CN113235005B - 一种半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造贝氏体钢衬板 - Google Patents

一种半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造贝氏体钢衬板 Download PDF

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Abstract

本发明提供的半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造贝氏体钢衬板，涉及耐磨钢技术领域；其中铸造贝氏体钢包括以下质量百分比的化学成份：C 0.4～1.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Mn 0.5～1.5wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Mo0.2～0.8wt％，Cu 0.3～0.8wt％，Ni 0.3～1.5wt％，Al 0～0.08wt％，P≤0.03％，S≤0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质；本发明公开制备方法利用两步等温淬火工艺使得基体组织转变为贝氏体相间奥氏体，使得制得的贝氏体钢相较于常用材质铬钼钢、高锰钢、悍达板，具有高强度、高韧性及高耐磨的性能；同时，本发明制得的铸造贝氏体钢应用于半自磨机铸造贝氏体钢衬板中时，能显著提升衬板的使用寿命。

Description

一种半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造 贝氏体钢衬板
技术领域
本发明涉及耐磨钢技术领域，具体涉及一种半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造贝氏体钢衬板。
背景技术
随着我国工业技术的快速发展，半自磨技术广泛应用于矿山行业、机械、化学、和电力等工业部门。由于我国对矿石的需求量很大，自磨机技术是矿石之间的研磨，对于直径很大的矿石，很难碾碎，因此使用半自磨机进行磨矿作业。随着半自磨技术工艺愈加的成熟，其设备的直径变得越来越大，工作环境愈加恶劣。因此对材料的消耗也很巨大。
半自磨机铸造贝氏体钢衬板的工作状况非常差，它不仅保护了半自磨机的筒体，而且还要承受磨球和矿石的反复冲击，因此容易造成半自磨机铸造贝氏体钢衬板失效。在实际的应用中失效的形式有三种：断裂，磨损，变形，其中衬板断裂是主要的失效形式。
衬板断裂失效的原因有许多种而且研究起来比较复杂。包括外在因素和内部因素。外在因素有衬板本身的韧性和强度低，环境恶劣等方面；内在因素包括衬板在熔炼时造成的缺陷，缩孔或者缩松，夹杂物或者热处理工艺不合理等因素都会影响衬板的使用。
目前，常用的半自磨机铸造贝氏体钢衬板材料、如60CrMo、70CrMo、85CrMo及悍达板橡胶复合等，在应用过程中存在寿命短、断裂及与端衬板、格子板不同步等问题；其中，材料耐磨性不足和寿命短是制约矿山客户提高选矿效率的主要原因。
发明内容
本发明目的在于提供一种半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造贝氏体钢衬板，该铸造贝氏体钢具有强韧性好、腐蚀耐磨性良好、性比价高等优良性能，是理想衬板材料；对于其在半自磨机铸造贝氏体钢衬板上的应用，对于提高衬板使用寿命、保证不断裂具有重要的现实意义。
为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种半自磨机用铸造贝氏体钢，其组成包括以下质量百分比的化学成分：C 0.4～1.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Mn 0.5～1.5wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Mo 0.2～0.8wt％，Cu 0.3～0.8wt％，Ni 0.3～1.5wt％，Al 0～0.08wt％，P≤0.03％，S≤0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，所述铸造贝氏体钢的基体组织为贝氏体相间奥氏体，所述贝氏体的含量大于奥氏体的含量，并且贝氏体为无碳化物贝氏体、奥氏体为薄膜状奥氏体和块状奥氏体。
