CN103114245A

CN103114245A - 一种耐磨衬板及其制备方法

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Publication number: CN103114245A
Application number: CN2013100516862A
Authority: CN
Inventors: 王曙光
Original assignee: NINGBO HUADIAN CAST STEEL CO Ltd
Current assignee: NINGBO HUADIAN CAST STEEL CO Ltd
Priority date: 2013-02-03
Filing date: 2013-02-03
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-02-03
Also published as: CN103114245B

Abstract

本发明公开了一种耐磨衬板及其制备方法，它解决了现有技术中耐磨衬板成本高等问题。本发明的耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：C：0.25％-0.30％，Mn：0.70％-0.90％，Si：0.30％-0.60％，Cr：0.8％-1.10％，Mo：0.15％-0.25％，Al：0.015％-0.050％，Zr：0.025％-0.050％，Cu≤0.50％，Nb≤0.020％，Sn≤0.020％，余量为Fe以及不可避免的杂质。本发明还提供了制备上述耐磨衬板的制备方法，其方法包括以下步骤：配比，铸造，浇冒口切割，热处理。本发明的耐磨衬板成本低，机械性能好，使用寿命长。

Description

一种耐磨衬板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨衬板，具体涉及一种耐磨衬板及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

我国每年要消耗磨机衬板约20万吨，破碎机衬板约20万吨，价值近20亿元，因此降低衬板材料的损耗具有十分重要的经济意义。国内外衬板材料的生产和应用经过了30多年的发展，先后经历了高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁、高铬铸铁到奥氏体高锰钢和各种通过淬火回火工艺冶炼的中低合金钢等几种材质的发展阶段。在所述几种材质中，高铬铸铁的耐磨性好但韧性差。奥氏体高锰钢的韧性高，原始硬度低，在使用过程中主要依靠奥氏体加工硬化来提高其硬度，在高冲击载荷条件下可以取得很好的使用效果，但在中小冲击载荷条件下使用，奥氏体不能充分硬化，其耐磨性差。

中低合金钢的硬度可在很大的范围内调整，但一般中低合金钢制得的耐磨衬板韧性较低。为改善耐磨衬板的韧性，现有技术均通过在耐磨衬板合金钢中掺杂稀有元素镍，如中国专利申请文件(公开号：CN102443743A)公开了一种多元合金耐磨钢固定锲，其合金成分为：C：0.6-0.68％、Cr：0.8-1.2％、Ni：0.15-0.25％、Mn：1.2-1.6％、Mo：0.2-0.35％、Cu：0.3-0.4％、Si：0.2-0.3％、P和S均不大于0.035％、Re：1.8-2.2％，余量为Fe和不可避免的杂质，该耐磨衬板合金钢为铬镍钼合金钢体系，含有较多的镍、钼，导致成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种可降低成本的耐磨衬板及该耐磨衬板的制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种耐磨衬板，其组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.25％-0.30％，锰(Mn)：0.70％-0.90％，硅(Si)：0.30％-0.60％，铬(Cr)：0.8％-1.10％，钼(Mo)：0.15％-0.25％，铝(Al)：0.015％-0.050％，锆(Zr)：0.025％-0.050％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为477-514HB，抗拉强度≥1517Mpa，屈服强度≥1240Mpa，延伸率≥7％，断面率≥9％，在温度为-40℃时冲击韧性≥15J/cm²。

相较于现有技术，本发明中的耐磨衬板在不引入稀缺资源镍的基础上，通过优化各成分的配比及引入价格较为低廉的锆、铝元素，从而得到低成本，硬度、强度、韧性都较高的耐磨衬板。

所述杂质中，硫(S)的质量百分比小于等于0.025％，磷(P)的质量百分比小于等于0.025％。

本发明耐磨衬板中碳含量为0.25-0.30％。在耐磨衬板中碳元素可与铁、铬形成稳定的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，也可与Fe、Mn形成碳化物，并通过淬火提高耐磨衬板的耐磨性和硬度，同时又可保证足够的塑性、韧性及其耐温性。若当C含量低于0.20％时，碳化物变少，耐磨性不好，而当C含量超过0.30％时，耐磨衬板的机械强度尤其是韧性显著变差。而碳元素的质量百分比控制在0.25-0.30％，可使碳与其他元素产生协同作用，使本发明中的耐磨衬板具有较好的综合性能。

