CN113699459A - 一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，属于衬板及其热处理技术领域。本发明所述低合金耐磨衬板的化学元素成分及其质量百分比为：C：0.4‑0.6％，Si：1.5‑2.5％，Mn：2.0‑3.0％，Cr：0.5～0.8％，P<0.05％，S<0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明所述方法通过设计冷却淬火热处理装置，该装置包括淬火槽、传动单元和升降单元，传动单元位于淬火槽的正上方，升降单元位于传动单元的下部。通过本发明所述方法处理的衬板硬度为HRC46～58，冲击韧性20～50J/cm2，衬板在相同冲击磨损条件下的耐磨性比高锰钢衬板提高了近3倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，属于金属耐磨衬板及其及热处理技术领域。
背景技术
磨机广泛应用于矿山、建材等行业中，衬板作为保护磨机筒体的关键耐磨部件，在工作时承受着较大的冲击、摩擦、磨损等作用力。目前国内多使用高锰钢作为衬板材料，高锰钢在较大冲击作用下产生加工硬化提高硬度，但其在中低载荷冲击条件下不能充分发挥加工硬化的能力，起始硬度和屈服强度较低，导致耐磨性较差。同时，高锰钢衬板在服役过程中易产生塑型变形，导致衬板发生咬合或变形而拉断固定螺栓。因此，开发一种硬度高、韧性好，耐磨性优异的耐磨衬板具有重要的意义。
中国发明专利CN 103602928 A公布了一种高强度耐磨合金钢衬板材料，其化学元素成分及其质量百分比为：C：1.2-1.4％，Si：0.9-1.2％，Mn：3.5-3.7％，Mg：2.1.～2.3％，Mo：0.7-0.9％，B：0.5-0.7％，W：1.2～1.4％，Sb：0.04～0.07％，P<0.04％，S<0.04％，余量为Fe。通过添加钨、镁、钼、锑等元素，经过二次精炼，合理控制铸后热处理温度，得到具有良好的硬度、强韧性、耐磨性的合金钢，但其添加了大量的贵金属元素钨、镁、钼、锑，大幅度增加了生产成本。
贝氏体/马氏体复相组织具有较高的硬度和良好的韧性近些年已成为研究的热点。一般采用等温淬火处理工艺来获得贝氏体，传统等温淬火生产线将多块衬板堆积置入淬火池中，由于衬板体积大、散热慢导致淬火液温度升高，不利衬板淬火过程中贝氏体和马氏体的形成。此外，热处理生产线需要较多的人工操作，浪费人力和劳力，不利于批量化处理。尤其对于大型耐磨衬板的热处理工艺设计，在热处理过程中会因受热不均而产生开裂或组织性能降低等问题，目前关于耐磨衬板的热处理装置设计仍然较少，热处理技术还有待开发。
发明内容
针对磨机衬板及其热处理工艺的局限性，本发明的目的在于提供一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，该方法通过添加低合金成分元素，设计合理的热处理装置，获得具有贝氏体/马氏体复相组织的低合金耐磨衬板，明显提高衬板的服役寿命，包括以下步骤：
(1)铸态衬板的制备：按照组成衬板化学成分的重量百分比计算并称取原料，所述衬板的化学元素成分及其质量百分比为：C：0.4-0.6％，Si：1.5-2.5％，Mn：2.0-3.0％，Cr：0.5～0.8％，P≤0.05％，S≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；然后依次进行熔炼和浇注；
