新型中碳多元低合金稀土耐磨铸钢衬板的研制和应用

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新型中碳多元低合金稀土耐磨铸钢衬板的研制和应用
& M  k( u; X$ G冯胜山 杨应凯 叶学贤 曹金宏 余松明
1 前言
  据统计，我国每年消耗的金属耐磨材料约300万吨以上，其中仅冶金矿山消耗的衬板就达10万吨左右。目前我国各类矿山用磨机等选矿设备中的衬板等易损件一般都采用ZGMn13高锰钢材质。这类易损件在使用时要承受一定的冲击和磨料磨损，因此其材质应具有良好的抗磨性能和一定的冲击韧性。ZGMn13奥氏体高锰钢的冲击韧性很高(аk达200J/cm2),原始硬度不超过HB230，但在高的冲击负荷作用下，工件表面层能够产生硬化效应，其表面硬度可达HRC42～48，而中心仍保持优良的韧性。但如果服役时冲击能量不够，奥氏体高锰钢表面冲击硬化效应不能充分产生，高锰钢表面达不到高硬度，则工件很快磨损。同时高锰钢的屈服极限（б0.2）较低（约为350MPa左右），在使用中，尤其是使用前期工件易发生塑性变形。另外球磨机衬板与研磨介质（如磨球）之间还存在一个硬度匹配问题，研磨介质硬度一般应高于衬板硬度HRC3左右较宜，但目前很多厂矿使用的低铬铸铁、高铬铸铁磨球的硬度大大高于高锰钢衬板硬度。高锰钢在低冲击负荷下的上述不足常常导致工件的韧性有余而耐磨性不够，磨损失效快，而且变形严重，致使工件寿命短。
近年来国内外均趋向于使用低合金耐磨钢制造衬板等矿山用抗磨件，因为低合金耐磨钢的硬度和强度高，冲击韧性也较好，并可以通过成份和热处理工艺的调整，来调节其综合机械性能以满足服役条件的需要。国外这类低合金钢已用于制造大断面球磨机衬板、挖掘机和推土机铲斗齿、履带板、齿轮等部件。国内西安交通大学和北京冶金设备研究院等单位也开展了中碳中低合金耐磨钢的研究，生产的衬板、衬锤、锤头等产品耐磨性为同工况下高锰钢的1.5倍以上。但这些材料的韧性仍嫌较低（аk≥15J/cm2），而且含镍、钛和较多的钼等贵重合金元素，生产成本较高[1~5]。因此这类低合金钢仍有待进一步改进和完善。
2 新型中碳多元低合金稀土耐磨铸钢的成份选择
2.1 碳 碳是钢中基本元素之一。当碳量超过共析成份后，与Cr、Mn、Mo等合金元素形成的碳化物固熔于铁素体中强化基体，使钢的强度和硬度都大幅度提高，从而提高钢的耐磨性，但碳量过高则韧性降低，因些不能单纯增加碳量来获得高强度和高硬度。
& o- B$ Q. R1 s2.2 硅 Si固熔于铁素体和奥氏体中，有明显的强化作用，硅能降低碳在奥氏体中的熔解度，促使碳化物析出，提高强度和硬度。Si和氧的亲和力仅次于A1和Ti，而强于Mn、Cr、V，是很好的还原剂和脱氧剂，可提高铸钢的致密度，但硅量过高将显著降低钢的塑性和韧性。
2.3 锰 Mn能强烈增加钢的淬透性，这对生产中采用空冷淬火极为有利，淬火后易得到马氏体组织。Mn还能起脱氧剂和脱硫剂的作用，可净化钢的成分，但锰量较高会促使晶粒粗大。
2.4 铬 Cr是碳化物形成元素，Cr熔于奥氏体中强化基体且不降低韧性，推迟过冷奥氏体转变，增加钢的淬透性，Cr使钢的强度和硬度明显提高，此外Cr还能细化晶粒，提高回火稳定性。
2.5 钼 Mo在钢中的主要作用是提高淬透性，细化晶粒，改善碳化物的形态和分布，防止回火脆性。与Cr同时加入时，可改善冲击韧性。
2.6 铜 铜不形成碳化物，以固熔态存在于基体中，可改善钢的韧性，提高淬透性。
2.7 稀土复合变质剂 加入适量高效稀土复合变质剂对钢进行孕育处理，可使钢的晶粒细化,夹杂物均匀弥散分布, 形状以球形为主,减弱了夹杂物对钢的基体的割裂作用，从而提高钢的综合机械性能特别是冲击韧性。变质剂加入过量后，虽然钢的晶粒可进一步细化，但钢中夹杂物数量增加过多，导致钢的韧性反而降低。