进一步的，所述铸造贝氏体钢的组成包括以下质量百分比的化学成分：C 0.5～0.7wt％，Si 1.5～1.8wt％，Mn 0.6～0.9wt％，Cr 1.4～1.8wt％，Mo 0.2～0.4wt％，Cu0.4～0.6wt％，Ni：0.3～0.4wt％，Al 0.03～0.06wt％，P≤0.03％，S≤0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，所述铸造贝氏体钢的组成包括以下质量百分比的化学成分：C0.6wt％，Si 1.6wt％，Mn 0.8wt％，Cr 1.6wt％，Mo 0.3wt％，Cu 0.5wt％，Ni 0.3wt％，Al0.04wt％，P≤0.025％，S≤0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，所述铸造贝氏体钢的硬度为45～48HRC，无缺口冲击韧性不低于150J/cm2。
本发明还进一步公开上述的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，该方法包括以下步骤：
⑴按废钢、增碳剂、铬铁、钼铁、镍板、铜板、锰铁、硅铁的加料顺序依次加入电炉内，加热熔化，获得铸造贝氏体钢化学组成的钢水；
⑵熔炼温度升至1580℃～1650℃，出炉浇注；
⑶采用树脂砂造型工艺，造型用砂子采用擦洗砂，加入树脂和固化剂；其中，擦洗砂与铸件的砂铁质量比为3～5:1，树脂使用呋喃树脂，树脂加入量为擦洗砂质量的1.1～1.2％，固化剂使用苯磺酸，加入量为树脂质量的30～50％；
⑸钢水浇注获得铸件，浇注温度控制为1480℃～1560℃；
⑹铸件开箱并冷却至室温后进行开箱清理，包括清除冒口、飞边和披缝；
⑺铸件在热处理炉中进行预处理，预处理包括正火和高温回火两道工序；所述正火工艺为950～1000℃保温4～8h，出炉风冷至400℃，然后空冷至室温；所述高温回火工艺为600～800℃保温4～8h，随炉冷却至500℃出炉，然后空冷至室温；
⑻预处理后的铸件在等温淬火生产线上进行两步等温淬火处理；所述两步等温淬火处理工艺为铸件首先在热处理炉内升温到900～950℃，保温4～8h；然后铸件转入盐槽进行等温淬火，淬火温度为280～340℃，保温时间为2～5h；随后铸件转移至空气炉进行继续等温淬火过程，淬火温度为220～270℃，保温时间为10～20h；
⑼等温结束后，进行两次回火处理，回火处理工艺为250～300℃保温时间4～8h。
进一步的，所述步骤⑹中铸件冷却至低于400℃后开箱；所述步骤⑺中铸件在热处理炉内预处理和所述步骤⑻中铸件在热处理炉内进行等温淬火的升温过程均为：当热处理炉内温度小于650℃时，升温速度为每100～150℃/h；当热处理炉内温度超过650℃时，升温速度为每150～200℃/h。
本发明还公开了上述半自磨机用铸造贝氏体钢在半自磨机铸造贝氏体钢衬板上的应用。
进一步的，本发明提供一种半自磨机铸造贝氏体钢衬板，该半自磨机铸造贝氏体钢衬板采用上述的半自磨机用铸造贝氏体钢制造。
由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：
本发明公开的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法利用两步等温淬火工艺使得基体组织转变为贝氏体组织和一定数量的残余奥氏体，制得包括以下质量百分比的化学成份的贝氏体钢：C 0.4～1.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Mn 0.5～1.5wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Mo 0.2～0.8wt％，Cu 0.3～0.8wt％，Ni 0.3～1.5wt％，Al 0～0.08wt％，P≤0.03％，S≤0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质；该制备方法使得制得的贝氏体钢在满足高耐磨性的同时，提高材料本身的韧性。同时，采用该贝氏体钢制成的半自磨机铸造贝氏体钢衬板耐磨性高、成品率高及生产过程稳定，衬板的使用寿命显著提高。