锰是耐磨衬板中主要的强化元素，在耐磨衬板中主要起脱氧除气和提高淬透性等作用。锰在耐磨衬板中可与铁生成(FeMn)₃C型碳化物，降低奥氏体分解速度，从而大大提高耐磨衬板的淬透性。锰在耐磨衬板中脱氧其含量须在0.6％以上，但若锰含量过高，锰溶于奥氏体中会降低马氏体转变温度进而使淬火组织中残余的奥氏体量增多从而影响耐磨衬板的耐磨性。在保证奥氏体组织的前提下，锰含量的降低会导致奥氏体稳定性略有下降，但耐磨衬板的耐磨性在高冲力的作用下会显著提高，加工硬度也显著增强。在耐磨衬板中添加锰元素还可细化材料组织，提高再结晶温度，从而增强耐磨衬板在使用过程中因摩擦产生高温时的耐热性。因此本发明将锰含量控制在0.7％-0.9％，既保证了奥氏体组织，又增加了奥氏体的硬度和强度，还可大幅提高耐磨衬板的耐磨性、耐温性，以弥补低碳的不足。

硅元素溶解于铁素体中，能强烈抑制和缓解过冷奥氏体的碳化物分解，提高奥氏体稳定性。其含量与锰元素含量配合，能有效改善耐磨衬板的韧性，提高耐磨衬板的强度和硬度。硅在耐磨衬板中还可改变碳化物形貌，当硅含量较低时，如w(Si)＝0.2％，碳化物常呈针片状，但当硅的质量分数增加至0.8％时，碳化物则呈块状。因此该耐磨衬板将硅的质量百分比严格控制在0.30-0.60％，使本发明中的耐磨衬板具有较好的综合性能。否则即便耐磨衬板的抗氧化能力在使用过程中有所提高但极易出现尺寸较大的块状碳化物，从而损害耐磨衬板的力学性能，尤其是耐磨衬板的脆性和韧性。

本发明耐磨衬板中的铬含量为0.80-1.10％。铬原子的半径为2.8·10^-10m，而铁原子半径为2.7·10^-10m，两者十分相近，铬与铁的亲和力比其他元素强，容易与碳、铁结合形成(Cr，Fe)₃C和少量(FeCr)₇C₃溶入固溶体中，可强化基体，提高耐磨衬板的淬透性。若Cr含量过低，耐磨衬板的耐腐蚀性不佳，若Cr含量过高，耐磨衬板的韧性不佳。本发明将铬元素的质量百分比控制在0.80-1.10％，可使铬与其他元素产生协同作用，从而使本申请中的耐磨衬板具有较好的综合性能。

将细化晶粒的钼元素加入该耐磨衬板中，可起三方面作用：

一、钼能够有效地抑制渗碳体聚集，导致钼的碳化物以极细小尺寸弥散分布在奥氏体中，同时可弥散强化作用，强化奥氏体组织，使耐磨衬板的强度和硬度增加，形变硬化性能增强，从而改善抗磨能力。二、钼分布在碳化物中可有效抑制耐磨衬板冷却过程中晶界碳化物的析出，耐磨衬板中加铬可使晶界碳化物析出倾向大大提高，钼与铬两种元素的复合添加可使两种合金元素的有益作用同时发挥出来。三、耐磨衬板中添加钼后，针状碳化物变短，数量明显减少，析出温度提高，可使耐磨衬板的脆化温度提高到350℃左右。经实验可知当加入0.15-0.25％钼时，耐磨衬板的耐磨性提高20-30％，强度、塑性和冲击韧性也提高20％-30％。与锰配合加入耐磨衬板中更能有效地发挥钼与锰在耐磨衬板中的作用，提高耐磨衬板的耐磨性、硬度、淬透性等。

本发明耐磨衬板中铝元素的含量为0.015-0.050％。耐磨衬板中添加的铝可以和杂质中的磷形成熔点约为1800℃的化合物，且该化合物主要在奥氏体晶内，可以减少奥氏体晶界上磷共晶的数量，从而减轻磷的有害作用，提高耐磨衬板的力学性能。但若铝加入量过多时，耐磨衬板铸造性能变差，铸件组织中夹杂物变多，从而会使耐磨衬板的晶粒粗化，恶化耐磨衬板的力学性能，耐磨性也相应下降。