, ]0 g- L& k7 _% o- h3 Q7 o6 Z2.8 P和S   它们均是有害元素，在钢中易形成晶界夹杂物，增加钢的脆性，增加铸件在铸造和热处理过程中的开裂倾向。因此P、S均要求小于0．05％。
0 m* {! M3 z- {7 O/ Z3 w0 u3   新型中碳多元低合金稀土耐磨铸钢的热处理工艺试验
3.1 试验方法和结果
) G0 P( e- T' j  S% C: Q在生产条件下，用0.5T中频感应电炉（高铝矾土砂中性炉衬）熔化，按成份要求进行配料，制作衬板铸件及楔形试块。每炉约熔化600公斤钢水,脱氧剂用0.4%的75#硅铁和0.3%硅钙合金（Ca24Si60），出炉前用铝脱氧即浇注,包内冲入0.3%自行研制的高效稀土复合变质剂进行孕育处理，每炉浇注衬板一件,楔形试块二件。                           
将楔形试块热到900℃进行退火处理后，硬度HRC为26～35，易于切取试样。试样均取自楔型试块下端。试样尺寸为10mm×10mm×55mm,不带缺口。冲击试验在JB－30A型冲击试验机上进行，硬度试验在HR150洛氏硬度计上进行。
将试样分别进行不同的热处理工艺试验后，测得其硬度和冲击韧性结果如表1和图1。试样经空冷淬火和回火后的金相组织为回火马氏体+少量残余奥氏体+少量碳化物。
3.2 分析与讨论
) K0 U' D% U  ^/ d6 X. D分析表1和图1结果可知：
9 E" n1 S/ G; N  u( V* v(ⅰ)单纯淬火时，冷却速度越快，则钢的硬度越高，而冲击韧性越低，其中冲击韧性对冷却速度的敏感度更大。
(ⅱ)再进行回火处理后，钢的硬度有所降低，但不同的回火处理工艺对硬度的影响不大。
(ⅲ)回火处理后，钢的冲击韧性均显著提高，但当回火温度为250℃左右时，韧性均最高。回火温度提高到350℃以后，韧性均反而降低，出现回火脆性现象。
/ ]" P$ a% o& t( Y- s2 V" Q7 o8 p) I(ⅳ)采用空冷淬火＋250℃回火热处理工艺时，钢的冲击韧性最高达43.1J /cm2，硬度HRC达53.5，综合机械性能最优。
钢的机械性能决定于它的化学成分和金相组织。图2的金相组织表明：这种中碳低合金钢热处理后的组织以回火马氏体为主，兼有少量残余奥氏体和少量碳化物。马氏体组织和碳化物的硬度和强度大，奥氏体的韧性和塑性高。采用高效稀土复合变质剂进行变质处理后钢的晶粒尺寸、夹杂物形态及分布均得到明显改善。正是这些因素使钢的硬度和冲击韧性均获得了良好的结果。
4 铸件试生产
衬板的铸造工艺如图2。铸件单重330kg，最大壁厚110mm，铸件表面均不加工。
试生产时,采用酸性炉衬中频电炉熔制钢水。熔炼工艺如下：
(ⅰ)先往中频电炉内加入废钢和生铁熔清，再加入铬铁、钼铁、铜和锰铁调整钢水成分。
5 z* S, I( x/ k(ⅱ)在出钢前数分钟内加入硅铁和硅钙脱氧。
(ⅲ)然后加入适量铝进行终脱氧。
$ J1 X# W) m+ h9 ^- l; S! ^9 n(ⅳ)钢水出炉温度控制在1560℃～1620℃。
# h- F/ i2 }% ]; p8 C. w( L4 i(ⅴ)在浇包内采用冲入法加入稀土复合变质剂（粒度≤10mm，烘干后使用）对钢水进行孕育处理。
(ⅵ)往包内撒入适量保温聚渣剂覆盖，并镇静5分钟左右，扒渣。
(ⅶ)浇注温度控制在1410℃～1450℃左右。
& L. T8 g+ N6 l$ ^0 V4 M5 l8 m8 G采用有机酯水玻璃自硬砂工艺造型制芯,并采用醇基锆英粉涂料和漂珠保温冒口套，在相关部位还放置冷铁。
' ~- R& ~* ~6 r% m+ w生产的铸件极易清砂，表面光洁，未见缩孔缺陷发生，外观质量很好，尺寸精度较高，保证了内在质量要求和使用安装要求。
