1、新型中碳多元低合金稀土耐磨鑄鋼襯板的研制和應用 馮勝山 楊應凱 葉學賢 曹金宏 余松明1 前言 據統計，我國每年消耗的金屬耐磨材料約300萬噸以上，其中僅冶金礦山消耗的襯板就達10萬噸左右。目前我國各類礦山用磨機等選礦設備中的襯板等易損件一般都采用ZGMn13高錳鋼材質。這類易損件在使用時要承受一定的沖擊和磨料磨損，因此其材質應具有良好的抗磨性能和一定的沖擊韌性。ZGMn13奧氏體高錳鋼的沖擊韌性很高(k達200J/cm2),原始硬度不超過HB230，但在高的沖擊負荷作用下，工件表面層能夠產生硬化效應，其表面硬度可達HRC4248，而中心仍保持優良的韌性。但如果服役時沖擊能量不夠，奧氏體高錳鋼

2、表面沖擊硬化效應不能充分產生，高錳鋼表面達不到高硬度，則工件很快磨損。同時高錳鋼的屈服極限（0.2）較低（約為350MPa左右），在使用中，尤其是使用前期工件易發生塑性變形。另外球磨機襯板與研磨介質（如磨球）之間還存在一個硬度匹配問題，研磨介質硬度一般應高于襯板硬度HRC3左右較宜，但目前很多廠礦使用的低鉻鑄鐵、高鉻鑄鐵磨球的硬度大大高于高錳鋼襯板硬度。高錳鋼在低沖擊負荷下的上述不足常常導致工件的韌性有余而耐磨性不夠，磨損失效快，而且變形嚴重，致使工件壽命短。近年來國內外均趨向于使用低合金耐磨鋼制造襯板等礦山用抗磨件，因為低合金耐磨鋼的硬度和強度高，沖擊韌性也較好，并可以通過成份和熱處理工藝的

3、調整，來調節其綜合機械性能以滿足服役條件的需要。國外這類低合金鋼已用于制造大斷面球磨機襯板、挖掘機和推土機鏟斗齒、履帶板、齒輪等部件。國內西安交通大學和北京冶金設備研究院等單位也開展了中碳中低合金耐磨鋼的研究，生產的襯板、襯錘、錘頭等產品耐磨性為同工況下高錳鋼的1.5倍以上。但這些材料的韌性仍嫌較低（k15J/cm2），而且含鎳、鈦和較多的鉬等貴重合金元素，生產成本較高15。因此這類低合金鋼仍有待進一步改進和完善。2 新型中碳多元低合金稀土耐磨鑄鋼的成份選擇2.1 碳 碳是鋼中基本元素之一。當碳量超過共析成份后，與Cr、Mn、Mo等合金元素形成的碳化物固熔于鐵素體中強化基體，使鋼的強度和硬度都

4、大幅度提高，從而提高鋼的耐磨性，但碳量過高則韌性降低，因些不能單純增加碳量來獲得高強度和高硬度。2.2 硅 Si固熔于鐵素體和奧氏體中，有明顯的強化作用，硅能降低碳在奧氏體中的熔解度，促使碳化物析出，提高強度和硬度。Si和氧的親和力僅次于A1和Ti，而強于Mn、Cr、V，是很好的還原劑和脫氧劑，可提高鑄鋼的致密度，但硅量過高將顯著降低鋼的塑性和韌性。2.3 錳 Mn能強烈增加鋼的淬透性，這對生產中采用空冷淬火極為有利，淬火后易得到馬氏體組織。Mn還能起脫氧劑和脫硫劑的作用，可凈化鋼的成分，但錳量較高會促使晶粒粗大。2.4 鉻 Cr是碳化物形成元素，Cr熔于奧氏體中強化基體且不降低韌性，推遲過冷

5、奧氏體轉變，增加鋼的淬透性，Cr使鋼的強度和硬度明顯提高，此外Cr還能細化晶粒，提高回火穩定性。 2.5 鉬 Mo在鋼中的主要作用是提高淬透性，細化晶粒，改善碳化物的形態和分布，防止回火脆性。與Cr同時加入時，可改善沖擊韌性。2.6 銅 銅不形成碳化物，以固熔態存在于基體中，可改善鋼的韌性，提高淬透性。2.7 稀土復合變質劑 加入適量高效稀土復合變質劑對鋼進行孕育處理，可使鋼的晶粒細化,夾雜物均勻彌散分布, 形狀以球形為主,減弱了夾雜物對鋼的基體的割裂作用，從而提高鋼的綜合機械性能特別是沖擊韌性。變質劑加入過量后，雖然鋼的晶?？蛇M一步細化，但鋼中夾雜物數量增加過多，導致鋼的韌性反而降低。2.8

6、 P和S 它們均是有害元素，在鋼中易形成晶界夾雜物，增加鋼的脆性，增加鑄件在鑄造和熱處理過程中的開裂傾向。因此P、S均要求小于005。3 新型中碳多元低合金稀土耐磨鑄鋼的熱處理工藝試驗3.1 試驗方法和結果在生產條件下，用0.5T中頻感應電爐（高鋁礬土砂中性爐襯）熔化，按成份要求進行配料，制作襯板鑄件及楔形試塊。每爐約熔化600公斤鋼水,脫氧劑用0.4%的75#硅鐵和0.3%硅鈣合金（Ca24Si60），出爐前用鋁脫氧即澆注,包內沖入0.3%自行研制的高效稀土復合變質劑進行孕育處理，每爐澆注襯板一件,楔形試塊二件。 將楔形試塊熱到900進行退火處理后，硬度HRC為2635，易于切取試樣。試樣均