本发明制得的铸造贝氏体钢相对于60CrMo、70CrMo、85CrMo及悍达板橡胶复合材料，本发明化学成分组织的贝氏体钢能够有效地提高材料的耐磨性，Mo、Ni、Cu、Cr元素的加入提高了材料的淬透性，等温淬火工艺强化了贝氏体钢基体组织，同时保证了材料的力学性能。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为实施例1中最终热处理后耐磨钢的金相(200X)组织图；
图2为实施例1中最终热处理后耐磨钢的金相(500X)组织图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
基于现有技术中以60CrMo、70CrMo、85CrMo及悍达板橡胶复合材料等制成的半自磨机铸造贝氏体钢衬板再应用过程中都存在基于材料韧性和强度低导致的耐磨性不足和使用寿命短的技术问题；本发明旨在提出一种半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造贝氏体钢衬板，利用两步等温淬火工艺获得综合性能优异的贝氏体基体组织，制得的铸造贝氏体钢在满足高耐磨性的同时，还进一步提高材料本身的韧性，所制作的半自磨机铸造贝氏体钢衬板耐磨性高、成品率高，生产过程稳定。
本发明公开的半自磨机用铸造贝氏体钢，其组成包括以下质量百分比的化学成分：C 0.4～1.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Mn 0.5～1.5wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Mo 0.2～0.8wt％，Cu 0.3～0.8wt％，Ni 0.3～1.5wt％，Al 0～0.08wt％，P≤0.03％，S≤0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明公开的上述半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
⑴按废钢、增碳剂、铬铁、钼铁、镍板、铜板、锰铁、硅铁的加料顺序依次加入电炉内，加热熔化，获得铸造贝氏体钢化学组成的钢水；
⑵熔炼温度升至1580℃～1650℃，出炉浇注；
⑶采用树脂砂造型工艺，造型用砂子采用擦洗砂，加入树脂和固化剂；其中，擦洗砂与铸件的砂铁质量比为3～5:1，树脂使用呋喃树脂，树脂加入量为擦洗砂质量的1.1～1.2％，固化剂使用苯磺酸，加入量为树脂质量的30～50％；
⑸钢水浇注获得铸件，浇注温度控制为1480℃～1560℃；
⑹铸件冷却至低于400℃后开箱，冷却至室温后进行开箱清理，包括清除冒口、飞边和披缝；
⑺铸件在热处理炉中进行预处理，预处理包括正火和高温回火两道工序；所述正火工艺为950～1000℃保温4～8h，出炉风冷至400℃，然后空冷至室温；所述高温回火工艺为600～800℃保温4～8h，随炉冷却至500℃出炉，然后空冷至室温；
⑻预处理后的铸件在等温淬火生产线上进行两步等温淬火处理；所述两步等温淬火处理工艺为铸件首先在热处理炉内升温到900～950℃，保温4～8h；然后铸件转入盐槽进行等温淬火，淬火温度为280～340℃，保温时间为2～5h；随后铸件转移至空气炉进行继续等温淬火过程，淬火温度为220～270℃，保温时间为10～20h；
⑼等温结束后，进行两次回火处理，回火处理工艺为250～300℃保温时间4～8h。
其中，步骤⑺和步骤⑻铸件在热处理炉内的升温过程均为：当热处理炉内温度小于650℃时，升温速度为每100～150℃/h；当热处理炉内温度超过650℃时，升温速度为每150～200℃/h。
另外，本发明制得的铸造贝氏体钢的组成还可以为以下质量百分比的化学成分：C0.5～0.7wt％，Si 1.5～1.8wt％，Mn 0.6～0.9wt％，Cr 1.4～1.8wt％，Mo 0.2～0.4wt％，Cu 0.4～0.6wt％，Ni：0.3～0.4wt％，Al 0.03～0.06wt％，P≤0.03％，S≤0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质；各化学成分质量百分比优选为：C 0.6wt％，Si 1.6wt％，Mn0.8wt％，Cr 1.6wt％，Mo 0.3wt％，Cu 0.5wt％，Ni 0.3wt％，Al 0.04wt％，P≤0.025％，S≤0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质。
