CN106282777A - 一种镶嵌贝氏体‑马氏体复相钢耐磨衬板及其制备方法 - Google Patents
一种镶嵌贝氏体‑马氏体复相钢耐磨衬板及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种镶嵌贝氏体‑马氏体复相钢耐磨衬板及其制备方法，包括带孔基体、嵌体，基体为高韧性耐冲击金属，嵌体为高硬度耐磨金属，将嵌体镶固在带孔基体的孔型结构中，嵌体为不同物质比例的合金；基体为高锰钢，其制备方法是采用熔炼、浇铸、退火、热处理的工艺分别得到带孔基体和嵌体，然后将两者进行镶嵌得到；本发明有效的发挥材料本身的优势，提高衬板抗冲击性、耐磨性、适宜高中低不同的冲击载荷，有效的减少高锰钢加工硬化效果不明显时发挥不出材料的特性和加工硬化组织应力过大使基体材料产生较大的缺陷的问题，提高了衬板的使用寿命，减少维修次数，生产工艺简单，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板及其制备方法，属于金属材料铸造技术领域。
背景技术
随着我国冶金工业的发展，应用于矿山、冶金、水泥等行业的球磨机向大型化发展，保护球磨机筒体的衬板既要有良好的耐磨性，也要有较好的韧性，以适应较复杂工况下的冲击力。目前，国内衬板的材质多使高锰钢和低合金耐磨钢，但在实际工况下单一材质的衬板不能满足较宽范围的冲击载荷，使用受到了较大的局限。高锰钢没有在高冲击状态下使用时，应用在球磨机上不能形成硬质层的条件，加工硬化不能充分发挥，致其耐磨性不理想，使用寿命降低。低合金钢具有较高的硬度、良好的韧性、较好的耐磨性等特点，但其生产较大型球磨机衬板工艺复杂，耗时费工，成本比较高，影响其全面推广应用。为了发挥不同耐磨材料的优良性能，双合金耐磨衬板利用不同金属进行在不同部位的复合，让衬板发挥出更加优良的耐磨性与高的硬度和韧性。
中国发明专利CN1962122A所公布的是一种双液双合金耐磨衬板的制备方法，其耐磨层与基体层都采用贝氏体钢，由于贝氏体钢在热处理过程中，其相变不易控制，生产体积小板体薄的衬板，能够容易控制组织相变，使组织与性能较好匹配，但生产体积大板体厚的衬板，板体热处理的淬透性不能很好的控制，导致耐磨层厚度不均，很难兼顾耐磨层与基体层的组织和性能。中国发明专利CN105856725A提出一种双合金贝氏体-马氏体复相耐磨衬板的制备方法，其基体层为65Mn弹簧钢，耐磨层为中碳低合金贝氏体钢，采用双液双金属分层铸造工艺，但文中只提出耐磨层的热处理方法，没有考虑基体层铸造后组织应力是否均匀，所提出的双层板体奥氏体化温度相差过大，基体层与耐磨层不能分离进行热处理，导致基体层与耐磨层过度界面处组织应力不均匀，在实际应用中容易产生裂纹，并且在生产较大球磨机衬板时，耐磨层与基体层板体较大，热处理过程耐磨层相变难以控制，对热处理设备要求较高。
本发明采用中碳低合金硅锰钢和基体高猛钢的镶嵌结合使衬板发挥出更加优良的耐磨性，在高锰钢加工硬化不完全的情况下，镶嵌中碳低合金硅锰钢贝氏体-马氏体复相组织具有良好的综合力学性能，能够抵抗磨料对高锰钢表面的高应力冲击，减少了高猛钢基体的磨损，提高了高锰钢形成硬质层的能力；在持续长时间高应力冲击工况下，高锰钢加工硬化层会产出较大的组织应力，可能出现金属表面裂纹或硬质层脱落，由于镶嵌中碳低合金硅锰钢在磨损表面的辅助，能够抵抗较大的高应力冲击，使高锰钢硬质层受到高应力冲击相对减少，降低了基体材料的磨损，提高了衬板的利用率，减少了维修次数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，包括带孔基体、嵌体，基体为高韧性耐冲击金属，嵌体为高硬度耐磨金属，将嵌体镶固在带孔基体的孔型结构中，嵌体与带孔基体高度比为1:2.4~1:4，带孔基体表面分布的孔的直径为12~52mm。
优选的，所述嵌体组分按重量百分比为：C：0.5%~0.6%，Si：2.0%~2.2%，Mn：2.5%~2.8%，P≤0.03%，S≤0.03%，Fe及不可避免的杂质；所述基体为高锰钢。优选的，嵌体为圆锥体或圆柱体。
本发明的另一目的在于提供所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）熔炼及浇铸：在中频感应炉中分别进行熔炼，分别铸造带孔基体和嵌体，带孔基体的浇铸温度为1580~1600℃，嵌体按照合金成分配比熔炼后浇铸温度为1480~1550℃，浇铸完成后覆砂进行保温；
