高铬铸铁
作者：卢洪波
高铬白口抗磨铸铁（以下简称高铬铸铁）是一种因性能优良而特别受到业内重视的抗磨材料。在耐磨性上，它比合金钢高得多；在韧性、强度上，它又比一般白口铸铁高得多；同时，它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，而且生产便捷、成本适中，因此成为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。
高铬铸铁属金属耐磨材料中抗磨铸铁类铬系抗磨铸铁的一个重要分支，是继普通白口铸铁、镍硬铸铁之后发展起来的第三代白口铸铁。高铬铸铁一般指含铬量在11%~30%、含碳量在2.0%~3.6%范围的合金白口铸铁。早在1917年就出现了第一个高铬铸铁专利。我国抗磨白口铸铁国家标准（G B /T 8623）规定了高铬白口铸铁的牌号、成分、硬度及热处理工艺和使用特性。
美国高铬铸铁执行标准为A S T M A 532M ，英国为B S 4844，德国为D I N 1695，法国为N F A 32401。俄罗斯在前苏联时期曾研制了含铬量12%~15%、含锰量3%~5.5%、壁厚达200m m 的球磨机衬板，现执行ГO C T 7769标准。特别值得一提的是，美国克莱梅克斯（C l i m a x ）钼业公司曾在近一个世纪的时间里，为抗磨白口铸铁的发展做出了卓越的贡献。1928年，该公司首先发明了镍硬铸铁，从而将抗磨铸铁技术推向了一个空前的高度。1974年，为纪念国际G I F A ，该公司在杜赛尔多夫展览会上展示了其名为“神秘1号”和“神秘2号”的经典高铬抗磨铸铁153（C r 15M o 3）和1521（C r 15M o 2C u ）。目前，克莱梅克斯公司执行的高铬铸铁标准见附表所示。栏主特别提示大家，这是非常值得一看的。
对高铬铸铁的规模化工业应用，发达国家始于上世纪60年代。我国则于1969年，由当时的机械工业部与新日铁公司及八幡厂技术实验中心联合在武钢进行了轧钢实验，并取得了很好的效果。很快，由国防工业出版社出版的第一部较为全面、详细地向国内读者介绍高铬铸铁化学成分、合金元素的影响及熔炼和热处理相关问题的图书———《高铬铸铁轧辊的力学性能》问世。而我国在抗磨料磨损方面的应用研究，则始于1973年西安交大铸工教研室与西安电力机械厂开始进行的电厂制粉系统易损件的攻关。他们于1980年编译出版了对我国耐磨材料行业有重要贡献的《磨料磨损与耐磨合金译文集》。这本内容近300页、价格0.95元人民币的专著，可谓影响了整整一代耐磨材料工作者。到了1986年，由西安交大周庆德教授在多年的教学研究基础上总结编纂的真正具有中国特色与极强技术指导和工艺实操性的《铬系抗磨铸铁》一书出版。都说“好书育人”，这本蓝色封面八开的论文集，可谓是“好书中的好书”！当时
正值我国铸造工业感应电炉如2000年水泥工业的N S P 窑一般，因技术成熟、造价大幅度降低而猛烈推广之际，不经意间成了我国高铬抗磨技术起飞的助推器之一。
栏主生平在磨机衬板研究中的得意之事之一，便是于1988年初安装在河南香山集团（前身为河南偃师水泥厂）椎2.2×6.5m 水泥磨的高铬沟槽衬板满负荷运转至2000年，共计运行了12年，至今未见有人打破纪录。前些日子搬家，在一堆旧书、旧报、旧相片中，一本发黄的工作日志跃入眼中，一下儿打开了尘封20年的记忆。内中详细记载了当时根据《铬系抗磨铸铁》论文集中的参数和市面合金价格而设计的该套衬板的化学成分。至于热处理工艺则是全文照搬。生产运转一次成功，各种性能数据与文中几乎不差分毫。要知道，该厂过去是1台水泥磨1年换1套高锰钢衬板，这套新安装的高铬沟槽衬板为该厂节省了10余套衬板资金不说，12年间光拆卸衬板就节省了10次以上。日后，再来到该厂，面对该厂干部职工的声声赞誉，甚有一个材料工作者的自豪感与成就感，也就越发感谢这本书的编者周庆德先生和其他老师们。如今，时隔20多年，我仍清晰地记得当时拿到这本书时的情景：那是在1987年早春的一个下午，当我迫不及待地从驻马店邮局营业员手中取到这本书时，就如高尔基描写的：像一个扑在面包上的饿汉子。在回工厂宿舍的路上，我一手推着自行车，一手拿着书目不转睛地看着。渐渐天色已黑，干脆一屁股坐在路边一块冰冷的石头上，就着昏暗的路灯一口气儿读完时，才发觉肚子已饿得咕噜咕噜直叫。抬头看着深邃的夜空中那些明亮的星星，心里顿时敞亮了许多……从此，这本书不知伴我度过了多少个不眠之夜，帮助我解决了多少个高铬铸铁生产应用中的问题。时间过得真快，一晃已过去了20多年。当年情景，历历在目，栏主的眼角湿润了……