各成分加入电炉内的温度需要根据其合金熔点和烧损率确定，在不同的熔炼阶段加入；例如本发明中，增碳剂、铬铁和钼铁是在废钢初始熔炼阶段加入，镍板在熔炼中期阶段加入，铜板、锰铁和硅铁在废钢熔清阶段加入。根据选择的各合金的成分不同，加入的比例不同，只要满足钢水的组成成分为上述铸造贝氏体钢的成分即可。下面结合具体实施例，对本发明公开的半自磨机用铸造贝氏体钢、其制备方法及半自磨机铸造贝氏体钢衬板作进一步具体介绍，各实施例中物料的加料比例为废钢92.7％、硅铁1.9％、铬铁2.8％、钼铁0.6％、镍板0.3％、铜板0.5％、锰铁0.75％，余量为增碳剂。
实施例1
将优质废钢1135公斤、普通废钢790kg、增碳剂3.5公斤、铬铁27公斤、钼铁6.5公斤、镍板6.5公斤，铜板10公斤、硅铁22公斤，依次加入到2吨中频炉中加热熔化，熔清待钢水达到1600℃时取样分析，并根据检测结果调整成份；成份合格后，升温并脱氧，1640℃出炉。当包内测温到1550℃时，去浇注铸件。
实施例2
将优质废钢1000公斤、普通废钢920kg、增碳剂3.5公斤、铬铁31公斤、钼铁7公斤、镍板6.5公斤，铜板10公斤、锰铁2公斤、硅铁25公斤，依次加入到2吨中频炉中加热熔化，熔清待钢水达到1580℃时取样分析，并根据检测结果调整成份。成份合格后，升温并脱氧，1630℃出炉。当包内测温到1530℃时，去浇注铸件。
实施例3
将优质废钢1100公斤、普通废钢820kg、增碳剂3.5公斤、铬铁28公斤、钼铁6.5公斤、镍板6.5公斤，铜板10公斤、硅铁23公斤，依次加入到2吨中频炉中加热熔化，熔清待钢水达到1610℃时取样分析，并根据检测结果调整成份；成份合格后，升温并脱氧，1620℃出炉。当包内测温到1550℃时，去浇注铸件。上述实施例1-3采用升温的方式达到脱氧的效果，具体实施例还可以微量铝线进行脱氧。
实施例1-3获得的铸件在砂箱内冷却至400℃以下时开箱，一般是浇注后40小时开箱；继续冷却到常温后，清除冒口、飞边和披缝，再进行打磨处理。打磨后铸件在热处理炉中进行预处理，包括正火和高温回火两道工序；正火工艺为950℃保温4h，出炉后风冷至400℃停风，再空冷至室温；高温回火工艺为650℃保温4h，随炉冷却至500℃，再出炉空冷至室温。其中，风冷至400℃和随炉冷却至500℃均为理想冷却温度，具体实施时，一般不精准至400℃和500℃，冷却温度在允许误差范围内都满足冷却要求。
预处理后的铸件经过两步等温淬火，具体为先在热处理炉内升温到910℃，保温4h后转入盐槽进行等温淬火，等温淬火温度为300℃，等温时间为2h后转移至台车炉进行继续等温处理，等温温度为260℃，等温时间为15h；等温结束后，进行两次回火处理，回火温度300℃，保温时间6h。通过上述方式，能稳定的将制得的贝氏体钢应用于半自磨机铸造贝氏体钢衬板上，并开始稳定生产半自磨机铸造贝氏体钢衬板。
上述实例1-3制得的半自磨机铸造贝氏体钢衬板，化学成分和硬度值结果如表1所示。
表1各实施例制得的半自磨机铸造贝氏体钢衬板化学成分和硬度值
Figure GDA0003303058850000081
实施例1制得的半自磨机铸造贝氏体钢衬板其金相组织如附图1和图2所示；铸造贝氏体钢基体组织为贝氏体相间奥氏体，贝氏体组织的含量大于奥氏体的含量，并且贝氏体为无碳化物贝氏体、奥氏体为薄膜状奥氏体和块状奥氏体，薄膜状奥氏体和块状奥氏体均为转变贝氏体的残余奥氏体；该微观基体组织使得铸造贝氏体钢在满足产品所需的高耐磨性的同时，还进一步提高材料本身的韧性；具体的，该铸造贝氏体钢基体组织中奥氏体的含量为15～25％，其硬度达到45～48HRC，无缺口冲击韧性不低于150J/cm2。
对实施例1-3制得三种半自磨机铸造贝氏体钢衬板分别与悍达500在磨损试验机上做磨料冲蚀磨损实验，选择40～70目的石英砂作为磨损介质，调整转速为200r/min，材料状态选择热处理态，性能比较结果如表2所示。
表2磨损性能对比
悍达500 1
实例1 1.31
实例2 1.40
实例3 1.35
对实施例1制得的半自磨机铸造贝氏体钢衬板分别进行装机应用，即在某矿山半自磨机上应用，半自磨机规格选择
Figure GDA0003303058850000091
