CN111378909A - 强韧化高锰钢衬板及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及耐磨衬板用钢技术领域，具体涉及一种强韧化高锰钢衬板及其生产工艺。该强韧化高锰钢衬板，按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.00～1.50％、Si0.60～0.90％、Mn13～19.0％、Cr1.00～3.50％、Ti0.10～0.50％、V0.50～1.10％、Nb0.10～0.50％、Cu0.20～0.80％、Mo0.50～0.90％，Ni0.10～0.60％,余量为Fe。本发明还公开了强韧化高锰钢衬板的生产工艺，包括熔炼，浇注，钢液凝固后得铸件，进行热处理后加工成型。本发明针能够大幅提高耐磨衬板的耐磨性和强韧性，延长其使用寿命。

Description

强韧化高锰钢衬板及其生产工艺
技术领域
本发明涉及耐磨衬板用钢技术领域，具体涉及一种强韧化高锰钢衬板及其生产工艺。
背景技术
球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备，被广泛用于选矿、建材及化工等行业。球磨机衬板用来保护筒体，使筒体免受研磨体和物料直接的冲击与磨擦。为了不断提高球磨机的生产效率，降低球磨机的生产成本，生产企业对球磨机衬板的使用寿命提出了更高的要求。
因此金属衬板的材料选择非常关键，高锰钢在耐磨金属材料中占有重要地位，该材料在冶金、矿山、建材、原材料加工等行业得到了广泛应用。但高锰钢奥氏体组织较稳定，加工硬化能力较强，在非强烈冲击工况条件下，加工硬化能力不足而不能有效发挥其耐磨性能。为了寻找非强烈冲击工况条件下耐磨性能强的耐磨材料，国内外学者研制了高铬铸铁，但因为高铬铸铁中的碳化物和高碳马氏体脆性大，在有一定冲击的工况下，极易出现剥落断裂等现象，严重影响设备的正常运行。此外，还研制了马氏体、贝氏体钢和奥氏体-贝氏体钢用于非强烈冲击工况，但因硬度低、淬透性差等问题导致使用寿命提高并不明显。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种性能可靠的强韧化高锰钢衬板及其生产工艺，能够大幅提高耐磨衬板的耐磨性和强韧性，延长其使用寿命。
本发明的技术方案是这样实现的：一种强韧化高锰钢衬板，其特征在于：其特征在于：按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.00～1.50％、Si0.60～0.90％、Mn13～19.0％、Cr1.00～3.50％、Ti0.10～0.50％、V0.50～1.10％、Nb0.10～0.50％、Cu0.20～0.80％、Mo0.50～0.90％，Ni0.10～0.60％,余量为Fe和不可避免的杂质。
较优的，强韧化高锰钢衬板按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.20％、Si0.82％、Mn16.98％、Cr1.99％、Ti0.21％、V0.85％、Nb0.25％、Cu0.48％、Mo0.73％、Ni0.28％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述强韧化高锰钢衬板的熔炼原料包括生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁、脱氧铝线、废铜、钼铁、镍板、铌铁、钒铁、钛铁和钇基重稀土。
此外，本发明还提供了强韧化高锰钢衬板的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、在中频感应炉中进行熔炼，待钢液温度达到熔点1200～1250℃时加入生铁、废钢，待钢液达到熔点高于1300℃时，依次加入铬铁、硅铁和锰铁至完全熔化；
S2)、当钢液达到熔点达到1500～1600℃时，进行铝脱氧；根据合金的熔点及烧损率，脱氧后依次加入镍铁、钼铁、铌铁、铜、钒氮合金、钒铁、钛铁，钢包内加入钇重稀土；
S3)、当钢液温度降至1400～1450℃浇注入砂型模具型腔中，在0.4MP～0.9MP压力下使钢液凝固，得铸件，对铸件锻造后，进行热处理后，加工成型。
所述热处理包括以下步骤：
S1)、正常加热至400℃，保温3h；
S2)、以60％的功率慢速加热至700℃，保温2h；
S3)、正常加热至900℃，保温3h；
S4)、以80％的功率慢速加热至1100℃，保温5h；
S5)、水韧处理快速冷却。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷,具有以下有益效果：
