CN102912246B - 用于圆锥破碎机衬套上的高锰钢复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于圆锥破碎机衬套上的高锰钢复合材料，所述高锰钢复合材料的化学成分按重量百分比包括：C：1~1.6%，Si：0.3~1%，Mn：17~19%，P：≤0.05%，S：≤0.05%，Cr：1.8~2.2%，其特征在于：Ti：0.05~0.5%，Na：0.1~1.0%，K：0.1~1.0%，其余为Fe。本发明加入Ti、Na、K形成了弥散分布的碳化物高硬相，使高锰钢复合材料的加工硬化能力、抗疲劳破坏能力提高。在使用过程中即使遇到铁块等夹杂异物也不会出现龟裂孔洞等现象，而且经冲击磨损后，衬套表面硬度HV=600~700，增强了衬套的抗挤压、剪切能力，提高了耐磨性。

Description

用于圆锥破碎机衬套上的高锰钢复合材料

技术领域

本发明涉及耐磨金属材料领域，具体涉及一种用于圆锥破碎机衬套上的高锰钢复合材料。

背景技术

耐磨金属材料被广泛地应用于工业生产的各个领域，而随着科学技术和现代工业的高速发展，由于金属磨损而引起的能源和金属材料消耗增加等所造成的经济损失相当惊人。近年来，对金属磨损和耐磨材料的研究，越来越引起国内外人们的广泛重视。

耐磨锰钢是应用最广的耐磨材料，其中高锰钢是英国人Hadfield于1882年发明的，其铸态组织是奥氏体+马氏体+碳化物，水韧处理后为单一奥氏体组织。高锰钢的主要特征是屈服强度低，高锰钢工件使用中易变形，冲击值达1960～2940kJ/m²，显示出极高的韧性，在强烈冲击工况下可产生加工硬化，从而具有良好的耐磨性。

研究和实践表明，添加一种以上的合金元素比添加单一的合金元素，在改善性能上起的作用更大。为使厚大铸件中心部位也为全奥氏体组织，提高加工硬化能力，发展了超高锰钢(Mn15、Mn17、Mn20、Mn25)。挪威的Staranger Stool公司开发了一种名为STROMHARD的超高锰钢，其锰含量为15%~23%，同普通高锰钢相比，其初始硬度提高了80~150HB，加工硬化性能明显增强, 有相当好的耐磨性。

近年来，人们已开始着手对具有稳定奥氏体组织的超高锰钢进行研究，主要是想在普通高锰钢标准成分的基础上通过提高碳、锰含量来达到改善锰钢组织，提高耐磨性的目的。

研究人员通过对Fe-C-Mn合金奥氏体的价电子结构进行分析发现，在含C、Mn原子的一个奥氏体晶胞内，C-Mn之间的结合力大于C-Fe之间的结合力。这样，锰原子可通过对碳原子运动的拖曳提高碳的固溶度，而且利用锰不易和碳原子生成碳化物，来降低碳原子的扩散能力，抑制碳化物的析出。因此，同时提高碳、锰含量，不但可以提高锰钢的加工硬化能力，而且可保持高韧性的奥氏体组织，使其在使用时具有良好的耐磨性。

当前，变质处理技术在开发新的超高锰钢钢种的试验中，已经取得了很大进展。科研人员在对超高锰钢变质处理前后的组织进行研究发现，在未变质处理的组织中，晶粒较粗大，晶界共晶碳化物的网状特征非常明显；在变质处理的组织中，晶粒明显细化，晶界碳化物的网状特征得到明显改善。这些成果的研发为改善超高锰钢组织并提高其耐磨性提供了新的途径。

