
6.5 |
|
|
|
|
|
風冷 |
|
25 |
850 |
0.12 |
836 |
9.1 |
2.2 |
35 |
81.5 |
119.7 |
|
|
ZFQ-A 型水 基淬火介質 |
1:6 |
31 |
844 |
0.38 |
828 |
19.3 |
6.4 |
15.1 |
32.5 |
46.1 |
66.4 |
|
1:7 |
32 |
840 |
1.42 |
797 |
17.1 |
9.3 |
17.3 |
35.2 |
47.2 |
66.2 |
|
|
1:8 |
32 |
843 |
0.74 |
807 |
19.3 |
8.9 |
14.7 |
30.2 |
40.8 |
57.2 |
|
|
1:9 |
33 |
837 |
1.33 |
800 |
17.4 |
9.0 |
16.4 |
33.2 |
43.6 |
59.5 |
|
|
1:10 |
33 |
839 |
1.05 |
794 |
17.1 |
10.7 |
16.5 |
33.8 |
45.1 |
59.2 |
|
|
1:11 |
34 |
848 |
0.07 |
827 |
18.7 |
10.9 |
15.3 |
31.7 |
42.3 |
54.3 |
|
|
1:12 |
33 |
839 |
1.01 |
794 |
17.4 |
10.5 |
16.2 |
33.1 |
43.2 |
56.0 |
|
|
1:13 |
33 |
847 |
0.07 |
828 |
18.3 |
11.5 |
15.4 |
32.8 |
42.9 |
56.1 |
|
|
1:14 |
36 |
846 |
0.38 |
812 |
19.8 |
12.5 |
14.2 |
29.5 |
37.8 |
47.5 |
|
|
1:15 |
34 |
840 |
0.80 |
795 |
17.4 |
11.5 |
16.2 |
33.2 |
42.6 |
53.8 |
|
|
1:26 |
34 |
839 |
1.04 |
787 |
17.2 |
13.0 |
16.4 |
33.1 |
42.0 |
51.9 |
|
注：性溫度是指穩定的蒸汽膜發生破裂的溫度，也是沸騰冷卻階段開始的溫度。
淬厚大件高鉻鑄鐵件輥套適宜的ZFQ-A水基淬火介質的濃度：與水配比1:6-1:7之間，其 大冷卻速度為15℃/s~20℃/s， 大冷速度所在的溫度在770℃~820℃之間，在300℃的冷卻速度小于7℃/s，在300℃-200℃馬氏體轉變溫度所用的時間大于20秒(s（)采用冷卻介質測定儀測定，測定溶液溫度30℃ISO9950標準）。
5.1本公司對ZFQ-A型高分子類油聚合物水基淬火介質的冷卻性進行了長期深入研究。對十種配比的淬火介質和清水、快速淬火油、普通淬火油以及風冷的冷卻性進行了測定（ISO9950）,工作量十分龐大。測定結果表明：ZFQ-A型系列水基淬火介質在300℃時的冷速在6.4℃/s~13℃/s，正好處于普通淬火油6.5℃/s和快速淬火油16.4℃/s。而它們的 大冷速在17.1℃/s~19.8℃/s，都小于普通淬火油的83.5℃/s和快速淬火油的114.3℃/s。這些數據都充分顯示了它們的類油性。這就提供了類油聚合物水基淬火介質代替淬火油的可能性！而多年來的生產實踐也證明類油聚合物淬火介質代替淬火油是完成功的，已獲得了用戶的廣泛認可。
5.2、ZFQ-A型類油聚合物水基淬火介質成功地應用于高鉻耐磨鑄件的熱處理，比過去的空冷工和油淬工藝質量更可靠，而且沒有任何污染。
5.3、金潤寶科技公司在聚合物水溶液淬火介質和類油聚合物水溶液淬火介質方面的開創性研究及其生產應用為當前“堅決打好污染防治攻堅戰”，在熱處理行業代替污染嚴重的淬火油提供了技術及產品支持。