(2)热处理和淬火处理：将铸态衬板放入加热炉内，升温加热至奥氏体转化温度后进行保温，然后取出放入悬挂式吊篮内，通过升降单元控制悬挂式吊篮上下运动，将悬挂式吊篮内的衬板放入淬火槽内进行淬火，控制衬板在淬火槽中的淬火时间为5～15s，传动单元带动悬挂式吊篮继续带着衬板移动，冷却处理一段时间后，将悬挂式吊篮拉起测试衬板温度，重复上述操作，直到衬板温度降低为280～340℃时然后使用悬挂式吊篮将其吊起，，保持衬板温度不变进行等温处理获得贝氏体，然后空冷至室温即可制得贝氏体/马氏体复相耐磨衬板；淬火介质为水、盐浴液、淬火油中的一种。
优选的，本发明步骤(2)中的热处理的条件为：以70～90℃/h的速度升温至500～600℃，保温时间为1～3h，再以140～160℃/h的速度升温至850～950℃，保温时间为2～4。
优选的，本发明步骤(2)中的等温处理时间为：每100mm有效厚度保温2h。
等温处理方法有两种：第一种是将淬火槽里的电阻丝进行加热，尤其是盐类和油类淬火介质的温度升高至保温温度，将衬板冷进行等温处理，等温处理时间一般按每100mm有效厚度保温2h进行保温；第二种是当衬板温度整体降低到贝氏体区，比如280℃时将其放在空气中自然冷却，利用衬板心部冷却速度较小，在空气中内外表面冷却均较慢，可以起到类等温效果，在冷却过程中形成一定数量的贝氏体后，逐渐冷却形成马氏体，最后获得贝氏体和马氏体组织。
本发明所述方法中：配料、熔炼、浇注等过程均是常规方法。
配料：按照组成衬板化学成分的重量百分比计算并称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁及废钢等各原料，将体积较大的原料粉碎成较小的颗粒。
熔炼：采用酸性炉衬的中频感应电炉进行熔炼，将配好的原材料料加入炉中，加热到一定温度为时取样进行化学成分分析(一般温度为1420-1460℃)，合理调控各化学成分在规定范围内，再加入纯铝脱氧。
浇注：采用砂型铸造，将金属液出炉装入浇包内，并在一定温度(一般温度为1480～1520℃)下浇注，浇注完后将保温剂覆盖在冒口上进行冷却至室温。
优选的，本发明步骤(2)中淬火处理过程所用装置包括淬火槽、传动单元和升降单元，传动单元位于淬火槽的正上方，升降单元位于传动单元的下部；所述传动单元包括安装板4、支架5、滑道6、链条7、三相异步电动机8、牙盘9以及倾斜钢板10，四个结构相同的支架5固定在淬火槽1的四个角上，将安装板4撑起，固定于淬火槽1的正上方，方形的滑道6位于安装板4的下壁面上，链条7在安装板4的下部且位于滑道6内；两对结构相同的三相异步电动机8设计在安装板4上，两对牙盘9位于三相异步电动机8的旋转端面上，牙盘9与链条7相啮合，通过电机的转动带动链条转动；安装板4的一侧开设有通口，倾斜钢板10一端位于安装板4的通口处，通过顶杆15固定在安装板4上，倾斜钢板10与安装板4之间的夹角为55°～65°；所述升降结构包括滑块11、电动推杆12、悬挂式吊篮13，滑块11按装在滑道6内，滑道6形状为四角为圆角的矩形，滑块11横截面形状为圆形，滑块11与链条7相连接，电动推杆12位于滑块11的下壁面上，悬挂式吊篮13安装在电动推杆12的下端面，升降结构的数量为1个或者多个。
优选的，本发明所述淬火槽1的侧壁上设有感应电阻丝2和振动仪3。
优选的，本发明所述淬火槽1的底部设有垫片14。
优选的，本发明所述电动推杆12外壁面上设置保护罩16。
本发明原理：衬板加热奥氏体化温度后进行保温，通过升降单元控制悬挂式吊篮运动，将吊篮内的衬板放入淬火槽内进行淬火，能够有效控制衬板在淬火槽中的运动状态，通过控制悬挂式吊篮运动来控制衬板的冷却速度，从而获得不同含量的热处理组织，可根据材料的组织含量和性能要求对冷却速度进行调控，并实时测量衬板温度，待衬板温度降低到贝氏体相变区时进行等温处理获得贝氏体，先形成的贝氏体组织会切割原奥氏体晶粒，并为后续转变的马氏体组织提供形核位点，然后空冷至室温时马氏体大量转变，即可制得贝氏体/马氏体复相组织，而复相组织具有高强度、高硬度和良好的韧性，从而能够在一定程度上提高耐磨性。
本发明的有益效果