圆锥破碎机是利用破碎腔内的空间变化来达到破碎矿石的目的。衬套在冲击负荷下承受挤压应力，矿石尖角部分压入衬套表面，而且矿石的硬度越高，压入越深。当动锥旋转时，又产生巨大的剪切应力，造成衬套表面出现大量的凿坑，犁皱及沟槽，这是衬套失效的主要形式之一。更有甚者的是，由于我国大部分矿山在圆锥破碎机使用过程中，都避免不了物料带有夹杂物，例如残留的铲齿，螺钉螺母等，此时衬套被反复挤压会出现龟裂，严重时出现孔洞。衬套表面出现凿坑，犁皱，沟槽等必然使衬套局部产生大量的塑性变形，由于挤压应力、剪切应力反复周期地作用在衬套表面，致使其局部的塑性变形也是多次反复的，因此必然导致材料的疲劳，脆性化，并出现裂纹，裂纹经过不断扩大，相互交割，最后导致大块剥落，由于衬套局部多次塑性变形，接触疲劳引起的破坏也是衬套失效的主要形式。

目前，圆锥破碎机是矿山生产过程中必不可少的主要设备。针对其衬套的服役条件，失效形式作了大量分析，可知衬套对材料的要求相当苛刻，它要求材料有较高的强度，以保证衬套表面具有抵抗矿石压入及切入的能力；但同时它又要求材料具有足够的韧性，以保证衬套能够吸收部分冲击力；它还要求材料具有良好的塑性，通过变形来松弛部分的应力，因此，迫切需要发明一种新材料满足圆锥破碎机的需求。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供了一种用于圆锥破碎机衬套上的高锰钢复合材料，通过目前国内外大量使用的衬套材料Mn18Cr2钢进行孕育处理的材料，在强化奥氏体基体的同时得到弥散分布的第二相硬质点，从而提高材料的加工硬化能力及抗疲劳破坏的能力，增加材料的耐磨性和衬套的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于圆锥破碎机衬套上的高锰钢复合材料，所述高锰钢复合材料的化学成分按重量百分比包括：C：1~1.6%，Si：0.3~1%，Mn：17~19%，P：≤0.05%，S：≤0.05%，Cr：1.8~2.2%， Ti：0.05~0.5%，Na：0.1-1.0%，K：0.1~1.0%，其余为Fe。

进一步地，所述高锰钢复合材料的化学成分按重量百分比包括：C：1~1.6%，Si：0.3~1%，Mn：17~19%，P：≤0.05%，S：≤0.05%，Cr：1.8~2.2%，：Ti：0.15~0.25%，Na：0.2~0.5%，K：0.2~0.5%，其余为Fe。

再进一步地，所述高锰钢复合材料的化学成分按重量百分比包括：C：1~1.6%，Si：0.3~1%，Mn：17~19%，P：≤0.05%，S：≤0.05%，Cr：1.8~2.2%，：Ti：0.15~0.25%，Na：0.2~0.5%，K：0.2~0.5%，其余为Fe。

本发明的原理：

单一ZGMn18Cr2的碳化物是(FeMn)3C型，其本身的硬度就不够高，更危险的是它很容易富集于晶界形成连续网状而降低材料的韧性，因此本项目的研究宗旨是寻找能形成更高硬度，又能分布均匀，且有利于热处理和细化晶粒的合金元素，当然还需考虑其经济性，钾（K），钠（Na），钛（Ti）是符合这些条件较为理想的几个元素，Ti的加入大部分形成Ti（CN），少部分形成TiC和TiN，它们固溶到奥氏体中的很少，其硬度很高，除提高耐磨性外还能起到固氮作用，在凝固过程中降低了气体的排放量，从而提高铸件的致密性，减少气孔、疏松等缺陷。

在Mn18Cr2的基础上添加Ti来作为强烈形成稳定碳化物元素，在其奥氏体基体上形成第二相TiC硬质点，阻碍位错滑移和晶体变形提高材料的硬化能力，减缓疲劳剥落从而提高耐磨性使矿石棱角压入深度浅，阻碍表面塑性变形和金属流动，将凿和碾挤的磨损方式变为滑动磨损，从而减少了大面积的金属流失。由于Ti的碳化物有较高的强度，大大提高了钢的耐磨性。

