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2023 年第 5 期原辅材料与实验55不同铸型对高铬铸铁磨球组织与性能的影响目前，国内生产高铬铸铁磨球常用的生产工艺有砂型、金属型和金属型覆砂等铸造工艺。砂型铸造工艺又细分为粘土湿型砂铸造和树脂砂壳型铸造工艺。粘土湿型砂铸造的典型代表是 DISA 造型线，生产效率高，但一次性投资大，环保要求严，运行成本高；树脂砂壳型铸造使用叠箱工艺铸造磨球，占地面积小，工艺出品率高，但用砂量大，磨球表面易粘砂，生产成本较高，砂型冷却速度慢，实际生产中多用于生产 40 mm 以下的铸造磨球。金属型铸造与砂型铸造相比，最大优点是冷却速度快，容易细化晶粒、细化碳化物，碳化物分布更加均匀，有利于提高铸造磨球的耐磨性，但金属型模具的使用时间越长，模具的磨损越严重，铸造磨球的外观质量越差，易出现多肉、冷隔等铸造缺陷。金属型铸造原则上可生产各种规格铸造磨球，但生产小规格铸造磨球时，生产效率低，所以一般多用于生产 40 mm 以上规格的铸造磨球。金属型覆砂铸造是把金属型模具型腔表面覆上一层3 5 mm 厚的砂层，由于存在砂层，可以适当调整模具的冷却速度，同时避免金属型模具因多次使用带来的模具磨损，减少铸造磨球的铸造缺陷；同时因为模具型腔内有覆砂层，模具型腔的加工精度要求相对不高，降低了模具的加工成本。金属型覆砂铸造克服了砂型和金属型的缺点，涵盖了两者的优点，因而是目前大规模生产铸造磨球的常用铸造工艺。笔者通过抽取实际生产中的铸造磨球产品，进行取样对比，研究三种铸造工艺生产的高铬铸铁磨球的组织与性能的差异，总结分析三种铸造工艺对高铬铸铁磨球使用的影响。1试验材料及方法笔者公司采用砂型铸造、金属型铸造和金属型覆砂铸造三种工艺生产高铬铸铁磨球 ZQCr12-40 产品，原材料为废钢、铬铁、增碳剂、回炉料等，熔炼设备是1.5 t、1 t 和 0.75 t 规格的中频感应电炉，生产过程中严格按照工艺要求控制材料成分及出炉温度见表 1，高铬铸铁磨球热处理使用连续式推杆淬火炉和回火炉。表 1 铸造磨球的化学成分（质量分数，%）和出炉温度的控制参数Tab.1 Control parameters for chemical composition(mass fraction,%)and discharge temperature of cast grinding balls编号CSiMnCrSP出炉温度/控制范围2.0 3.50.3 1.20.3 1.510 11 0.06 0.061 550 1 6001 号2.860.750.6410.260.0320.0191 5862 号2.840.690.6610.340.0310.0181 5793 号2.790.720.5910.350.0280.0261 594桂劲松，姚永茂，陈全心，程琦，方剑锋，黄勇（宁国市华丰耐磨材料有限公司，安徽 宣城 242300）摘要：通过对砂型、金属型和金属型覆砂三种铸造工艺生产的高铬铸铁磨球组织性能分析，发现砂型、金属型覆砂到金属型，高铬铸铁磨球的晶粒尺寸、碳化物尺寸逐次细化，碳化物分布依次均匀，并且热处理后三种工艺生产的高铬铸铁磨球硬度无明显差别。滚筒湿法磨损显示，金属型生产的高铬磨球损失重最低、金属型覆砂次之、砂型最多，依次增加比例约为 5%。关键词：铸造工艺；高铬铸铁；铸造磨球；耐磨性中图分类号：TG247文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）05 0055 04收稿日期：2022-12-30修定日期：2023-06-30作者简介：桂劲松（1992-），男，汉族，毕业于安徽工业大学材料科学与工程专业，工程师，主要从事耐磨材料的生产与应用研究工作，E-mail:。562023 年第 5 期原辅材料与实验将三种铸造工艺生产出来的高铬铸铁磨球产品进行抽样并编号，编号规则见表 2。表 2 铸造磨球的样品编号规则Tab.2 Sample numbering rules for cast grinding balls编号生产工艺1 号砂型铸造2 号金属型铸造3 号金属型覆砂铸造对编号的高铬铸铁磨球样品，按图 1 所示位置进行取样，测试金相组织及性能。图 1 铸造磨球的试样取样位置示意Fig.1 Sample sampling locations for cast grinding balls2试验结果及分析2.1高铬铸铁磨球的表面铸态硬度高铬铸铁磨球表面铸态硬度测试结果见表 3，可以发现，金属型铸造生产的高铬铸铁磨球表面铸态硬度最高，为 55.5 HRC，而金属型覆砂铸造和砂型铸造的高铬铸铁磨球表面铸态硬度则依次降低，金属型铸造生产的高铬铸铁磨球的表面铸态硬度比砂型铸造的高5.3 HRC、比金属型覆砂铸造的高 2.3 HRC。