本发明在耐磨衬板中加入质量百分比为0.025-0.050％的锆。本发明通过添加硅化锆的方式获得所述锆元素，所述硅化锆为ZrSi、ZrSi₂、ZrSi₃中的一种。加入的锆能使耐磨衬板内部组织致密，细化奥氏体晶粒，是耐磨衬板中强有力的脱氧、除氮、去硫元素。锆不仅能与碳形成碳化锆，还可与硫结合形成硫化物，从而降低耐磨衬板的热脆性，降低应变时效现象，提高耐磨衬板的低温韧性。在耐磨衬板中加千分之一的锆，就可大大提高耐磨板的硬度和强度。该耐磨衬板中将锆元素的质量百分比控制在0.025-0.050％，可使锆与其他元素产生协同作用，使本发明中的耐磨衬板具有较好的综合性能。

本发明耐磨衬板中加入铜元素，使耐磨衬板即具有较高的强度、韧性和导热性，又具有较高的塑性和大气腐蚀性。若铜加入量超过0.5％，则会生成富铜相和微裂纹，耐磨衬板的塑性会因此降低。因此本发明将铜的含量控制在0.50％以下。

本发明耐磨衬板中因为铌的存在铸态组织明显细化，水韧处理后，在奥氏体基体上弥散分布着形状规则的NbC质点，粒度在10μm以下。耐磨衬板在服役时，奥氏体受冲击后产生滑移线，这些滑移线必须绕过铌质点，从而阻碍滑移和塑性变形，提高耐磨衬板强度性能，特别是屈服强度提高近1倍。耐磨衬板在受到冲击负荷时，强化速度提高很快，因而提高耐磨衬板的耐磨性。但若铌加入的量过多，会出现粗大的含铌化合物，反而降低耐磨衬板的强韧性。

在本发明耐磨衬板中加入锡，可提高耐磨衬板的强度、抗蚀性能。

本发明耐磨衬板中将硫控制在0.025％以内用以降低耐磨衬板的热脆性，提高耐磨衬板的延展性和韧性。

磷和硫相似，对耐磨衬板的耐磨性和机械性能均有特别有害的影响。本发明将磷的含量控制在0.025％以内，用以提高耐磨衬板的塑性、韧性、耐磨性，每0.02％的P平均降低冲击韧性1.98J/cm²，但当磷从0.07％-1.0％降到0.02％-0.04％，耐磨衬板的塑性、韧性、耐磨性均可提高40％-50％，铸件裂纹也可大大减少，还可避免沿晶界析出共晶磷化物。

进一步地，所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.25％，锰(Mn)：0.70％，硅(Si)：0.30％，铬(Cr)：0.8％，钼(Mo)：0.15％，铝(Al)：0.015％，锆(Zr)：0.025％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为500HB，抗拉强度为1520Mpa，屈服强度为1256Mpa，延伸率为7％，断面率为9％，在温度为-40℃时冲击韧性为19J/cm²。

进一步地，所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.28％，锰(Mn)：0.80％，硅(Si)：0.45％，铬(Cr)：1.0％，钼(Mo)：0.20％，铝(Al)：0.025％，锆(Zr)：0.035％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为509HB，抗拉强度为1530Mpa，屈服强度为1248Mpa，延伸率为8％，断面率为9％，在温度为-40℃时冲击韧性为16J/cm²。

进一步地，所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.30％，锰(Mn)：0.90％，硅(Si)：0.60％，铬(Cr)：1.1％，钼(Mo)：0.25％，铝(Al)：0.050％，锆(Zr)：0.050％，铜(Cu)0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为512HB，抗拉强度为1525Mpa，屈服强度为1250Mpa，延伸率为7％，断面率为9％，在温度为-40℃时冲击韧性为19J/cm²。

本发明还提供一种如上述耐磨衬板的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、原料配制：按照所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比配制原料。

S2、铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、浇注成型，得到成型衬板。

S3、浇冒口切割：将上述成型衬板预热后热割、热刨。

S4、热处理：将上述热刨后的成型衬板进行表面打磨处理，然后升温至950-1000℃时进行正火。待温度为900-950℃时进行淬火，淬火后保温，然后出炉空冷。在温度为190-220℃的条件下回火，回火后保温，即得到成品耐磨衬板。