Ti的加入量取决于所要求的碳化物数量，经过理论计算，获得2~5%的碳化物量需加入0.1~0.6%的Ti，由于Ti的加入会夺取材料中所含的碳形成碳化物，所以材料中的碳量必须增加，以保证奥氏体基体中的碳量。

Na，K元素的使用可以起到改变夹杂物的形态作用，且使碳化物粒状均匀分布于奥氏体基体上，从而避免了韧性的大幅下降同时又提高了其耐磨性；净化晶界为块状、蠕虫状、粒状而不会形成网状，有利于提高材料的综合性能指标。实验证明适量的钾（K），钠（Na），钛（Ti）变质剂加入能显著提高Mn18Cr2的冲击韧性，同时能显著降低Mn18Cr2的裂缝倾向，且又不降低基体硬度，提高耐磨性。但过量加入则会适得其反。钾（K），钠（Na），钛（Ti）变质剂对Mn18Cr2冲击韧性的影响如图1。

C含量分析：加入合金后必须相应的增加碳量以形成更多的碳化物，当然不能过量，否则会降低材料的韧性，经过理论计算，C含量定在1~1.6%为佳。

Mn含量分析：由于碳化物的增加，为了利于热处理，需把Mn含量提高，以提高奥氏体的固溶能力和稳定性。经计算，在保证有效作用的前提下需控制Mn含量在17~19%之间。

本发明的有益效果在于：

1、本发明是分析衬套失效形式的基础上研制的高锰钢复合材料。该高锰钢复合材料通过简单的热处理即可得到奥氏体加弥散分布的粒状、团状碳化物；

2、本发明加入Ti、Na、K形成了弥散分布的碳化物高硬相，使高锰钢复合材料的加工硬化能力、抗疲劳破坏能力提高。在使用过程中即使遇到铁块等夹杂异物也不会出现龟裂孔洞等现象，而且经冲击磨损后，衬套表面硬度HV=600~700，增强了衬套的抗挤压、剪切能力，提高了耐磨性。

3、使用本发明的高锰钢复合材料制造圆锥破碎机用衬套，破碎中等硬度矿石，在相同工况条件下，高锰钢复合材料衬套使用寿命较之前提高了30%以上。本发明的高锰钢复合材料用于强冲击磨损工况下的易损件制造是比较理想的耐磨材料。

附图说明

图1为高锰钢复合材料中变质剂与冲击韧性的关系示意图；

图2为高锰钢复合材料冲击磨损后与Mn18Cr2衬套服役后的残体测得的硬化曲线；

图3为高锰钢复合材料的晶内复合碳化物的SEM（1000*）的金相图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

本发明实施例的制备工艺为：

本发明的制备工艺为：首先为最常规的炉外精炼，然后在热处理环节采用1100℃*4小时，水淬+250℃*4小时，空冷的工艺流程方法。

表1实施例与对比例的化学成分（%）

钢种	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	Na	K
										实施例1	1	1.0	19	0.05	0.01	1.8	0.5	0.1	1
实施例2	1.6	0.3	17	0.01	0.03	2.0	0.05	1	0.1
										实施例4	1.2	0.8	18	0.04	0.04	2.2	0.25	0.5	0.2
实施例5	1.4	0.5	17	0.03	0.05	1.9	0.15	0.2	0.3
										实施例6	1.3	0.9	18	0.02	0.024	2.1	0.20	0.3	0.3
实施例7	1.2	0.7	18	0.05	0.03	2.0	0.3	0.8	0.3
										Mn18Cr2	1.2	0.7	18	0.05	0.05	2.0

对实施例6中得到高锰钢复合材料进行分析

1、对高锰钢复合材料与Mn18Cr2进行对比分析

1.1  冲击韧性及硬度试验数据对比

表2

1.2  耐磨性试验

耐磨性是零件在服役条件下的特征，在实验室条件下利用模拟试验机模拟现场工况条件。试验结果见表3、表4。

表3

表4

从试验数据来看，加入Ti、Na、K元素后，高锰钢复合材料耐磨性提高了30%以上。但是评定材料耐磨性的高低，还需对被测材料的磨损后硬度及硬度沿截面的变化进行测定（图2和表5）：