% l. \" Z$ d! [+ u$ j5 u1 |铸件的热处理在台车式电阻炉中进行。根据前述工艺试验结果和衬板结构特点，将热处理工艺调整为：先在弹塑性转变温度保温数小时，再在正火温度下保温数小时，出炉空冷至室温，最后在（250℃±10℃）保温数小
图1 热处理工艺对硬度和冲击韧性的影响   
表1
6 x! |! j0 F/ ?; n0 m. L2 O序号    热处理工艺    硬度 (HRC)    冲击韧性αk (J/cm2)
5 r* D3 _. ^! ]% C4 o1    水淬    56、57、55、60    平均57    11.7
2    水淬,250℃回火    49、49、49、53    平均50    33.3
3    水淬,350℃回火    51、49、47    平均49    14.5
+ O( e& |5 s: j- ]+ G8 m4    油淬    52、54、50    平均52    12.2
5    油淬,250℃回火    48、53、53、52    平均51.5    29.5
6    油淬,350℃回火    50、51、50    平均50.3    27.4
7    空冷    50、51、52、51    平均51    21. 6
8    空冷,250℃回火    51、54、54、55、54、53    平均53.5    43.1
$ K, ~2 c0 U4 Z9    空冷,350℃回火    48、49、48、48    平均48.2    29.0
# }- A% B- ]- [' B3 D- q8 x时回火后空冷。
铸件经热处理后，未发现变形和裂纹。同炉单铸试样经与铸件相同的热处理后的金相组织为：以回火马氏体为主，兼有少量残余奥氏体和少量碳化物。机械性能为：HRC58.5，аk 22.8J/cm2。
5    衬板装机运行试验
试生产的衬板装机运行试验在武钢金山店铁矿生产率为115T/h的Φ3.6×4m湿式球磨机中进行。铁矿石莫氏硬度F＝7～8。新型低合金钢衬板与高锰钢（ZGMn13）衬板同时间隔安装。试验从2001年7月4日开始,在使用5081小时,处理铁矿石609720吨后,新型低合金钢衬板与相同工况下的高锰钢衬板的质量变化情况对比于表2。由表2可知：新型中碳低合金稀土马氏体耐磨钢衬板的耐磨性可达到高锰钢（ZGMn13）衬板的 2.1 倍。
表2
衬板材质    原始质量    使用后质量    质量减量    磨损率    相对耐磨性
8 l: m+ Y" i& M7 M' ?( V6 yZGMn13高锰钢    326Kg    277.3Kg    48.7Kg    14.9%    1
, y; }+ X8 z; G新型低合金钢    332Kg    308.2Kg    23.8Kg    7.2%    2.1
8 f$ X0 e# U- V' x8 S4 E1 u+ v开机检查，未见衬板有裂纹。这表明：这种新型低合金钢衬板的韧性达到了磨机的使用要求。
, t: l+ z3 Z  X; _6 结语
6.1 所研制的新型中碳多元低合金稀土马氏体耐磨钢(ZG40Cr3CuMoRe)经空冷淬火和低温回火后硬度达HRC58.5以上，冲击韧性аk达22.8J/cm2以上。
6.2 采用有机酯水玻璃自硬砂工艺和高效稀土复合变质剂生产的中碳多元低合金稀土马氏体耐磨钢衬板的耐磨性达到高锰钢（ZGMn13）衬板的2.1倍。
+ a/ j6 |1 ]) [7 t- w6.3 该材质不仅合金元素含量低，而且不含镍、钛等贵重合金，价格低廉，而且冶炼容易控制，铸造性能好，热处理采用空气冷却，易于操作，是一种优良、适用的新型耐磨钢,可广泛应用于冶金、矿山、电力、煤炭、水泥等工业领域的耐磨件。