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衬板用中铬合金钢的研制
发布时间：2013-07-03 08:26 来源：未知
湿式球磨机衬板长期处于碱性或酸性液体介质中工作，同时受到磨球、矿石的冲击、磨损和介质的腐蚀。失效形式主要是磨损、腐蚀和断裂。为保证衬板的使用寿命，衬板材质应具备合理的力学性能匹配，即具有高强度、高韧性和高硬度，同时还应具有一定的抗腐蚀能力。目前，国内常用的球磨机衬板材料是ZCMn13，使用后其残体表面硬度只有HB260一350，冲击硬化特性未能充分发挥，耐磨性较差，寿命较短。同时，高锰钢塑变抗力较低，衬板在使用过程中往往容易变形，造成衬板之间相互咬合，使维修拆卸困难。为解决高锰钢衬板在使用中存在问题，提高衬板使用寿命，近年来我们研制开发了低合金钢衬板，经工厂生产试用，效果良好。但是，由于低合金钢主要组织是马氏体和少量碳化物，耐磨性尚有待提高，而且，球磨机衬板极易在使用后期出现断裂失效现象，使用寿命仍得不到显著的提高，富通新能源销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
根据以上存在的问题，我们进行了衬板用中铬合金耐磨钢的研制。该试验通过适当提高C、Cr含量，优选合金元素的加入量，增加钢组织中碳化物量，获得点球状或短杆状碳化物形态。同时，为提高钢的冲击韧性，试验中经过热处理工艺的选择，使钢获得马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物组织，从而使该钢材具有优良的综合机械性能，提高了耐磨性和使用寿命。
1、试验钢化学成分的选择
本试验以MnSiCrMo系钢为基础，采用少量、多元综合合金化的成分设计方法，通过加入碳化物形成元素Cr、Mo、Mn、B和非碳化物形成元素Si，发挥多元合金元素的综合作用，使钢能在空气中淬硬，获得马氏体+贝氏体+碳化物组织，有效地提高钢的淬透性，在保证钢的主要化学成分合适的基础上，再添加微量元素进行微合金化，不显著增加成本却可以明显地细化晶粒，提高冲击韧性和耐磨性。
根据合金元素的作用和衬扳的使用条件，以及在多次成分筛选试验的基础上，确定试验钢的化学成分如表1。
2、试验内容和研究方法
试验钢按成分设计配料后，采用15 kg中频感应电炉熔炼，熔炼温度达1550℃，经最终脱氧后出炉，浇注温度为145℃。试样采用顶注法浇注成11mm×11mm×55mm和∮14mm×160mm试样，然后磨削成10mmx 10mm×55mm无缺口冲击试样和∮13mmX160mm抗弯强度试样。显微组织试样和硬度试样，均从冲击试样或抗弯强度试样上截取。在摆锤式冲击试验机、材料强度试验机和洛氏硬度计上分别进行冲击韧性、抗弯强度和硬度实验。采用日立S-570扫描电镜观察分析金相组织。
2.1奥氏体化温度试验
为掌握奥氏体化温度对试验钢的晶粒度、硬度、冲击韧性、抗弯强度等的影响，进行奥氏体化温度选择试验，以确定试验钢合适的奥氏体化温度。试验工艺如图1所示。将冲击韧性和抗弯强度试样各分为4组，每组5个试样，试验后进行机械性能试验。经过比较不同奥氏体化温度对机械性能的影响后（详见本文3试验结果与分析），确定试验钢合适的奥氏体化温度为1020℃。
2.2降温淬火和回火温度试验
根据奥氏体化温度试验确定的奥氏体化温度1020℃，先进行降温淬火处理，然后进行回火温度试验。降温淬火工艺如图2所示。淬火加热先升温至1020℃，保温30mim，以促进奥氏体均匀化，使合金碳化物溶解于基体内，提高试验钢的淬透性；为防止试验钢晶粒粗大，避免淬火应力过大，产生淬火裂纹，再将试样随炉冷至920qC保温30 mim。在此过程中溶解于基体中的碳化物以点球状或短杆状析出，提高了试验钢的硬度和冲击韧性。随后出炉风冷。回火工艺如图3所示，将经过降温淬火后的冲击韧性和抗弯强度试样各分为5组，每组5个试样，回火后进行机械性能试验。经比较不同回火温度对机械性能的影响后，确定试验钢合适的回火温度。
2.3利用铸造余热等温淬火试验
该试验直接利用铸造余热，将浇注后冷却至奥氏体结晶完成温度的试样，从铸型中取出快冷至下贝氏体转变温度区进行保温，进行下贝氏体转变，使试验钢获得下贝体组织，从而提高试验钢的冲击韧性、节约能源，降低生产成本，缩短生产周期，提高生产率。
首先浇注试样，当试样在铸型内结晶凝固并冷却至奥氏体结晶完成温度时开箱，将试样在空气中快速冷至略高于等温淬火温度后，放入导热率低、隔热性能好的介质中保温缓冷一段时间，使试验钢获得下贝氏体组织，再将试样从保温介质中取出冷至室温。因此，试验主要进行保温介质、开箱温度和保温温度的选择。
等温淬火过程，必须满足铸件打箱后高温快冷和低温慢冷的要求。高温快冷主要是避免试验钢产生珠光体型组织，这可以在开箱后空冷或风冷实现；低温慢冷的目的，是使试验钢在下贝氏体转变区有足够的时间进行下贝氏体转变，以形成下贝氏体组织。因此，必须选择导热系数小、保温性能好的保温介质，才能在连续冷却时模拟等温淬火过程完成下贝氏体转变。根据要求，我们选择了硅酸铝耐火纤维材料，这种材料能在927—1343℃范围内直接与热源接触长期使用，导热率低，隔热性能好，具有很好的抗热震性（温度急变）和抗机械震动性。
