双金属复合铸造球磨机衬板工艺研究

衬板是用于保护球磨机筒体免受研磨体和物料直接冲击和磨擦的关键易损件。目前，我国建材、水泥、冶金、矿山、电力等工业部门使用的大型球磨机衬板多为高锰钢材质，虽韧性较好,但耐磨性还不足够好，屈服强度低，在使用过程中易产生变形，致使球磨机衬板因螺栓拉断而脱落。且无法与硬度高、耐磨性好的高铬铸铁球匹配使用。高铬铸铁衬板，虽耐磨性好，不变形，但冲击韧性较差,破裂严重，只能制造直径不超过3ｍ的小型球磨机衬板。双金属复合铸造是根据铸件的使用工况要求,在其不同部位选用不同金属进行铸造的工艺方法。采用该法生产的铸件能充分发挥不同金属各自的优异性能，有效弥补各自的不足，从而表现出优良的整体性能。    

某厂以前用的大直径球磨机衬板为ZGMn13，使用寿命低，为了提高衬板的使用寿命和综合性能，我们选用高硬度、高耐磨性且较脆的高铬铸铁和具有良好韧性的优质碳素钢，运用平做立浇技术，铸造出兼有两种材料特性的双金属复合衬板。本文就该技术铸造双金属复合衬板进行探讨。

双金属复合衬板的结构示意见图，工作面采用高铬铸铁，非工作面采用优质碳钢，中间隔板采用低碳钢。对于立浇双金属的铸造工艺，采用中间隔板是这种工艺的最大特点。隔板做成圆弧状，与衬板的非工作面成同心圆弧。隔板位置放置在衬板波谷厚度的1/2处，隔板的厚度约为2ｍｍ。在中间隔板的两侧，各建立一个浇冒口系统，形成双浇冒口系统。在设计浇冒口系统时，采用阶梯式浇注系统，同时要避免金属液直接冲击中间隔板。其铸造结构示意见图。

浇注前隔板需要经过90%的盐酸清洗干净，烘干后再放入砂箱。隔板的固定，可采用一般铸件常用的冷铁的固定方法或其它固定方法，浇注时不容移动。高铬铸铁和碳钢分别在熔炼炉中熔炼，高铬铸铁的熔炼温度在1520℃左右，碳钢的熔炼温度在1600℃左右。浇注时，高铬铸铁的浇注温度在1400℃左右，碳钢浇铸温度在1500℃左右。通过隔板两侧的双浇冒口同时进行浇注。在浇注过程中要求两种金属液面在隔板两侧等速缓慢上升，即两液面的瞬时位置高度一致，以减少隔板两侧的压力差。因为压差会引起隔板向压力小的一侧倾斜，增加耐磨层厚度的不均匀性；同时也会使液面高的金属通过隔板与型腔的空隙，向液面低的一侧渗流，影响铸件的成分与组织均匀性。因此，在浇注过程中需要很好的控制两种金属的浇注速度双金属结合层最理想的组织应当是：当浇注过程引起的液体金属的翻滚刚停止时，隔板表面达到熔化状态，这样，铸铁中的碳和合金元素在隔板处于液相时，向低碳钢一侧快速扩张，使碳和合金元素均匀过渡，得到的组织从铸铁到铸钢依次为铸铁、过共析钢、共析钢、亚共析钢。这是双金属结合承载能力最强的理想组织。隔板的理想厚度是高铬铸铁液与优质碳素钢液在停止翻滚时，刚好将隔板完全融化，而不发生金属液的冲混。在实际的生产中，不可能得到理想的隔板厚度。为了保证金属液不至于冲混，要求隔板不能完全熔透。因此，隔板不能太厚也不能太薄。隔板太薄，在浇注过程中隔板很快烧穿，引起铸铁与铸钢的冲混,影响耐磨层的性能；隔板偏厚将导致铸铁一侧的隔板熔化太浅，造成该处碳的浓度梯度大，增大了组织应力。

      用平做立浇铸造工艺生产的双金属复合衬板必须进行热处理。热处理工艺采用820～1000℃内进行淬火，并在300～500℃进行回火。热处理后高铬铸铁的硬度可达到甚至超过65HRC。

实验分析：

      对于双金属复合铸造衬板，其使用寿命主要取决于铸造后的高铬铸铁的耐磨性和中间隔板与碳钢和高铬铸铁的结合强度。所以，我们对高铬铸铁的硬度和中间隔板的结合强度进行了实验。

      在实验中浇注了4块双金属复合衬板,编号为铸件1、2、3、4。

破坏性实验：

      铸造后，对铸件进行了破坏性锤击实验，采用8磅的大锤锤击铸件。铸件1经过锤击4次后，铸件从衬板的波谷处整体断裂，从断裂端口可以明显看到，在中间隔板与双金属液的结合界面出现了明显的冲混现象。铸件2、3和4经过20次锤击后，试样没有出现开裂，未发现任何裂纹。锤击声音自始至终保持清脆，说明内部结合层也未开裂。通过锤击性实验，可以清楚知道，双金属的冲混对于衬板的中间隔板的结合强度产生不好影响，会降低衬板的使用寿命。所以，在铸造过程中，要特别注意双金属的浇注过程，控制浇注速度，防止浇注后双金属冲混。

      高铬铸铁的耐磨性与硬度虽然不成正比关系，但对于相同的微观组织，硬度越高，其耐磨性越强。现对铸造出的铸件作硬度测定，将铸件1、2、3、4用线切割机分别截取10×10×55ｍｍ的试样各一块，编号为试样1、2、3、和4。我们对截取的4个试样进行了硬度实验，高铬铸铁的硬度值见表。

拉伸实验：

      拉断时的平均载荷为3.14ｔ，σｂ=180MPa。试样2、3、4均断在高铬铸铁一侧，而未断在结合层，说明结合层的强度高于高铬铸铁中间隔板20钢高铬铸铁。

工艺评述：

      平做立浇工艺的优点：1) 立浇双金属复合球磨机衬板的铸造工艺设计合理，克服了冲混和冷隔现象。在浇铸过程中，由于中间隔板的阻挡作用，使高铬铸铁和碳钢出现冲混的几率大大降低。同时，只要控制好高铬铸铁和碳钢的浇铸温度,就能很好地减少冷隔现象的发生。另外，由于隔板的存在就可以同时浇铸。2) 铸件质量高。浇铸过程中由于采用了阶梯式注入方式，铸件冷却过程中整体上是按顺序凝固方式进行的，铸件补缩效果好，减少了缩孔和缩松。另外，浇铸过程中金属液面缓慢上升，双金属与隔板的结合部位不易出现气泡和非金属夹杂,铸件致密。3) 材料利用率高。通过合理的设计中间隔板的形状，可以实现衬板耐磨部分厚度均匀，有利于衬板的均匀磨损。4) 工艺操作易于掌握、质量稳定。平做立浇工艺的缺点：对隔板厚度及其材质要求高；对浇注速度的控制要求严格；造型及浇铸系统相对复杂,现场设备不容易布置，占地空间大等。

总结

      综上所述，双金属复合衬板的平做立浇法，工艺操作简单，成品率高，铸件质量稳定。用平做立浇工艺生产的双金属复合衬板，机械性能良好，既具有高的抗磨损性，又具有高的韧性，可以承受一定的冲击力，满足了安全、可靠、经济、耐久的要求，适宜作大型球磨机衬板。