CN104532130A - 一种湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种矿山域湿式球磨机使用高强韧性耐蚀衬板及制备方法。成分为：碳0.3％～0.5％，铬6％～8％，硅0.3～0.5％，锰0.4％～0.8％，钼0.4％～0.5％，铜0.2％～0.5％，硫、磷≤0.03％，RE0.03％～0.06％，余量为铁。热处理分2种方式，1、以80℃～100℃/h的速度加热到550℃～650℃，保温3～5h后，再以150℃～200℃/h速度提高到1040℃～1060℃保温4～6h后，油淬，于260℃～280℃保温6～10h。2、以80℃～100℃/h的速度常温加热到550℃～650℃，保温3～5h后，之后加热速度提高到150℃～200℃/h加热到1060℃～1080℃空淬，240℃～260℃回火。该衬板具有较高的强度和韧性及耐蚀性，有优异的硬度和耐磨性，满足大湿式球磨机衬板的抗冲击性，大大提高衬板寿命。

Description

一种湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板及制备方法

技术领域

本发明涉及一种矿山湿式球磨机使用高强韧性耐蚀衬板及制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

由于冶金矿山湿式磨机衬板的使用工矿条件恶劣，既受腐蚀又受冲击和磨损；在湿态下，特别是同种材料的磨损率是干态的数倍。国内外近年湿式磨机中现用各种材质衬板使用效果均不理想，主要表现为寿命较短。常用衬板材质高锰钢以及超高锰钢韧性有余，硬度、耐磨、耐腐蚀性不足；低合金钢韧性与耐蚀性不够；高铬铸铁耐磨性好，但韧性不足；以致衬板的使用寿命很短。目前矿石品味降低，其硬度增加；另外湿式球磨机大型化，需要衬板要有足够的硬度和韧性，才能保证寿命；一般认为，如果材质的硬度能达到HRC50，韧性也能达到50J/cm²以上。而湿磨机中矿浆均呈酸性或碱性，因此衬板还应具有良好的耐蚀性能。这种具有良好的硬度和韧性配合且耐蚀的材质是冶金矿山湿式球磨机衬板的较为理想的材质。

近些年来，出现一些中碳合金钢衬板，如中国专利CN102719748A公开了一种含钨耐热合金钢衬板材料及制备方法，但该发明虽然韧性达到65J/cm²，但其硬度很低仅HB259，在大型湿磨机中不适合。又如中国专利CN103993234A公开了一种中碳中铬合金钢耐磨衬板及制备方法，虽然该专利不含贵重金属钼、铜，一定程度降低成本，但使其韧性表现不足，仅24～46J/cm²，在腐蚀度较高的大型湿式球磨机中也不适合。因此为了适应冶金矿山严酷的工况条件，延长衬板使用寿命，提高湿磨机运转效率，研制一种高强度、高韧性、高耐蚀性的成本适中的新材料迫在眉睫。

发明内容

为了克服上述湿式球磨机衬板的不足，本发明提供一种高强度、高韧性、耐蚀性、耐磨性较好、生产成本适中、使用寿命长的湿式球磨机用衬板的制备方法与工艺。

一种湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板：所述耐蚀钢衬板为板条马氏体、下贝氏体以及少量残余奥氏体，原料按重量百分比的组成为：衬板化学成分重量百分比为：碳0.3％～0.5％，铬6％～8％，硅0.3～0.5％，锰0.4％～0.8％，钼0.4％～0.5％，铜0.2％～0.5％，硫、磷≤0.03％，RE0.03％～0.06％，余量为Fe及不可避免杂质。

如上所述湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)熔炼：按所述组成原料的重量百分比称取各元素，在中频感应炉铁熔化后加入C、Si、Mn，最后加入Cr、Mo，在1500℃～1550℃出钢，出钢前十分钟左右加稀土改性；

(2)浇注：当温度降到1420℃～1460℃时，浇注入金属模具型腔中，浇注采用慢—快—慢的方式；浇注时间控制在20s以内；

(3)热处理工艺：以80℃～100℃/h加热速度从常温加热到550℃～650℃的温度区间内保温3～5h，之后加热速度提高到150℃～200℃/h，油淬温度在1040℃～1060℃保温4～6h，回火温度在260℃～280℃保温6～10h，回火后取出衬板空冷即可。

如上所述步骤(3)的热处理工艺还可以采用空淬的方式，具体步骤为：以80℃～100℃/h加热速度从常温加热到550℃～650℃的温度区间内保温3～5h，之后加热速度提高到150℃～200℃/h，空淬温度范围1060℃～1080℃，保温4～6h；回火温度为240℃～260℃，保温6～10h，回火后取出衬板空冷即可。

优选的组分按重量百分比包括：碳0.3％～0.4％，铬6％～7％，硅0.3～0.35％，锰0.4％～0.5％，钼0.4％～0.5％，铜0.2％～0.4％，硫、磷≤0.03％，RE0.03％～0.04％，余量为Fe及不可避免杂质。