（2）退火：待步骤（1）得到的两种铸坯在砂箱内的温度低于200℃后开箱，待铸坯空冷至室温，进行表面清砂去应力退火，退火温度为500~550℃，保温3~4小时后随炉冷却，待冷却至300~350℃出炉空冷；
（3）热处理：
将步骤（2）退火后的带孔基体铸坯加热至1050~1100℃，保温2~3h后，出炉入水，在水中绕不同的方向进行移动，水的体积为带孔基体预制体体积的8倍以上，待冷却至室温取出得到带孔基体；
将步骤（2）退火后的嵌体铸坯加热至900~920℃，保温0.5~1.5h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至300~330℃，再保温2~3h，然后冷却至室温，得到贝氏体-马氏体复相钢嵌体；
（4）镶嵌：将步骤（3）得到的贝氏体-马氏体复相钢嵌体镶固入步骤（3）得到的带孔基体中，并通过辅助方式进行加固，得到镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板。
优选的，步骤（4）所述辅助方式为焊接或粘接。
本发明的有益效果：
（1）本发明有效的发挥材料本身的优势，提高衬板抗冲击性、耐磨性、适宜高中低不同的冲击载荷，有效的减少高锰钢加工硬化效果不明显时发挥不出材料的特性及加工硬化组织应力过大使基体材料产生较大的缺陷。
（2）本发明有效的减少了高锰钢的用料，且在复杂冲击载荷工况下，贝氏体-马氏体复相钢嵌体能够抵挡复杂的冲击载荷，更有效的减少高锰钢基体的磨损。
（3）本发明提高了衬板的使用寿命，减少维修次数，生产工艺简单，降低了成本，衬板嵌体硬度为55~57HRC，冲击韧性13~15J/cm2，带孔基体的硬度为45~46HRC，冲击韧性19~21J/cm2，普通筒体高锰钢衬板不间断使用时长在4~5月，此种镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板不间断使用时长在6~7月。
附图说明
图1 为本发明镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板的结构示意图；
图中：1-嵌体，2-带孔基体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，如图1所示，带孔基体厚度为300mm，带孔基体表面分布的孔的直径为12mm，孔底面直径为8mm，孔深75mm，嵌体高度为75mm，嵌体为上大下小的圆柱体，上圆直径为10mm，下圆直径为6mm，带孔基体和嵌体的组分及重量百分比如表1所示，嵌体中剩余部分为铁及不可避免杂质。
表1
本实施例所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）熔炼及浇铸：根据嵌体与带孔基体的成分进行配料，在中频感应炉中分别进行熔炼，并针对上述带孔基体和嵌体尺寸要求分别制成砂型，之后分别浇铸成带孔基体和上大下小的圆柱形嵌体的铸件，带孔基体的浇铸温度为1580℃，上大下小的圆柱形嵌体的浇铸温度为1480℃，浇铸完成后在砂箱内覆砂进行保温；
（2）退火：待步骤（1）得到的两种铸坯在砂箱内温度低于200℃后，打开砂箱空冷至室温，然后进行表面清砂去应力退火，退火温度为500℃，保温3小时后随炉冷却，待冷却至300℃出炉空冷；
（3）热处理：
将步骤（2）退火后的带孔基体铸坯加热至1050℃，保温2h后，然后出炉尽快入水，让带孔基体预制体在水中绕不同的方向进行移动，并且水的体积为带孔基体预制体体积的10倍，待冷却至室温取出得到带孔基体；
将步骤（2）退火后的嵌体铸坯加热至900℃，保温0.5h后，直接进行交替水冷-空冷处理，水冷5s，再空冷7s，交替进行，冷却至300℃，保温箱保温2h，取出空冷至室温，得到上大下小圆柱形贝氏体-马氏体复相钢嵌体；
（4）镶嵌：将步骤（3）得到的上大下小的圆柱形贝氏体-马氏体复相钢嵌体镶固入步骤（3）得到的带孔基体的孔中，并通过焊接的辅助方式进行加固，得到镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板。