热处理是提高与改善耐磨衬板力学性能的重要工序。在热处理前，耐磨衬板存在较大内应力，气割时容易产生裂纹，为避免裂纹，需要采用冒口热割。热割时需注意氧气切割时不能割进铸件，冒口根部用碳弧气棒刨平。电弧气刨利用碳电极与铸件之间产生高达6000-7000℃的电极来熔化金属，借助压缩空气将熔融金属液吹除，以达切除铸件浇冒口。本发明采用的淬火加热温度不同于常规亚共析钢的淬火温度，按常规设定淬火温度最高为900℃，但淬火效果并不理想。耐磨衬板在加热过程中，在400-700℃时，碳化物不断地析出和长大，700-900℃时碳化物逐渐溶解，加热至900℃以上时，即使晶界上残余的碳化物也会全部溶解。由于难溶的碳化物的存在，有必要提高其固溶温度，将淬火温度提高到900-950℃，耐磨衬板可达到最佳的韧性和塑性。提高淬火的温度还有利于成分的均匀化，进一步减少高碳微区，增大高位错板条壮马氏体和薄膜状残余奥氏体的数量，从而提高耐磨衬板的强韧性，增强抵抗裂纹扩展的能力，减轻应力集中，改善韧性。

在上述耐磨衬板的制备方法中，作为优选，在步骤S1中，通过添加硅化锆的方式获得所述锆元素，所述硅化锆为ZrSi、ZrSi₂、ZrSi₃中的一种。

在上述耐磨衬板的制备方法中，作为优选，在步骤S2中，所述成型衬板浇铸成型时的温度为1500-1530℃。

浇注温度对钢的晶粒度影响巨大，低温浇注可获得细晶结构，还可提高韧度。但是过低的浇注温度打乱了铸件的顺序凝固方式，会出现同时凝固，使浇注时卷入的气体和杂质得不到排出，耐磨衬板铸件得不到应有的补缩，产生严重的缩松，甚至出现内裂纹。

在上述耐磨衬板的制备方法中，作为优选，在步骤S3中，所述成型衬板预热时的预热温度为300-500℃，预热时间为3-5小时。

在上述耐磨衬板的制备方法中，作为优选，在步骤S4中，所述正火温度为960-990℃，正火保温时间为2-4小时。淬火温度为910-950℃，淬火保温时间为2-4小时。回火温度为200-220℃，回火保温时间为2-4小时。

若热处理中加热温度偏低或保温时间不足，碳化物不能充分溶解，常常聚集在奥氏体的晶界上，而若热处理中加热温度偏高，奥氏体晶粒则会长大。

与现有技术相比，本发明通过配置特定组分和质量百分比的原料，并通过特殊的制备方法得到本发明的耐磨衬板。该耐磨衬板的机械性能好，在具有较高耐磨性与硬度的同时，又具有较高的韧性、抗拉强度、屈服强度、伸长率等，使用寿命更长。此外，本发明衬板中不含有镍元素，钼、锰等合金元素含量不高，与低碳高合金钢衬板相比，贵重元素含量低，耐磨板的成本明显降低，其性价比较高。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

表1：实施例1-3用于制备耐磨衬板的组成元素和质量百分比

实施例1

按表1实施例1确定耐磨衬板的组成成份及其质量百分比，耐磨衬板的组成成份及其质量百分比对衬板的机械性能有一定的影响，其制备工艺对最终形成的耐磨衬板的机械性能也有较大的影响。

按以下方法制备耐磨衬板：

原料配制：按照按表1中实施例1所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比配制原料。

铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、在温度为1520℃的条件下浇注成型，得到成型衬板。

浇冒口切割：将上述成型衬板在温度为350℃的条件下预热3小时，然后热割、热刨。

热处理：将上述热刨后的成型衬板进行表面打磨处理，然后升温至960℃时进行正火，正火后保温2小时。待温度为920℃时进行淬火，淬火后保温3小时，然后出炉空冷。在温度为200℃的条件下回火，回火后保温2小时，即得到成品耐磨衬板。

实施例2

按以下方法制备耐磨衬板：

原料配制：按照按表1中实施例2所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比配制原料。铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、在温度为1525℃的条件下浇注成型，得到成型衬板。

浇冒口切割：将上述成型衬板在温度为400℃的条件下预热4小时，然后热割、热刨。

热处理：将上述热刨后的成型衬板进行表面打磨处理，然后升温至980℃时进行正火，正火后保温3小时。待温度为940℃时进行淬火，淬火后保温2小时，然后出炉空冷。在温度为210℃的条件下回火，回火后保温3小时，即得到成品耐磨衬板。