优选的，所述步骤(1)中变质剂为Y基重稀土变质剂。

优选的，所述步骤(1)中变质剂颗粒尺寸小于10mm，经过160℃～180℃的温度烘烤后所得。

优选的，所述步骤(1)中变质处理采用包内冲入法对钢水进行变质处理。

优选的，所述步骤(2)中浇注温度1430℃～1450℃。

优选的，所述步骤(3)以80℃～90℃/h加热速度从常温加热到550℃～600℃的温度区间内保温3～4h，之后加热速度提高到180℃～200℃/h，油淬温度在1050℃～1060℃保温4～5h，回火温度在270℃～280℃保温6～8h，空冷即可得到高强韧性湿式球磨机用耐蚀衬板。

优选的，所述空淬热处理步骤是以80℃～90℃/h加热速度从常温加热到550℃～600℃的温度区间内保温3～4h，之后加热速度提高到180℃～200℃/h，空淬温度范围1070℃～1080℃，保温4～5h；回火温度为240℃～250℃，保温6～8h，空冷即可得到高强度、韧性适中的湿式球磨机用耐蚀衬板。

铬可提高钢的淬透性、强化基体、使碳化物得到较大的分散度、也有利于韧性的提高，还能提高钢的耐磨性、耐蚀性。当铬>4％时钢中就会出现高硬度M₇C，型共晶碳化物。因此铬有利于韧性的提高，且性能稳定。而铜能强化基体，是非碳化物形成元素，固溶于铁素体，可以溶入奥氏体，可以使其性能稳定，强度和韧性同时上升。少量的铜具有类似镍的作用，提高钢的淬透性和基体的电极电位，提高耐腐蚀性能，在金属矿山弱酸介质工况作业环境下，以铜替换镍，可降低生产成本。在稀土改性方面，调研得知Y基重稀土的净化变质效果优Ce基轻稀土。但加入过量可能恶化钢的性能。加入量一般依据[RE]/[S]的比值和稀土回收率确定。

本发明在传统中碳中铬合金钢衬板基础上，不加贵重金属镍，仅添加少量的铜和适量的铬，并用Y基重稀土改性，得到耐蚀性、耐磨性较高的高强韧性湿磨球磨机用衬板。该衬板具有较高的强度和韧性及耐蚀性，有优异的硬度和耐磨性，满足大湿式球磨机衬板的抗冲击性，大大提高衬板寿命。本发明方法制备的高强韧性耐蚀衬板具备性能指标：热处理工艺一(油淬)的硬度HRC＞50，标准V型缺口的冲击韧性＞51J/cm²；热处理工艺二(空淬)的硬度HRC＞50，标准V型缺口的冲击韧性＞28J/cm²。

附图说明

图1是本发明的热处理工艺；

图2和图3是本发明衬板铸件的热处理工艺一和热处理工艺二的金相组织。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的设计依据是：

碳：碳在钢中不仅主要提高淬透性，还与铬、锰、钼等合金元素形成的碳化物固溶于铁素体中强化基体，使钢的强度和硬度都大幅度提高，从而提高钢的耐磨性。碳含量过高，材料的硬度、耐磨性会相应提高，但热处理时容易形成裂纹，材料脆性大；碳含量过低，铸件淬火后硬度低、耐磨性不佳。为此本次设计选择碳：0.30％～0.50％。

硅：硅强烈阻止淬火时碳化物的析出，使C曲线右移，可阻止材料冷却过程中发生珠光体转变，无限固溶于铁素体中，提高屈服强度。同时硅能阻碍回火过程中碳化物晶核的形成和长大，抑制回火脆性，在铁素体前沿不析出碳化物，增加了残余奥氏体的稳定性，提高马氏体的回火稳定性。硅在1.0％左右时，不降低韧性，故硅的量控制在≤0.5％

锰：锰大部分溶入铁素体，强化基体，提高强度、淬透性和耐磨性，还能减缓珠光体转变时合金渗碳体的形核与长大，一定的锰含量可有效提高奥氏体的稳定性，从而提高材料的韧性。但锰是过热敏感性元素，加热温度过高会引起晶粒粗大，增加回火脆性和残余奥氏体量。为此本次设计选择加锰：0.4％～0.8％。

铬：铬有较强的碳化物形成能力，当Cr>4％时，钢中就会出现高硬度M₇C型共晶碳化物。同时，与铁形成连续固溶体，在奥氏体中的溶解度很大，故能强化基体，提高基体的强度、硬度而不降低韧性；同时也是提高钢耐蚀性的重要元素。偏低的含铬量对材料耐腐蚀性不利，而偏高的铬含量除了使成本较高外，并会增大回火脆性对韧性不利。并综合考虑铬量与碳量的合理匹配，为此本次设计选择铬：6.0％～8.0％。

铜：铜是非碳化物形成元素，固溶于铁素体，可以溶入奥氏体，可以使其性能稳定，达到强度和韧性同时上升，能改善衬板的性能，且能改善钢的耐蚀性。综合考虑成本选择加入少量的Cu：0.2％～0.5％。