米；原厂家采用橡胶复合悍达板，磨损速率为16mm/月，采用实施例1铸造贝氏体钢衬板的磨损速率为12mm/月，耐磨性提高33％。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴按废钢、增碳剂、铬铁、钼铁、镍板、铜板、锰铁、硅铁的加料顺序依次加入电炉内，加热熔化，获得铸造贝氏体钢化学组成的钢水；所述铸造贝氏体钢的组成包括以下质量百分比的化学成分：C 0.4~1.0wt%，Si 1.0~2.0 wt%，Mn 0.5~1.5wt %，Cr 1.0~2.0 wt%，Mo 0.2~0.8 wt%，Cu 0.3~0.8wt%，Ni 0.3~1.5 wt%，Al 0~0.08wt%，P ≤0.03%，S ≤0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质；
⑵熔炼温度升至1580℃~1650℃，出炉浇注；
⑶采用树脂砂造型工艺，造型用砂子采用擦洗砂，加入树脂和固化剂；其中，擦洗砂与铸件的砂铁质量比为3~5:1，树脂使用呋喃树脂，树脂加入量为擦洗砂质量的1.1~1.2%，固化剂使用苯磺酸，加入量为树脂质量的30~50%；
⑸钢水浇注获得铸件，浇注温度控制为1480℃～1560℃；
⑹铸件开箱并冷却至室温后进行开箱清理，包括清除冒口、飞边和披缝；
⑺铸件在热处理炉中进行预处理，预处理包括正火和高温回火两道工序；所述正火工艺为950~1000℃保温4~8h，出炉风冷至400℃，然后空冷至室温；所述高温回火工艺为600~800℃保温4~8h，随炉冷却至500℃出炉，然后空冷至室温；
⑻预处理后的铸件在等温淬火生产线上进行两步等温淬火处理；所述两步等温淬火处理工艺为铸件首先在热处理炉内升温到900~950℃，保温4~8h；然后铸件转入盐槽进行等温淬火，淬火温度为280~340℃，保温时间为2~5h；随后铸件转移至空气炉进行继续等温淬火过程，淬火温度为220~270℃，保温时间为10~20h；
⑼等温结束后，进行两次回火处理，回火处理工艺为250~300℃保温时间4~8h。
2.根据权利要求1所述的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，其特征在于，制得的铸造贝氏体钢的基体组织为贝氏体相间奥氏体，所述贝氏体的含量大于奥氏体的含量，并且贝氏体为无碳化物贝氏体、奥氏体为薄膜状奥氏体和块状奥氏体。
3.根据权利要求1所述的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中铸造贝氏体钢的组成包括以下质量百分比的化学成分：C 0.5~0.7wt%，Si 1.5~1.8wt%，Mn 0.6~0.9wt %，Cr 1.4~1.8 wt%，Mo 0.2~0.4 wt%，Cu 0.4~0.6wt%，Ni：0.3~0.4wt%，Al 0.03~0.06wt%，P ≤0.03%，S ≤0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中铸造贝氏体钢的组成包括以下质量百分比的化学成分：C 0.6wt%，Si 1.6 wt%，Mn0.8wt %，Cr 1.6 wt%，Mo 0.3 wt%，Cu 0.5wt%，Ni 0.3 wt%，Al 0.04wt%，P ≤0.025%，S ≤0.02%，其余为Fe及不可避免的杂质。
5.根据权利要求2所述的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，其特征在于，所述铸造贝氏体钢的硬度为45~48 HRC，无缺口冲击韧性不低于150 J /cm2。
6.根据权利要求1所述的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，其特征在于，所述步骤⑹中铸件冷却至低于400℃后开箱。
7.根据权利要求1所述的半自磨机用铸造贝氏体钢的制备方法，其特征在于，所述步骤⑺中铸件在热处理炉内预处理和所述步骤⑻中铸件在热处理炉内进行等温淬火的升温过程均为：当热处理炉内温度小于650℃时，升温速度为每100~150℃/h；当热处理炉内温度超过650℃时，升温速度为每150~200℃/h。
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