本实施例制备得到的镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，镶嵌结构硬度为55HRC，冲击韧性为13J/cm2；基体层硬度为46HRC，冲击韧性为19J/cm2，该镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板与普通筒体高锰钢衬板在同样的使用条件下不间断使用，本实施例制备得到的镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板可以使用6个月，而普通筒体高锰钢衬板只能使用4个月。
实施例2
本实施例所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，带孔基体厚度为300mm，带孔基体表面分布的孔的直径为22mm，孔底面直径为20mm，孔深100mm，嵌体高度为100mm，嵌体为上大下小的圆柱体，上圆直径为20mm，下圆直径为18mm，带孔基体和嵌体的组分及重量百分比如表2所示，嵌体中剩余部分为铁及不可避免杂质。
表2
本实施例所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）熔炼及浇铸：根据嵌体与带孔基体的成分进行配料，在中频感应炉中分别进行熔炼，并针对上述带孔基体和嵌体尺寸要求分别制成砂型，之后分别浇铸成带孔基体和上大下小的圆柱形嵌体的铸件，带孔基体的浇铸温度为1590℃，上大下小的圆柱形嵌体的浇铸温度为1500℃，浇铸完成后在砂箱内覆砂进行保温；
（2）退火：待步骤（1）得到的两种铸坯在砂箱内温度低于200℃后，打开砂箱空冷至室温，然后进行表面清砂去应力退火，退火温度为520℃，保温3.5小时后随炉冷却，待冷却至320℃进行出炉空冷；
（3）热处理：
将步骤（2）退火后的带孔基体铸坯加热至1100℃，保温2.5h后，然后出炉尽快入水，让带孔基体预制体在水中绕不同的方向进行移动，并且水的体积要求在带孔基体预制体体积8倍以上，待冷却至室温取出得到带孔基体；
将步骤（2）退火后的嵌体铸坯加热至910℃，保温1h后，直接进行交替水冷-空冷处理，水冷8s，再空冷12s，交替进行，冷却至320℃，保温箱保温2.5h，取出空冷至室温，得到上大下小圆柱形贝氏体-马氏体复相钢嵌体；
（4）镶嵌：将步骤（3）得到的上大下小圆柱形贝氏体-马氏体复相钢嵌体镶固入步骤（3）得到的带孔基体的孔中，并通过熔焊的辅助方式进行加固，得到镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板。
本实施例制备得到的镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，耐磨层硬度为57HRC，冲击韧性为15J/cm2；基体层硬度为45HRC，冲击韧性为20J/cm2；该镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板与普通筒体高锰钢衬板在同样的使用条件下不间断使用，本实施例制备得到的镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板可以使用7个月，而普通筒体高锰钢衬板只能使用5个月。
实施例3
本实施例所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，带孔基体厚度为300mm，带孔基体表面分布的孔的直径为52mm，孔底面直径为50mm，孔深125mm，嵌体高度为125mm，嵌体为上大下小的圆柱体，上圆直径为51mm，下圆直径为49mm，带孔基体和嵌体的组分及重量百分比如表3所示，嵌体中剩余部分为铁及不可避免杂质。
表3
本实施例所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）熔炼及浇铸：根据嵌体与带孔基体的成分进行配料，在中频感应炉中分别进行熔炼，并针对上述带孔基体和嵌体尺寸要求分别制成砂型，之后分别浇铸成带孔基体和圆锥形嵌体的铸件，带孔基体的浇铸温度为1600℃，嵌体浇铸温度为1550℃，浇铸完成后在砂箱内覆砂进行保温；