钼：钼能显著提高材料的淬透性，固溶强化基体，细化晶粒，与Cr、Mn混合使用时能减少回火脆性，增强材料的韧性和抗疲劳能力。经调质或正火和回火热处理后，可以获得优良的力学性能。但近年来钼铁价格十分昂贵，不宜加入过多，为了控制合金成本，一般在1％左右。这考虑本设计Mo：0.4％～0.6％。

磷、硫：磷和硫均为有害元素，产生MnS以及P的共晶，分布在晶界上，降低冲击韧性；随着磷量的增加，衬板的使用寿命降低，其含量越低越好。因此严格控制硫、磷含量，P、S≤0.03％。

RE：RE可改善铸态结晶组织，细化晶粒，增加钢的致密度，改善夹杂物性质、形态和分布，降低有害杂质元素在晶界的偏析程度，使钢的韧性得到提高，对钢的耐蚀性也有一定的影响。稀土的加入方法和加入量对钢性能有很大的影响，加入过量可能恶化钢的性能。变质剂在出钢前10min将已预热的稀土变质剂(≤0.4％钢液重量)加入钢包底部稀土的加入量一般依据[RE]/[S]的比值和稀土回收率确定，回收率在10％～30％之间。由经验公式[RE]/[S]＝2.0～2.5，计算出稀土加入量＝0.4％。所以本设计取0.4％RE(Y基重稀土)。

实施例：

湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板化学成分重量百分比为：0.30％～0.40％C、0.30％～0.35％Si、0.40％～0.50％Mn、6.0％～7.0％Cr、0.40％～0.50％Mo、0.20％～0.40％Cu、P和S≤0.03％，余量为Fe。

湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板及制备方法，包括以下步骤：

按所述组成原料的重量百分比称取各元素，在中频感应炉铁熔化后加入C、Si、Mn，最后加入Cr、Mo，在1550℃出钢，出钢前十分钟左右加稀土改性；

当温度降到1450℃时，浇注入金属模具型腔中，浇注采用慢—快—慢的方式；浇注时间控制在18s以内；

热处理工艺一：以80℃/h加热速度从常温加热到550℃的温度区间内保温3h，之后加热速度提高到200℃/h，油淬温度在1060℃保温5h，回火温度在280℃保温6h，回火后取出衬板空冷。金相组织见图2所示。硬度HRC＝50.5，标准V型缺口的冲击韧性＝51.6J/cm²；

热处理工艺二：以80℃/h加热速度从常温加热到550℃的温度区间内保温3h，之后加热速度提高到200℃/h，空淬温度范围1080℃，保温6h；回火温度为250℃，保温6h，回火后取出衬板空冷。金相组织见图3所示。硬度HRC＝50.1，标准V型缺口的冲击韧性＝28.4J/cm²。

Claims (10)

1.一种湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板，其特征在于：所述耐蚀钢衬板为板条马氏体、下贝氏体以及少量残余奥氏体，原料按重量百分比的组成为：

C 0.30％～0.50％；

Si 0.30％～0.50％；

Cr 6.0％～8.0％

Mn 0.40％～0.80％；

Mo 0.40％～0.50％；

Cu 0.20～0.50％；

P、S≤0.03％；

RE 0.03％～0.06％；

余量为Fe及不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)按所述组成原料的重量百分比称取各元素，在中频感应炉铁熔化后加入C、Si、Mn，最后加入Cr、Mo，在1500℃～1550℃出钢，出钢前十分钟加入变质剂进行变质处理；

(2)当温度降到1420℃～1460℃时，浇注入金属模具型腔中，浇注采用慢—快—慢的方式；浇注时间控制在20s以内；

(3)热处理工艺：以80℃～100℃/h加热速度从常温加热到550℃～650℃的温度区间内保温3～5h，之后加热速度提高到150℃～200℃/h，油淬温度在1040℃～1060℃保温4～6h，回火温度在260℃～280℃保温6～10h，回火后取出衬板空冷即可。

3.如权利要求2所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的制备方法，其特征在于热处理工艺为：以80℃～100℃/h加热速度从常温加热到550℃～650℃的温度区间内保温3～5h，之后加热速度提高到 150℃～200℃/h，空淬温度范围1060℃～1080℃，保温4～6h；回火温度为240℃～260℃，保温6～10h，回火后取出衬板空冷即可。

4.根据权利要求2所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中变质剂颗粒尺寸小于11mm，经过150℃～180℃的温度烘烤后所得。

5.根据权利要求2所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中变质剂为Y基重稀土变质剂；所述步骤(1)中变质处理采用包内冲入法对钢水进行变质处理。

6.根据权利要求2所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的方法，其特征在于：所述出钢温度的1500℃～1550℃，浇注温度为1430℃～1450℃。

7.根据权利要求2所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的方法，其特征在于：所述热处理的以80℃～90℃/h加热速度加热至550℃～600℃。

8.根据权利要求2所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的方法，其特征在于：以加热速度180℃～200℃/h加热至淬火温度。

9.根据权利要求2所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的方法，其特征在于：所述热处理的油淬温度1050℃～1060℃，回火温度为270℃～280℃。

10.根据权利要求3所述的湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板的方法，其特征在于：所述热处理的空淬温度1070℃～1080℃，回火温度为240℃～250℃。