表 3 三种工艺生产的高铬磨球的表面铸态硬度测试数据Tab.3 Surface Hardness Test Data of High Chromium Grinding Ball as Cast编号表面硬度（HRC）备注1 号50.2（50.2/50.4/50.2/50.4/49.8）砂型铸造2 号55.5（55.5/55.5/55.0/55.0/56.0）金属型铸造3 号53.2（53.5/53.5/54.0/52.0/53.0）金属型覆砂铸造2.2高铬铸铁磨球的铸态金相组织图 2 是三种铸造工艺生产的高铬铸铁磨球的铸态金相组织。（a）1 号（400）（b）2 号（400）（c）3 号（400）图 2 铸造磨球样品的铸态金相组织Fig.3 Metallographic Structure of Cast Grinding Ball Samples由图 2 可看出，三种铸造工艺生产的高铬铸铁磨球铸态组织均为亚共晶组织+碳化物，其中金属型铸造生产的高铬磨球的晶粒尺寸，明显比砂型铸造和金属型覆砂铸造生产的高铬磨球的晶粒更加细化，碳化物颗粒尺寸更加细小，无明显大块状的碳化物，金属型铸造生产的高铬磨球的碳化物分布更加孤立和均匀；还可清晰看到，无论是砂型铸造还是金属型覆砂铸造，这两种工艺生产的高铬磨球均有一定量的条块状碳化物，并且条块状碳化物对基体组织的割裂非常明显，增加了后期出现裂纹和碳化物剥落的风险。三种铸造工艺的铸件冷却速度是不一样的，在相同合金材料和铸造工艺条件下，金属型铸造的铸件凝固系数约为砂型铸造的 2 倍，凝固过程中激冷效果明显。金属型覆砂铸造的覆砂层厚度能有效调节铸造磨球的冷却速度，一般覆砂厚度为 2 4 mm，冷却速度见图 3 所示。金属型铸造的冷却能力远大于砂型铸造。从图 3 可以发现，在 1 320 时，3 mm 覆砂层的金属型覆砂铸造的降温速率约为 0.68/s，而金属型铸造的约2023 年第 5 期原辅材料与实验57为 1.28/s。当覆砂层厚度为 10 mm 时，降温速率同砂型铸造基本一致3。因此，3 mm 覆砂层厚度的金属型覆砂铸造的冷却能力介于金属型铸造和砂型铸造两者之间。金属型铸造快速的冷却抑制了 C 和合金元素的长程扩散，使其在凝固冷却过程中形成的碳化物来不及长大，基体中会固溶更多合金元素，从而提高基体的硬度。2.3高铬铸铁磨球的热处理态硬度接着，对三种工艺生产的高铬铸铁磨球进行热处理，然后测试它们的热处理态硬度，测试数据见表 4。经热处理后，三种工艺生产的高铬铸铁磨球的硬度值基本接近，心部与表面硬度一致，三种工艺生产的高铬铸铁磨球热处理态硬度无明显差异。表 4 三种工艺生产的高铬磨球的热处理态硬度测试数据Tab.4 Hardness Test Data of High Chromium Grinding Ball in Heat Treatment State编号表面（HRC）心部（HRC）备注1 号63.1（63.4/63.1/62.9）63.2（63.4/63.1/63.1）砂型铸造2 号63.6（63.8/63.1/64.0）63.7（63.6/63.8/63.6）金属型铸造3 号63.1（63.5/63.1/62.8）63.4（63.4/63.5/63.4）金属型覆砂铸造2.4高铬铸铁磨球的热处理态金相组织图 4 是三种不同铸造工艺生产的高铬铸铁磨球的热处理态金相组织。（a）1 号（400）（b）2 号（400）（c）3 号（400）图 4 铸造磨球样品的热处理态金相组织Fig.4 Metallographic Structure of Cast Grinding Ball Samples in Heat Treatment State由图 4 可见，三种热处理态金相组织均为马氏体+碳化物+少量残余奥氏体+弥散于基体中的二次碳化物。晶粒尺寸与铸态组织晶粒尺寸保持一致，金属型铸造、金属型覆砂铸造和砂型铸造的晶粒依次增加，其中金属型铸造生产无明显大块状碳化物，碳化物分布更加均匀。2.5高铬铸铁磨球的磨损性能对热处理态的高铬铸铁磨球进行湿法滚筒磨损实验，使用自制的湿法滚筒磨损机如图 5 所示。