前年，惊闻周庆德先生辞世，一时间阵阵酸楚涌上心头。周庆德先生是中国最顶尖的工科院校西安交大的耐磨材料学术带头人，堪称一代耐磨材料大师。先生一生光明磊落，不仅桃李满天下，科研成果更是丰硕满枝。先生的文章、专著是含金量最多的，没有把握的数据从不妄下结论，而是实事求是，直接提出疑问及下阶段建议。栏主前段在重读先生20年前与他的弟子燕平所著的《高铬铸铁加硼》及前几年与其弟子赵四勇合著的《关于高锰钢若干问题》二文，其扎实的文笔真是让人敬佩。对于学术界一度流行的造假之风，先生更是深恶痛绝，每每口诛笔伐、慷慨激昂。记得在一次全国学术大会上，先生对当时流行的“中锰球铁”猛烈开炮，
全不顾人情世故大声斥责其为“伪科学”。栏主与台下众人皆以热烈掌声向先生实事求是的科学精神表达心中的折服和敬意。而今先生驾鹤西归，唯愿先生一路走好，相信先生在天国也一定会祈福他所热爱并为之奋斗一生的中国耐磨材料事业逢勃发展。
言归正传。有朋友曾不解地问：“卢总，你说高铬铸铁很耐磨，其耐磨性可以轻而易举地超过高锰钢几倍或更多，这我们相信。但超过同等硬度合金钢耐磨性几倍是怎么回事呢？是否违背了磨损公式关系图呢？”其实，这恰恰是高铬铸铁与常规耐磨材料的不同之处，高铬铸铁超过同等硬度合金钢耐磨性几倍甚至更多，是否与磨损公式关系相违背呢？答案是否定的。常规合金钢淬火后一般得到单一高硬度基体（如马氏体组织），而高铬铸铁不同，它得到的是高硬度马氏体基体上弥散分布的更高硬度的碳化物组织。前面的内容中说过，合金钢单一高硬度基体就如干硬的土地，而高铬铸铁则是干硬土地中埋设的大量的坚硬石块，农民要犁后面这样的地算是倒了大霉了。
高铬铸铁的成功在于C r 含量达到了12%，当铬碳比达到一定值时，铁碳的凝固过程就会发生改变，从而导致更高硬度的M7C3型碳化物生成，而非M3C 型。这就像熟料中的硅酸三钙与硅酸二钙一样，C3S 不仅早期强度高，后期强度亦高于C2S 。同样，M7C3型碳化物不仅硬度比M3C 型更高，且组织形态也与割裂基体的蜂窝状M3C 型碳化物不同，是结实的、不连续的条块状，其结果大大改善了材料的韧性。所以，高铬铸铁不仅硬度高，而且耐磨性也比同等硬度合金钢要高得多。此外，在强度、韧性和耐磨性上，高铬铸铁比一般白口铁也要高许多。时至今日，在水泥工业中优质高铬球可以轻松地用在椎5.6m 磨机上，其碎球率＜1%，磨耗吨水泥不足90g （含生料磨与水泥磨），表现极为出色；其中尤以凝聚了陈宗明、陈晓父子两代人以及上千名员工心血的安徽宁国耐磨材料总厂的凤形牌高铬球最为人称道。而今，宁国耐磨材料总厂的凤形牌高铬球，如一只美丽的金凤凰展翅高飞，漂洋过海，在世界各地大展风采。至于将高铬铸铁用在磨机衬板上其寿命超过高锰钢5倍以上，栏主在20年前即已将此技术发展成熟，只是在大磨上应用时其成分及工艺应作针对性调整罢了。此外，如果磨机衬板能改用增产节能型沟槽衬板（栏主与合肥院鲁幼勤于1986年共同合作研发成功）那就更棒了。其他如用在砂岩、页岩等硅质校正料的硬岩反击破板锤，更是至今都无法撼动其霸主地位。
近年来，高铬铸铁的应用领域不断延伸，在立磨磨辊、磨盘及辊压机
辊子堆焊中异军突起，取得了良好的技术经济效益。可以说，现如今的高铬铸铁正当壮年，是水泥粉碎领域当仁不让的主力军。
高铬铸铁迄今已走过了近半个世纪的辉煌。美国金属材料协会指出，自上世纪90年代至未来的20年内将是新材料开发最活跃的时期。这些新材料主要集中在高合金材料、高功能聚合物、复合材料和精密陶瓷材料四大类上，其中高合金材料占60%以上。进入新世纪后，各国政府均已意识到各种材料的快速更新换代，对未来经济的发展是至关重要的。
