CN100489139C - 一种高强度耐磨铸钢衬板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度耐磨铸钢衬板及其制造方法属于金属耐磨材料技术领域。衬板其化学成分是(重量%)：0.25-0.45 C，1.0-1.8 Si，1.0-2.0 Mn，0.8-1.5 Cr，0.003-0.008 B，0.02-0.08 Al，0.04-0.15 Ti，0.02-0.10 La，0.02-0.10 Ce，0.02-0.08 Ba，0.02-0.10 Ca，其余为Fe和不可避免的微量杂质，其中3.5＜Si+Mn+Cr＜4.5，0.05＜La+Ce＜0.18。本发明衬板利用电炉便可生产，采用砂型铸造，衬板抗拉强度高，达到1450-1600MPa，硬度达到50-55HRC，具有良好的耐磨性，冲击韧性达到65-80J/cm²，使用中不断裂，不剥落，使用性能明显优于Mn13高锰钢衬板，生产工艺简单，以钢屑为主要原料，因而生产成本低。使用本发明衬板可以提高球磨机作业率，降低物料研磨成本，具有很好的经济效益。

Description

一种高强度耐磨铸钢衬板及其制造方法

技术领域

本发明为一种高强度耐磨铸钢衬板及其制造方法，属于金属耐磨材料技术领域。

背景技术

冶金矿山、水泥建材、电力、化肥、煤炭、化工等行业广泛使用球磨机研磨物料，其中衬板是球磨机中的主要消耗件，其质量既影响磨机生产作业率，也影响物料研磨成本。常用的磨机衬板材料主要有两大类，一类是奥氏体高锰钢，其韧性高，原始硬度低，使用过程中主要依靠奥氏体加工硬化来提高其硬度，在充分加工硬化后，其硬度由原始HB200提高到HB400—500，在高冲击载荷条件下使用取得很好的使用效果，但在中小冲击载荷条件下使用，奥氏体不能充分加工硬化，其耐磨性差。另一类是合金白口铸铁，其硬度高，韧性低，在无冲击载荷下使用效果好，但在有冲击载荷条件下使用易出现碎裂现象。另外，近年来由于我国钢铁工业的飞速发展，导致废钢和铁合金供应日趋紧张，价格也不断上涨，因此高锰钢和合金白口铸铁生产成本不断上升，尽快开发低成本、高性能的磨机衬板材料，满足广大球磨机用户的正常使用要求，无疑具有极其重要的意义。中国发明专利CN1080327公开了一种低合金球磨机耐磨衬板及制造工艺，其特征在于各材料成分(重量％)的含量是：C 0.35～0.5％，Cr 0.8～1.5％，Si 0.6～1.2％，Mo 0.3～0.5％，Mn 0.6～1.4％，Cu 0.5～1％，1#RE 0.01～0.1％，余量为Fe。该发明的主要特点是同时采用1#RE变质处理和提高Cu含量，提高了1#RE的变质效果，起到了细化晶粒、净化晶界、提高淬透性和组织及性能均匀性的作用，由于含有价格昂贵的钼和铜，因此，生产成本较高。另外，仅加入稀土，净化和细化效果并不太好，因此该发明衬板材料韧性较低，冲击韧性α_k>18J/cm²。中国发明专利CN1165203还公开了一种多元合金耐磨耐蚀高韧性衬板及其制造方法，衬板的化学成分为(按重量％计)C＝0.45—0.65，Si＝0.5—1.1，Mn＝1.6—3.0，Cr＝0.5—1.2，B＝0.001—0.0025，Ti＝0.1—0.2，P≤0.04，S≤0.04，Re＝0.1，余量为Fe。按该成分铸成衬板，在780—830℃退火再加热到820—860℃保温一定时间后风冷淬火到230—330℃进行余热保温16—24h，在250—270℃、4～6h回火。该衬板碳含量较高，韧性低，脆性大，另外，硼加入量太少，对改善衬板淬透性不利，此外，热处理工艺复杂，周期长，能耗高。中国发明专利CN101054652还公开一种球磨机衬板化学成分(重量百分比)为：C 0.6-0.8％、Si 0.3-0.8％、Mn 0.3-0.8％、Cr 2.0-4.5％、Ni 0.2-2.0％、Mo 0.1-0.8％、S<0.04％、P<0.04％、余量为Fe。其制造工艺是：将球磨机衬板加热到860-960℃，保温2-3小时，然后淬入水中冷却，使其温度快速下降，在工件表面温度下降至580-680℃时，从水中取出，再在强制对流的空气中空冷至室温，之后进行480-520℃回火，自然冷却即得成品。该发明的球磨机衬板具有很高的硬度、强度，淬透性较好，耐磨性高，但含有价格昂贵的钼和镍，其成本为高锰钢的1.5倍。且碳含量较高，水淬时易开裂。