使用外购3 5 mm 石英砂和水进行模拟，磨损试验机转速设定为 40 Hz/min，石英砂和水按 11 比例添加，每次各添加 30 kg，先预磨 48 h，然后每磨 48 h 就将高铬磨球全图 3 不同覆砂层厚度对金属型覆砂铸造降温速率Fig.3 Cooling rate of different sand layer thicknesses in metal mold sand clad casting582023 年第 5 期原辅材料与实验部取出、洗净、风干后称重，每次实验前后均称量高铬磨球的重量，将两次重量差记录为减重重量，汇总试验数据如表 5。图 5 试验用的湿法滚筒磨损机Fig.5 Wet drum wear machine for testing表 5 高铬磨球的湿法滚筒磨损减重量Tab.5 Wet drum wear and weight reduction of high chromium grinding balls produced编号第 48 h减重/g第 96 h减重/g总减重/g备注1 号110108218砂型铸造2 号10097197金属型铸造3 号102106208金属型覆砂铸造表 5 数据显示，金属型铸造的高铬铸铁磨球的磨损减重最少，总减重为 197 g，金属型覆砂铸造的高铬铸铁磨球磨损总减重为 208 g，较金属型铸造的高铬铸铁磨球增加 5.6%；砂型铸造的高铬铸铁磨球磨损总减重为 218 g，较金属型铸造的高铬铸铁磨球增加 10.7%。3结论（1）无论是铸态金相组织还是热处理态金相组织，两者组织均具有一致性，在三种工艺下表现为金属型铸造的高铬铸铁磨球的晶粒尺寸更加细小、碳化物尺寸明显细小、碳化物分布更加均匀；金属型覆砂铸造和砂型铸造的高铬铸铁磨球的晶粒尺寸和碳化物尺寸是依次增大的，块状碳化物数量也依次增加，碳化物分布逐渐呈不均匀化。（2）不同工艺生产的高铬铸铁磨球经热处理后，宏观硬度虽相差不大，但实际使用的耐磨性却出现不同的差异。（3）耐磨性作为铸造磨球最重要的使用性能，实际生产工艺对其影响较大，不同厂家可根据不同的生产条件和客户需求选择最合适的铸造工艺安排生产。参考文献1刘同帮，沈永华.铁型覆砂铸造在耐磨铸件领域的应用 J.铸造，2015（8）：731-734.2中国机械工程学会铸造分会.铸造手册第五卷，铸造工艺第三版 M.北京：机械工业出版社，2011.3夏兴川，刘金海，李日.生产球铁磨球铁型覆砂层厚度的研究 J.铸造，2010（8）：847-849.Effect of Different Cast Shapes on Microstructure and Properties of High Chromium Cast Iron Grinding BallGUI Jinsong,YAO Yongmao,CHEN Quanxin,CHENG Qi,FANG Jianfeng,HUANG Yong(Ningguo Huafeng Wear-Resistant Materials Co.,Ltd.,Xuancheng 242300,Anhui China)Abstract:By analyzing the microstructure and properties of high chromium cast iron grinding balls produced by sand mold,metal mold and metal mold coated sand,it is found that the grain size of sand mold,metal mold coated sand to metal mold is gradually refined,the carbide size is gradually refined,and the carbide distribution is uniform in turn.After the heat treatment,there is no obvious difference in the hardness of the three.The wet wear of the roller shows that the wear loss of the high chromium grinding balls produced by the metal mold is the lowest,the metal mold coated sand is the second,and the sand mold is the most,with an increase of about 5%.Key words:casting process;high chromium cast iron;cast iron grinding ball;wear resistance（编辑：柳杨，；编审：范金辉，）