本发明提供一种性能可靠的强韧化高锰钢衬板及其生产工艺，通过对C、Si、Cr、Ni、Cu的优化设计，并加入微量合金元素V、Mo，控制V、Mo的质量百分比满足：V和Mo的质量百分比之和≥1％，在V、Mo两者的协同作用下进一步提高材料的淬透性，有效提高高锰钢衬板钢坯的心部硬度，降低表面硬度和心部硬度差。本发明提供强韧化高锰钢衬板制备方法，能够大幅提高耐磨衬板的耐磨性和强韧性，延长其使用寿命。本发明通过第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。高锰钢加热到临界温度以上，使钢中全部碳化物溶解到奥氏体中去，通过水韧处理，碳化物来不及从奥氏体中析出，保持了均匀的奥氏体状态(硬度不高，但具有良好的塑性和韧性)，从而提高了新材料的耐磨性、抗冲击性，延长了衬板的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中的金相组织图像；
图2是本发明实施例1中的显微组织SEM图像；
图3是本发明延伸率的测试结果图；
图4是本发明拉伸强度的测试结果图；
图5是本发明屈服强度的测试结果图；
图6是本发明热处理工艺曲线图；
具体实施方式
实施例1
按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.20％、Si0.82％、Mn16.98％、Cr1.99％、Ti0.21％、V0.85％、Nb0.25％、Cu0.48％、Mo0.73％、Ni0.28％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的高锰钢衬板的生产工艺，包括以下步骤：
S1)、在中频感应炉中进行熔炼，待钢液温度达到熔点1230℃时加入生铁、废钢，待钢液达到熔点高于1300℃时，依次加入铬铁、硅铁和锰铁至完全熔化；
S2)、当钢液达到熔点达到1550℃时，进行铝脱氧；根据合金的熔点及烧损率，进行铝脱氧(1550～1570℃)，根据合金的熔点及烧损率，脱氧后依次加入镍铁(1452℃)、钼铁(Mo＝36％，1440℃)、铌铁(Nb＝30％，1590℃)、铜(1080℃)、钒氮合金(1400～1700℃)、钒铁(V＝50％，1540℃)、钛铁(Ti＝40％，1500℃)，钢包内加入钇重稀土(1520℃)。
S3)、当钢液温度降至1420℃浇注入砂型模具型腔中，在0.7MP压力下使钢液凝固，得铸件，对铸件锻造后，进行热处理后，
热处理包括以下步骤：
S1)、正常加热至400℃，保温3h；
S2)、以60％的功率慢速加热至700℃，保温2h；
S3)、正常加热至900℃，保温3h；
S4)、以80％的功率慢速加热至1100℃，保温5h；
S5)、水韧处理快速冷却。
最后加工成型，得到衬板成品。
本实施例的耐磨衬板合金钢的平均硬度为28HRC,抗拉强度大于700MPa,屈服强度大于600MPa,延伸率大于10％,在磨煤机环境中的使用寿命达16500小时。金相组织图见图1,扫描组织图见图2。
实施例2
按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.00％、Si0.60％、Mn13.0％、Cr1.00％、Ti0.10％、V0.50％、Nb0.10％、Cu0.20％、Mo0.50％，Ni0.10％,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的高锰钢衬板的生产工艺，包括以下步骤：
S1)、在中频感应炉中进行熔炼，待钢液温度达到熔点1200℃时加入生铁、废钢，待钢液达到熔点高于1300℃时，依次加入铬铁、硅铁和锰铁至完全熔化；
S2)、当钢液达到熔点达到1500℃时，进行铝脱氧；根据合金的熔点及烧损率，进行铝脱氧，根据合金的熔点及烧损率，脱氧后依次加入镍铁、钼铁、铌铁、铜、钒氮合金、钒铁、钛铁，钢包内加入钇重稀土。
S3)、当钢液温度降至1400℃浇注入砂型模具型腔中，在0.5MP压力下使钢液凝固，得铸件，对铸件锻造后，进行热处理后，
热处理包括以下步骤：
S1)、正常加热至400℃，保温3h；
S2)、以60％的功率慢速加热至700℃，保温2h；
S3)、正常加热至900℃，保温3h；
S4)、以80％的功率慢速加热至1100℃，保温5h；
S5)、水韧处理快速冷却。
最后加工成型，得到衬板成品。
本实施例的耐磨衬板合金钢的平均硬度为24HRC,抗拉强度大于700MPa,屈服强度大于500MPa,延伸率大于10％,在磨煤机环境中的使用寿命达14800小时。
实施例3
按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.50％、Si0.90％、Mn19.0％、Cr3.50％、Ti0.50％、V1.10％、Nb0.50％、Cu0.80％、Mo0.90％，Ni0.60％,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的高锰钢衬板的生产工艺，包括以下步骤：
S1)、在中频感应炉中进行熔炼，待钢液温度达到熔点1250℃时加入生铁、废钢，待钢液达到熔点高于1300℃时，依次加入铬铁、硅铁和锰铁至完全熔化；
S2)、当钢液达到熔点达到1600℃时，进行铝脱氧；根据合金的熔点及烧损率，进行铝脱氧，根据合金的熔点及烧损率，脱氧后依次加入镍铁、钼铁、铌铁、铜、钒氮合金、钒铁、钛铁，钢包内加入钇重稀土。