表5

高锰钢复合材料冲击磨损后试样表面显微硬度为HV724，破碎普氏硬度为12~14的铁矿石后衬套残体的硬度为738，高锰钢复合材料硬化层深度明显增加。

在电镜下观察服役后衬套的亚表层情况，发现Mn18Cr2和高锰钢复合材料的塑性变形的滑移方式不同：前者的滑移线呈平行状态，位错运动的阻力小，位错堆积成规则的位错穴，位错穴作为潜在的显微裂纹存在于亚表层中；而高锰钢复合材料的滑移线呈弯曲状，证明位错运动遇到TiC硬质点的阻碍而发生弯曲，位错绕过硬质点留下位错环，不能形成位错穴这种潜在裂纹，因此在Mn18Cr2基础上加入Ti、Na、K后，提高了材料的加工硬化能力，同时滑移线的弯曲又可以提高材料的抗接触疲劳破坏的能力。

2、对高锰钢复合材料进行组织分析

2.1  Ti对组织的影响

高锰钢复合材料水韧处理后的组织为奥氏体，基体为合金奥氏体，粒状相为TiC或Ti（CN）合金渗碳体，表6为对高锰钢复合材料显微硬度明细：

表6

2.2  碳化物的定量分析

材料的耐磨性不仅取决于基体组织，而且与第二相的性质、数量、分布状态以及尺寸大小有关。对高锰钢复合材料中碳化物是用定量法测定，碳化物含量在3~5%（详见金相照片图3）。

2.3  碳化钛或碳氮化钛与基体的结合

第二相能否起到提高耐磨性的作用，还应看该相与基体是否牢固结合。高锰钢复合材料中碳化物牢固地镶嵌在奥氏体基体基础上取决于基体强度的提高。Mn18Cr2加入Na、Ti、K后有较大的加工硬化能力，它的表面层、亚表面层的显微硬度HV约为600~750之间，并且有较深的硬化层，显微硬度测定表面，靠近碳化物处显微硬度HV955，距离较远处显微硬度HV657，而基体显微硬度HV334。由此可知，越靠近碳化物，基体强度越高，这样必然对碳化物起到牢固的镶嵌作用，在对高锰钢复合材料制作的衬套残体进行金相观察时，未发现碳化物脱落。

3  使用高锰钢复合材料制作的产品与进口衬套进行对比

以下是高锰钢复合材料制作的产品相关数据资料及同等工况条件下与原进口产品的对比测试数据。

运行情况分析

表7

表8

以上数据由现场试验记录和选矿车间提供

经对比，可知在同等工况条件下，本发明高锰钢复合材料制作的衬套在使用寿命方面超过原进口产品100小时以上，过矿量相比原产品增加，提高了矿山生产的持续性；同时由于本发明研制的产品重量相对原进口产品较轻，因而平均耗电量比原进口产品相应降低8%左右。

技术指标分析

表9 高锰钢复合材料制作的衬套（2012年2月）

表10 原进口衬套（2011年2月）

以上数据由现场试验记录和选矿车间提供

经对比，可知在同等工况条件下，使用高锰钢复合材料制作的产品破碎的矿石在进入下游球磨机后的作业指标达到了矿山使用原进口产品的标准，保持了矿山的生产效率，保证了矿山的正常生产工作。

Claims (1)

1.一种用于圆锥破碎机衬套上的高锰钢复合材料，其特征在于：所述高锰钢复合材料的化学成分按重量百分比为：C：1.3％，Si：0.9％，Mn：18％，P：0.02％，S：0.024％，Cr：2.1％，Ti：0.20％，Na：0.3％，K：0.3％，其余为Fe。