实施例3

按以下方法制备耐磨衬板：

原料配制：按照按表1中实施例3所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比配制原料。铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、在温度为1530℃的条件下浇注成型，得到成型衬板。

浇冒口切割：将上述成型衬板在温度为480℃的条件下预热4小时，然后热割、热刨。

热处理：将上述热刨后的成型衬板进行表面打磨处理，然后升温至990℃时进行正火，正火后保温4小时。待温度为950℃时进行淬火，淬火后保温3小时，然后出炉空冷。在温度为220℃的条件下回火，回火后保温4小时，即得到成品耐磨衬板。

随即抽取本发明实施例1-3中制备得到的耐磨衬板进行机械性能测试，结果如表2所示。

表2：耐磨衬板的机械性能测试结果

从表2可以得出本发明中的耐磨衬板具有良好的机械性能，耐磨性好，使用寿命长。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种耐磨衬板，其特征在于，所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.25％-0.30％，锰(Mn)：0.70％-0.90％，硅(Si)：0.30％-0.60％，铬(Cr)：0.8％-1.10％，钼(Mo)：0.15％-0.25％，铝(Al)：0.015％-0.050％，锆(Zr)：0.025％-0.050％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为477-514HB，抗拉强度≥1517Mpa，屈服强度≥1240Mpa，延伸率≥7％，断面率≥9％，在温度为-40℃时冲击韧性≥15J/cm²。

2.根据权利要求1所述的耐磨衬板，其特征在于，所述杂质中，硫(S)的质量百分比小于等于0.025％，磷(P)的质量百分比小于等于0.025％。

3.根据权利要求2所述的耐磨衬板，其特征在于，所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.25％，锰(Mn)：0.70％，硅(Si)：0.30％，铬(Cr)：0.8％，钼(Mo)：0.15％，铝(Al)：0.015％，锆(Zr)：0.025％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为500HB，抗拉强度为1520Mpa，屈服强度为1256Mpa，延伸率为7％，断面率为9％，在温度为-40℃时冲击韧性为19J/cm²。

4.根据权利要求2所述的耐磨衬板，其特征在于，所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.28％，锰(Mn)：0.80％，硅(Si)：0.45％，铬(Cr)：1.0％，钼(Mo)：0.20％，铝(Al)：0.025％，锆(Zr)：0.035％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为509HB，抗拉强度为1530Mpa，屈服强度为1248Mpa，延伸率为8％，断面率为9％，在温度为-40℃时冲击韧性为16J/cm²。

5.根据权利要求2所述的耐磨衬板，其特征在于，所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.30％，锰(Mn)：0.90％，硅(Si)：0.60％，铬(Cr)：1.1％，钼(Mo)：0.25％，铝(Al)：0.050％，锆(Zr)：0.050％，铜(Cu)0.50％，铌(Nb)≤0.020％，锡(Sn)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述耐磨衬板的机械性能如下：硬度为512HB，抗拉强度为1525Mpa，屈服强度为1250Mpa，延伸率为7％，断面率为9％，在温度为-40℃时冲击韧性为19J/cm²。

6.一种如权利要求1所述的耐磨衬板的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、原料配制：按照所述耐磨衬板的组成元素及质量百分比配制原料；

S2、铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、浇注成型，得到成型衬板；

S3、浇冒口切割：将上述成型衬板预热后热割、热刨；

S4、热处理：将上述热刨后的成型衬板进行表面打磨处理，然后升温至950-1000℃时进行正火，待温度为900-950℃时进行淬火，淬火后保温，然后出炉空冷，在温度为190-220℃的条件下回火，回火后保温，即得到成品耐磨衬板。

7.根据权利要求6所述的耐磨衬板的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，通过添加硅化锆的方式获得所述锆元素。

8.根据权利要求6所述的耐磨衬板的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述成型衬板浇铸成型时的温度为1500-1530℃。

9.根据权利要求6所述的耐磨衬板的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述成型衬板预热时的预热温度为300-500℃，预热时间为3-5小时。

10.根据权利要求6所述的耐磨衬板的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述正火温度为960-990℃，正火保温时间为2-4小时；所述淬火温度为910-950℃，淬火保温时间为2-4小时；所述回火温度为200-220℃，回火保温时间为2-4小时。