发明内容

本发明目的是提供一种高强度耐磨铸钢衬板的化学成分及其制造方法。本发明的硬度和冲击韧性介于高锰钢和合金白口铸铁之间。通过合理的成分设计，在水冷淬火条件下，得到板条马氏体加微量残留奥氏体，这种马氏体钢具有良好的冲击韧性和较高的硬度，其硬度为50—55HRC；冲击韧性α_k＝60—80J/cm²，抗拉强度σ_b＝1450—1600MPa。其显微组织为：板条马氏体+微量残留奥氏体，残留奥氏体厚度小于80nm。本发明主要的原材料有钢屑和少量廉价铁合金，成本低于高锰钢，在中等冲击载荷下耐磨性优于高锰钢。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明高强度耐磨铸钢衬板，其特征在于，衬板的化学组成成分重量百分比为：0.25-0.45C，1.0-1.8Si，1.0-2.0Mn，0.8-1.5Cr，0.003-0.008B，0.02-0.08Al，0.04-0.15Ti，0.02-0.10La，0.02-0.10Ce，0.02-0.08Ba，0.02-0.10Ca，其余为Fe和不可避免的微量杂质，并且3.5<Si+Mn+Cr<4.5，0.05<La+Ce<0.18。

本发明衬板用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将钢屑、增碳剂和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1610～1640℃，先加入铝脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂，随后出炉；

③将钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用砂型铸造衬板，浇注温度1500～1540℃；

⑤浇注2～6小时后开箱空冷衬板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥衬板在880～950℃进行淬火，保温时间3～6小时，然后水冷，再加热至180～240℃进行回火，保温时间4～10小时，炉冷至小于150℃后空冷。

本发明效果：

①用本发明制造的衬板，生产工艺简便，其显微组织为：板条马氏体+微量残留奥氏体，残留奥氏体厚度小于80nm。衬板硬度为50—55HRC；冲击韧性α_k＝65—80J/cm²，抗拉强度σ_b＝1450—1600MPa，具有优良的耐磨性。

②本发明衬板主要的原材料有钢屑和少量廉价铁合金，不含价格昂贵的合金元素，合金加入量较少，具有较低的生产成本，成本比高锰钢低8—15％。

③本发明衬板经含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂处理及含钛、硼和镧铈混合稀土复合变质处理后，夹杂物少，钢水流动性好，具有良好的铸造成形性能。

④本发明衬板的使用寿命比Mn13高锰钢衬板提高2.0倍以上。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

用500公斤中频感应电炉熔炼钢水，其制造工艺步骤是：

①将钢屑、增碳剂和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1634℃，先加入铝脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂，随后出炉；

③将钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用砂型铸造衬板，浇注温度1528℃；

⑤浇注4小时后开箱空冷衬板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥衬板在920℃进行淬火，保温时间4小时，然后水冷，再加热至210℃进行回火，保温时间8小时，炉冷至小于150℃后空冷。本发明衬板的化学成分见表1，衬板机械性能见表2。

表1  衬板化学成分

 

元素	C	Si	Mn	Cr	B	Al	Ti
								成分	0.41	1.38	1.70	1.09	0.004	0.052	0.114
元素	La	Ce	Ba	Ca	S	P	Fe
								成分	0.037	0.066	0.039	0.046	0.018	0.031	余量

表2  衬板机械性能

 

硬度HRC	冲击韧性J/cm<sup>2</sup>	抗拉强度MPa
			53.7	71.5	1553.1

实施例2：

用1000公斤中频感应电炉熔炼钢水，其制造工艺步骤是：

①将钢屑、增碳剂和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1624℃，先加入铝脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂，随后出炉；