开箱温度选择为850℃，9000℃，950℃，1020℃。通过试验最终选择950℃进行开箱，在此温度开箱得到的组织比较细小，试样的综合机械性能较好。
保温温度选择试验工艺如图4所示。将试样分为6组，每组5个试样，每组在规定的保温温度下放进保温介质中，保温30 min后取出空冷至室温，进行机械性能试验。
在试验中，开箱温度和保温温度的测量采用经过标定校验的热电偶插入铸型内进行。在生产中为了便于操作，预先测量某一铸件（衬板）自浇注后冷却至开箱温度和保温温度的时间，在利用铸造余热等温淬火过程中，只要根据冷却时间即可判断出铸件的开箱温度和保温温度，从而进行开箱冷却和等温淬火。
3、试验结果与分析
3.1奥氏体化加热温度对晶粒度的影响
用淬硬法测定试验钢在不同奥氏体化温度下的晶粒度见表2。
结果表明，试验钢的奥氏体晶粒随温度升高而长大的倾向很小，加热至970~1020℃时，晶粒度仍很小，可见试验钢中加入的微合金化元素Ti、V、RE细化晶粒作用明显。
3.2奥氏体化温度对试验钢性能的影响
奥氏体化温度对试验钢机械性能的影响如图5示。试验钢的硬度随着奥氏体化温度的升高逐渐增高，到了920℃硬度值增加缓慢，并保持在HRC62附近。冲击韧性随奥氏体化温度的升高先降后升，950℃是转折点，温度升至1020℃时，冲击韧性达到最大值�？雇淝慷人姘率咸寤露鹊谋浠嗨朴诔寤魅托�。当奥氏体化温度(850℃)较低时，试验钢组织中存在较多的铁素体，合金碳化物以团块状分布在晶界，因而试验钢的硬度较低，冲击韧性和抗弯强度较高。随着奥氏体化温度的升高，试验钢中铁索体逐渐消失，马氏体随之增多，硬度逐渐升高，冲击韧性逐渐降低。当温度升高至950℃以上，分布在晶界中的合金碳化物逐渐溶解于晶粒内，促使奥氏体成分均匀化，多元合金元素的综合作用得以发挥，提高了试验钢的淬透性，因而，冲击韧性和抗弯强度逐渐升高，硬度保持在较高的值。当舆氏体化温度达到102℃，试验钢的综合机械性能较好。
3.3回火温度对试验钢性能的影响
回火温度对试验钢机械性能的影响如图6示。试验钢的硬度没有随回火温度的升高而降低，回火温度达480℃时，硬度仍保持在HRC58左右，可见试验钢具有良好的抗回火稳定性。冲击韧性在330℃回火时达到最大值，随后逐渐下降，但低于430℃回火没有出现明显的回火脆性。可见试验钢的回火脆性比较小。当回火温度低于430℃时，抗弯强度在1650—1800MPa波动，高于430℃回火时，抗弯强度逐渐升高。由图6见，经1020℃降温淬火，再经330℃回火的试验钢具有良好的综合机械性能。相应的金相组织见图7。由图可见试验钢的组织为马氏体+贝氏体+残余奥氏体+碳化物。
3.4利用铸造余热等温淬火的保温温度对机械性能的影响
利用铸造余热等温淬火的保温温度对机械性能的影响如图8所示。在较低温度保温时，冲击韧性随保温温度的升高而增加，保温温度为330℃时达到最大值。试验钢的硬度比较高，保持在HRC59～63之间，保温温度对硬度值的影响不大�？雇淝慷扔兴姹Ｎ挛露壬叨档偷那魇啤５笨湮露任�950℃，保温温度为280℃～330℃时，试验钢具有较高的综合机械性能，但比按1020℃降温淬火加330℃回火处理的试验钢的机械性能稍低。相应的金相组织见图9。由图可见试验钢的组织为马氏体+贝氏体+残余奥氏体+碳化物。
由于利用铸造余热等温淬火处理的试验钢没有经过再加热处理，而是直接开箱空冷至保温温度，放进保温介质中保温。因而，试验钢晶界间存在断网状或块状碳化物，使冲击韧性、抗弯强度下降，而硬度较高。实际上，试验钢在保温介质中并不是等温，而是缓慢冷却，若冷却速度大了，在贝氏体转变区获得贝氏体的量就少，这样，试验钢的冲击韧性得不到显著的提高。
4、结论
(1)由于多元舍金元素的综合作用，试验钢具有晶粒细小、淬透性好、综合机械性能良好的特点。
(2)经1020C降温淬火，再经330C回火的试验钢的组织为马氏体+贝氏体+残余奥氏体+碳化物，试验钢的机械性能：HRC= 58~60、冲击韧性a=20. 30 J/cm2、抗弯强度a,,=1600—1800 MPa。
(3)利用铸造余热进行等温淬火热处理不但可以使试验钢获得马氏体+贝氏体+残余奥氐体+碳化物组织，而且可以节约能源，缩短生产周期，降低生产成本，提高生产率。当开箱温度为9500C，保温温度在280—330℃时，试验钢的机械性能：HRC= 59—63、冲击韧性a=15～24 J，cm2、抗弯强度a：850～920 MPa，比按1020℃降温淬火加330℃回火处理的试验钢的机械性能稍低。
(4)中铬合金耐磨钢可用作球磨机衬板材料。生产中根据衬顿使用的工况和材质要求的不同以及工厂的实际生产条件，可选用利用铸造余热等温淬火工艺或降温淬火+回火工艺进行热处理。