工业领域中70%~80%的零件失效皆由磨损引起，高铬铸铁作为典型的高合金材料，其在抗磨料磨损领域的潜力被进一步挖掘，有关高铬铸铁的新工艺、新技术大量涌现。
栏主当前最为看好的技术有以下几类：
推荐指数★★★★★
1.半固态挤压过共晶高铬技术；
2.高铬铸铁、金属陶瓷复合材料；
3.高硼高铬铸铁技术；
4.纳米高铬铸铁技术。
此外，如电渣熔铸高铬铸铁改性技术，超级复合铸渗技术，电脉冲、超声、旋转磁场、振动细晶技术，超级变质剂技术，高钒高铬技术，精炼高铬技术，定向凝固技术，原位增强技术等等亦在不同程度上提升了高铬铸铁的性能。限于篇幅，咱们只对以上四大热点技术之一的半固态挤压过共晶高铬技术做一探讨。
通常所用的高铬铸铁绝大多数是亚共晶的。提高碳含量，使之过共晶，我们会发现其高硬度碳化物比例迅速增加，材料的耐磨性大大提高。而提高碳含量是不增加成本的，这样的好事上哪儿去找？殊不知此时碳化物比例是提高了，但碳化物同时也变得极为粗大，模样也变得“狰狞”，它产生了对基体有害的割裂作用，倘若有办法将其打碎、细化、圆润化，则脆性大大减少。半固态挤压便是通过低成本的机械物理技术途径，将大块碳化物打碎成“圆润”的小颗粒弥散分布在基体上。超级高铬铸铁就这样诞生了。郑州鼎盛公司与西安交大邢建东团队正在通力开展这方面工作的合作。
以上所言，水泥界的朋友们听了总是似懂非懂，或是感觉怪怪的。栏主挠了挠后脑勺儿，眼前一亮：有了！咱们不妨拿水泥方面的技术做个比方。假设高铬亚共晶的饱和比（K H ）值设定在0.9，为了追求增加更高硬度的碳化物相比例而提高碳含量以使高铬过共晶，就相当于咱们为了增加更高强度的C3S 比例，而将K H 过饱和设计，超过1.0或到了1.05。这还了得！大哥您的C3S 比例是上去了，可是游离钙却大量增加，没准儿超过了5%；这样的水泥盖楼楼倒、建桥桥塌，这又如何是好呢？那日栏主一
时兴起喝高了点儿，满脸通红憋出了“切西瓜”与“拆鞭炮”两个“歪理”。
何谓“切西瓜”？在当前主流新型干法窑的正常冷却条件下，游离钙结晶解理尺寸一般在30~40μm ，倘若目前的粉磨工艺以45μm 筛余控制细度，则相当一部分游离钙将“全身而退”，在水泥中保持完整颗粒；这种颗粒水化速度甚慢，此时指望它自然消解，怕是要等到黄瓜菜都凉了；若以80μm 筛余控制，那游离钙更将快乐地“胜利大逃亡”；但是，假如我们将其比表面积磨到550m2/k g ，此时只有4%的游离钙，安定性也100%合格。不相信，这次栏主加码再跟您打个2日元的狠赌，您回去在实验室小磨上试试。“若游离钙到了5%呢？”“那只需将其磨至650m2/k g 。”“倘若到了10%呢？”栏主一咬牙，“那就磨到800m2/kg ，外带再加热170℃，安定性100%合格。”“20%呢？”栏主脑袋一耷拉，嘴里嘟囔道：“您真不算个职业玩家。”呵呵……因为此时完整颗粒的游离钙被打开后，露出新生表面，其水化速度大大加快。这就像夏天一个完整的西瓜放上几天甚至个把星期问题都不大，但若切成几块，老兄第二天起床头件事就是捂住鼻子、扭着脸，一路飞奔将其抛到垃圾桶里去。此即“歪理”之一“切西瓜”。
那何谓“拆鞭炮”呢？栏主幼时好奇心大，鞭炮不好好放，非拆开看看其中何物，待拆开后一脸惊异，原来只要一点点黑粉，裹紧了便有如此威力。长大了明白了此理，假如将小鞭炮拆开倒出火药，随风飘在一个篮球场上，结果可想而知。其实，一个游离钙晶粒被磨细分散成无数个小颗粒之后，即便个别未及自然消解，“潜伏”下来的游离钙在日后水泥石中水化，其膨胀作用也早已是强弩之末，微不足道了。那点儿膨胀作用，怕是对改善混凝土的密实度与后期强度及耐久性，尤其是冻融性试验指标还有裨益呢。此即“歪理”之二“拆鞭炮”。哈哈……栏主在各位朋友面前献丑了。半固态挤压技术就好比是“切西瓜”、“拆鞭炮”，此时大量高硬度、“面目狰狞”的大块碳化物被细化、圆整，并弥散分布在高硬度马氏体基体上。如此这般，高铬铸铁便鱼与熊掌兼而得之，不仅超硬、超耐磨，而且强度高、韧性好，“任尔东南西北风，我自岿然不动”。呵呵……您又见笑了，“别、别急……”栏主结巴着：荒言诞语，经不得高手玩儿真的推敲一把，若有得罪大哥您之处，俺又使出往日那一招儿，还请您黄河岸边一杯水酒论英雄，水泥熟料高铬铸铁大P K 。