③将钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用砂型铸造衬板，浇注温度1517℃；

⑤浇注3小时后开箱空冷衬板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥衬板在895℃进行淬火，保温时间5小时，然后水冷，再加热至195℃进行回火，保温时间6小时，炉冷至小于150℃后空冷。本发明衬板的化学成分见表3，衬板机械性能见表4。

表3  衬板化学成分

 

元素	C	Si	Mn	Cr	B	Al	Ti
								成分	0.31	1.64	1.39	1.20	0.005	0.039	0.088
元素	La	Ce	Ba	Ca	S	P	Fe
								成分	0.068	0.071	0.069	0.034	0.020	0.035	余量

表4  衬板机械性能

 

硬度HRC	冲击韧性J/cm<sup>2</sup>	抗拉强度MPa
			51.3	77.4	1494.8

实施例3：

用750公斤中频感应电炉熔炼钢水，其制造工艺步骤是：

①将钢屑、增碳剂和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1638℃，先加入铝脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂，随后出炉；

③将钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用砂型铸造衬板，浇注温度1536℃；

⑤浇注6小时后开箱空冷衬板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥衬板在930℃进行淬火，保温时间4小时，然后水冷，再加热至215℃进行回火，保温时间9小时，炉冷至小于150℃后空冷。本发明衬板的化学成分见表5，衬板机械性能见表6。

表5  衬板化学成分

 

元素	C	Si	Mn	Cr	B	Al	Ti
								成分	0.25	1.04	1.93	0.87	0.007	0.147	0.049
元素	La	Ce	Ba	Ca	S	P	Fe
								成分	0.020	0.094	0.075	0.022	0.018	0.037	余量

表6  衬板机械性能

 

硬度HRC	冲击韧性J/cm<sup>2</sup>	抗拉强度MPa
			50.8	79.1	1467.3

取本发明衬板进行装机使用，结果如下：

使用条件φ2.7m×3.6m球磨机上研磨铁矿石，磨机转速22.4rpm，铁矿石矿浆pH：4.5～6.5，矿石硬度f：14～18，最大磨球直径<120mm，入磨矿石粒度0～40mm。与高锰钢衬板同机试验，磨机工作6个月后，高锰钢衬板的磨损量平均达到29.6mm，而本发明衬板的最大磨损量仅为9.1mm，本发明衬板磨损均匀，使用中无剥落、断裂现象出现，其耐磨性比Mn13高锰钢衬板提高2倍以上。另外，本发明衬板在φ3.5m×8.1m球磨机上用于研磨水泥熟料，使用寿命比高锰钢衬板提高2.5倍以上。

本发明衬板以钢屑为主要原料，另外加入适量Si、Mn和Cr合金元素，还加入少量B、Al、Ti、La、Ce、Ca和Ba等元素，不含价格昂贵的镍、钼、铜、钒等合金元素，原材料来源丰富，价格低廉，本发明衬板具有较低的生产成本，比高锰钢衬板低8—15％，且使用寿命长，比Mn13高锰钢衬板提高2倍以上。本发明衬板使用安全、可靠，市场竞争力强，推广应用具有显著的经济和社会效益。

Claims (2)

1、一种高强度耐磨铸钢衬板，其特征在于，衬板的化学组成成分重量百分比为：0.25-0.45C，1.0-1.8Si，1.0-2.0Mn，0.8-1.5Cr，0.003-0.008B，0.02-0.08Al，0.04-0.15Ti，0.02-0.10La，0.02-0.10Ce，0.02-0.08Ba，0.02-0.10Ca，其余为Fe和不可避免的微量杂质，并且3.5<Si+Mn+Cr<4.5，0.05<La+Ce<0.18。

2、如权利要求1所述的衬板制造方法，其特征在于，用电炉生产，其工艺步骤是：

①将钢屑、增碳剂和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1610～1640℃，先加入铝脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂，随后出炉；

③将钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用砂型铸造衬板，浇注温度1500～1540℃；

⑤浇注2～6小时后开箱空冷衬板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；

⑥衬板在880～950℃进行淬火，保温时间3～6小时，然后水冷，再加热至180～240℃进行回火，保温时间4～10小时，炉冷至小于150℃后空冷。