S3)、当钢液温度降至1420～1460℃浇注入砂型模具型腔中，在0.8MP压力下使钢液凝固，得铸件，对铸件锻造后，进行热处理后，
热处理包括以下步骤：
S1)、正常加热至400℃，保温3h；
S2)、以60％的功率慢速加热至700℃，保温2h；
S3)、正常加热至900℃，保温3h；
S4)、以80％的功率慢速加热至1100℃，保温5h；
S5)、水韧处理快速冷却。
最后加工成型，得到衬板成品。
本实施例的耐磨衬板合金钢的平均硬度为32HRC,抗拉强度为大于700MPa,屈服强度为大于600MPa,延伸率大于10％,在磨煤机环境中的使用寿命达15200小时。
如图3至图6所示，本发明提供的强韧化高锰钢衬板，通过对C、Si、Cr、Ni、Cu的优化设计，并加入微量合金元素V、Mo，控制V、Mo的质量百分比满足：V和Mo的质量百分比之和≥1％，在V、Mo两者的协同作用下进一步提高材料的淬透性，有效提高高锰钢衬板钢坯的心部硬度，降低表面硬度和心部硬度差。其中Si元素可强化铁素体,提高屈强比,降低韧性及塑性,有回火脆性增加倾向,其含量控制在0.60～0.90％。Mn元素主要起同溶强化作用，提高强度、硬度及耐磨性。增加回火脆性、粗化组织，含量控制在钢中13～19.0％之间。Cr元素是耐磨的重要元素,对钢有很大的强化作用,可提高钢的强度、硬度及耐磨性,含量控制在1.00～3.50％之间。Mo元素是耐磨钢种主要元素之一,强化铁素体,细化晶粒,降低或消除回火脆性,提高钢的强度及硬度,含量控制在0.50～0.90％之间。Nb元素强化基体、细化晶粒,提高强度而不降低塑性,含量控制在0.10～0.50％。Ti元素脱氧及细化晶粒效果明显,含量控制在0.10～0.50％。V元素含量较少时,细化晶粒，提高韧性,其含量控制在0.50～1.10％。稀土元素能净化钢液、细化组织,降低钢中气体含量及其他有害元素含量,还能够提高钢的强度、塑性、抗疲劳性,含量控制在0.05％～0.07％。
本发明提供的本发明提供的强韧化高锰钢衬板及其加工工艺，通过第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。高锰钢加热到临界温度以上，使钢中全部碳化物溶解到奥氏体中去，通过水韧处理，碳化物来不及从奥氏体中析出，保持了均匀的奥氏体状态(硬度不高，但具有良好的塑性和韧性)，从而改善和增加材料的冲击韧性，使得高锰钢衬板的强度、韧性和均匀性得到大幅度提高，表面硬度和心部硬度在20～40HRC，硬度差不高于3HRC，冲击韧性≥71J/cm2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种强韧化高锰钢衬板，其特征在于：按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.00～1.50％、Si0.60～0.90％、Mn13～19.0％、Cr1.00～3.50％、Ti0.10～0.50％、V0.50～1.10％、Nb0.10～0.50％、Cu0.20～0.80％、Mo0.50～0.90％，Ni0.10～0.60％,余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的强韧化高锰钢衬板，其特征在于：按化学成分质量百分比计，由以下元素组成：C1.20％、Si0.82％、Mn16.98％、Cr1.99％、Ti0.21％、V0.85％、Nb0.25％、Cu0.48％、Mo0.73％、Ni0.28％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的强韧化高锰钢衬板，其特征在于：所述强韧化高锰钢衬板的熔炼原料包括生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁、脱氧铝线、废铜、钼铁、镍板、铌铁、钒铁、钛铁和钇基重稀土。
4.一种基于权利要求1～3所述的强韧化高锰钢衬板的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、在中频感应炉中进行熔炼，待钢液温度达到熔点1200～1250℃时加入生铁、废钢，待钢液达到熔点高于1300℃时，依次加入铬铁、硅铁和锰铁至完全熔化；
S2)、当钢液达到熔点达到1500～1600℃时，进行铝脱氧；根据合金的熔点及烧损率，脱氧后依次加入镍铁、钼铁、铌铁、铜、钒氮合金、钒铁、钛铁，钢包内加入钇重稀土；
S3)、当钢液温度降至1400～1450℃浇注入砂型模具型腔中，在0.4MP～0.9MP压力下使钢液凝固，得铸件，对铸件进行热处理后，加工成型。
5.根据权利要求4所述的强韧化高锰钢衬板的生产工艺，其特征在于，所述热处理包括以下步骤：
S1)、正常加热至400℃，保温3h；
S2)、以60％的功率慢速加热至700℃，保温2h；
S3)、正常加热至900℃，保温3h；
S4)、以80％的功率慢速加热至1100℃，保温5h；
S5)、水韧处理快速冷却。
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