（2）退火：当步骤（1）得到的两种铸坯在砂箱内温度低于200℃后，打开砂箱空冷至室温，然后进行表面清砂去应力退火，退火温度为550℃，保温4小时后随炉冷却，待冷却至350℃出炉空冷；
（3）热处理：
将步骤（2）退火后的带孔基体铸坯加热至1080℃，保温3h后，然后出炉尽快入水，让带孔基体预制体在水中绕不同的方向进行移动，并且水的体积要求在带孔基体预制体体积8倍以上，待冷却至室温取出得到带孔基体；
将步骤（2）退火后的嵌体铸坯加热至920℃，保温1.5h后，直接进行交替水冷-空冷处理，水冷10s，再空冷15s，交替进行，冷却至330℃，保温箱保温3h，取出水冷至室温，得到圆锥形贝氏体-马氏体复相钢嵌体；
（4）镶嵌：将步骤（3）得到的圆锥形贝氏体-马氏体复相钢嵌体镶固入步骤（3）得到的带孔基体的孔中，并通过研泰耐磨金属修补剂进行粘接的辅助方式进行加固，得到镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板。
本实施例制备得到的镶嵌双金属贝氏体-马氏体复相耐磨衬板，耐磨层硬度为56HRC，冲击韧性为14J/cm2；基体层硬度为46HRC，冲击韧性为21J/cm2。该镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板与普通筒体高锰钢衬板在同样的使用条件下不间断使用，本实施例制备得到的镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板可以使用7个月，而普通筒体高锰钢衬板只能使用5个月。
Claims (5)
1.一种镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，其特征在于，包括带孔基体、嵌体，基体为高韧性耐冲击金属，嵌体为高硬度耐磨金属，将嵌体镶固在带孔基体的孔型结构中，嵌体与带孔基体高度比为1:2.4~1:4，带孔基体表面分布的孔的直径为12~52mm。
2.根据权利要求1所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，其特征在于，所述嵌体组分按重量百分比为：C：0.5%~0.6%，Si：2.0%~2.2%，Mn：2.5%~2.8%，P≤0.03%，S≤0.03%，Fe及不可避免的杂质；所述基体为高锰钢。
3.根据权利要求1所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板，其特征在于，嵌体为圆锥体或圆柱体。
4.权利要求1~3所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）熔炼及浇铸：分别进行熔炼，铸造带孔基体和嵌体，带孔基体的浇铸温度为1580~1600℃，嵌体按照合金成分配比熔炼，浇铸温度为1480~1550℃，浇铸完成后覆砂保温；
（2）退火：待步骤（1）得到的两种铸坯的温度低于200℃后开箱，待铸坯空冷至室温，进行表面清砂去应力退火，退火温度为500~550℃，保温3~4小时后随炉冷却，待冷却至300~350℃出炉空冷；
（3）热处理：
将步骤（2）退火后的带孔基体铸坯加热至1050~1100℃，保温2~3h后，出炉入水，在水中绕不同的方向移动，水的体积为带孔基体预制体体积的8倍以上，待冷却至室温取出得到带孔基体；
将步骤（2）退火后的嵌体铸坯加热至900~920℃，保温0.5~1.5h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至300~330℃，再保温2~3h，然后冷却至室温，得到贝氏体-马氏体复相钢嵌体；
（4）镶嵌：将步骤（3）得到的贝氏体-马氏体复相钢嵌体镶固入步骤（3）得到的带孔基体中，并通过辅助方式进行加固，得到镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板。
5.根据权利要求4所述镶嵌贝氏体-马氏体复相钢耐磨衬板的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述辅助方式为焊接或粘接。
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