7、取自楔型試塊下端。試樣尺寸為10mm×10mm×55mm,不帶缺口。沖擊試驗在JB30A型沖擊試驗機上進行，硬度試驗在HR150洛氏硬度計上進行。 將試樣分別進行不同的熱處理工藝試驗后，測得其硬度和沖擊韌性結果如表1和圖1。試樣經空冷淬火和回火后的金相組織為回火馬氏體+少量殘余奧氏體+少量碳化物。3.2 分析與討論分析表1和圖1結果可知： ()單純淬火時，冷卻速度越快，則鋼的硬度越高，而沖擊韌性越低，其中沖擊韌性對冷卻速度的敏感度更大。()再進行回火處理后，鋼的硬度有所降低，但不同的回火處理工藝對硬度的影響不大。()回火處理后，鋼的沖擊韌性均顯著提高，但當回火溫度為250左

8、右時，韌性均最高?；鼗饻囟忍岣叩?50以后，韌性均反而降低，出現回火脆性現象。()采用空冷淬火250回火熱處理工藝時，鋼的沖擊韌性最高達43.1J /cm2，硬度HRC達53.5，綜合機械性能最優。鋼的機械性能決定于它的化學成分和金相組織。圖2的金相組織表明：這種中碳低合金鋼熱處理后的組織以回火馬氏體為主，兼有少量殘余奧氏體和少量碳化物。馬氏體組織和碳化物的硬度和強度大，奧氏體的韌性和塑性高。采用高效稀土復合變質劑進行變質處理后鋼的晶粒尺寸、夾雜物形態及分布均得到明顯改善。正是這些因素使鋼的硬度和沖擊韌性均獲得了良好的結果。4 鑄件試生產襯板的鑄造工藝如圖2。鑄件單重330kg，最大壁厚110

9、mm，鑄件表面均不加工。試生產時,采用酸性爐襯中頻電爐熔制鋼水。熔煉工藝如下：()先往中頻電爐內加入廢鋼和生鐵熔清，再加入鉻鐵、鉬鐵、銅和錳鐵調整鋼水成分。()在出鋼前數分鐘內加入硅鐵和硅鈣脫氧。()然后加入適量鋁進行終脫氧。()鋼水出爐溫度控制在15601620。()在澆包內采用沖入法加入稀土復合變質劑（粒度10mm，烘干后使用）對鋼水進行孕育處理。()往包內撒入適量保溫聚渣劑覆蓋，并鎮靜5分鐘左右，扒渣。()澆注溫度控制在14101450左右。采用有機酯水玻璃自硬砂工藝造型制芯,并采用醇基鋯英粉涂料和漂珠保溫冒口套，在相關部位還放置冷鐵。生產的鑄件極易清砂，表面光潔，未見縮孔缺陷發生，外觀

10、質量很好，尺寸精度較高，保證了內在質量要求和使用安裝要求。鑄件的熱處理在臺車式電阻爐中進行。根據前述工藝試驗結果和襯板結構特點，將熱處理工藝調整為：先在彈塑性轉變溫度保溫數小時，再在正火溫度下保溫數小時，出爐空冷至室溫，最后在（250±10）保溫數小圖1 熱處理工藝對硬度和沖擊韌性的影響 表1序號熱處理工藝硬度 (HRC)沖擊韌性k (J/cm2)1水淬56、57、55、60平均5711.72水淬,250回火49、49、49、53平均5033.33水淬,350回火51、49、47平均4914.54油淬52、54、50平均5212.25油淬,250回火48、53、53、52平均51.5

11、29.56油淬,350回火50、51、50平均50.327.47空冷50、51、52、51平均5121. 68空冷,250回火51、54、54、55、54、53平均53.543.19空冷,350回火48、49、48、48平均48.229.0時回火后空冷。鑄件經熱處理后，未發現變形和裂紋。同爐單鑄試樣經與鑄件相同的熱處理后的金相組織為：以回火馬氏體為主，兼有少量殘余奧氏體和少量碳化物。機械性能為：HRC58.5，k 22.8J/cm2。5 襯板裝機運行試驗 試生產的襯板裝機運行試驗在武鋼金山店鐵礦生產率為115T/h的3.6×4m濕式球磨機中進行。鐵礦石莫氏硬度F78。新型低合金鋼襯板

12、與高錳鋼（ZGMn13）襯板同時間隔安裝。試驗從2001年7月4日開始,在使用5081小時,處理鐵礦石609720噸后,新型低合金鋼襯板與相同工況下的高錳鋼襯板的質量變化情況對比于表2。由表2可知：新型中碳低合金稀土馬氏體耐磨鋼襯板的耐磨性可達到高錳鋼（ZGMn13）襯板的 2.1 倍。表2襯板材質原始質量使用后質量質量減量磨損率相對耐磨性ZGMn13高錳鋼326Kg277.3Kg48.7Kg14.9%1新型低合金鋼332Kg308.2Kg23.8Kg7.2%2.1開機檢查，未見襯板有裂紋。這表明：這種新型低合金鋼襯板的韌性達到了磨機的使用要求。6 結語 6.1 所研制的新型中碳多元低合金稀土馬氏體耐磨鋼(ZG40Cr3CuMoRe)經空冷淬火和低溫回火后硬度達HRC58.5以上，沖擊韌性k達22.8J/cm2以上。6.2 采用有機酯水玻璃自