(1)本发明通过设计较低合金含量的化学成分，不添加贵金属等高价合金元素，明显降低了衬板的生产成本。
(2)本发明采用设计了热处理淬火装置，通过热处理控制系统控制悬挂式吊篮来放置衬板，可有效调控衬板的热处理过程，以提高衬板的淬火效率，淬火槽内安装感应电阻丝，可以加热盐浴等淬火液至所需贝氏体转变温度进行等温处理，而淬火槽内放置振动仪可使淬火液处于流动状态，以保证淬火液浓度和温度分布均匀。
(3)本发明通过不同升温速率来加热衬板，加热至一定温度保温，然后再加热至奥氏体化温度保温，可以确保具有一定尺寸的衬板在加热过程中内外不同厚度位置受热均匀，避免因受热不均而开裂。
(4)本发明通过热处理装置设计，获得含贝氏体/马氏体复相组织的耐磨衬板，不仅具有较高的硬度和韧性，还有优异的耐磨性，衬板在相同冲击磨损条件下的耐磨性比高锰钢衬板提高了近3倍。
附图说明
图1本发明贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板热处理装置的结构示意图；
图2本发明贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板热处理装置的俯视剖面结构示意图；
图3本发明贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板热处理装置的局部放大结构示意图；
图4本发明低合金耐磨衬板热处理后贝氏体/马氏体复相组织组织。
图中：1-淬火槽；2-感应电阻丝；3-振动仪；4-安装板；5-支架；6-滑道；7-链条；8-三相异步电动机；9-牙盘；10-倾斜钢板；11-滑块；12-电动推杆；13-悬挂式吊篮；14-垫片；15-顶杆；16-保护罩。
具体实施方式
下面列举具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例所用的热处理装置，如图1～3所示，包括淬火槽、传动单元和升降单元，传动单元位于淬火槽的正上方，升降单元位于传动单元的下部；
所述传动单元包括安装板4、支架5、滑道6、链条7、三相异步电动机8、牙盘9以及倾斜钢板10，四个结构相同的支架5固定在淬火槽1的四个角上，将安装板4撑起，固定于淬火槽1的正上方，方形的滑道6位于安装板4的下壁面上，链条7在安装板4的下部且位于滑道6内；两对结构相同的三相异步电动机8设计在安装板4上，两对牙盘9位于三相异步电动机8的旋转端面上，牙盘9与链条7相啮合，通过电机的转动带动链条转动；安装板4的一侧开设有通口，倾斜钢板10一端位于安装板4的通口处，通过顶杆15固定在安装板4上，倾斜钢板10与安装板4之间的夹角为55°～65°，顶杆15与安装板4相连接；
所述升降结构包括滑块11、电动推杆12、悬挂式吊篮13，滑块11按装在滑道6内，滑道6形状为四角为圆角的矩形，滑块11横截面形状为圆形，滑块11与链条7相连接，电动推杆12位于滑块11的下壁面上，悬挂式吊篮13安装在电动推杆12的下端面，升降结构的数量为1个或者多个；所述淬火槽1的侧壁上设有感应电阻丝2和振动仪3，底部设有垫片14；所述电动推杆12外壁面上设置保护罩16。
实施例1
一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，具体包括以下步骤：
(1)配料：按照组成衬板化学成分的重量百分比(C：0.4％，Si：1.5％，Mn：2.0％，Cr：0.5％，P：0.032％，S：0.:41％，余量为Fe及不可避免的杂质)计算并称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁及废钢等各原料，将体积较大的原料粉碎成较小的颗粒。
(2)熔炼：采用酸性炉衬的中频感应电炉进行熔炼，将配好的原材料料加入炉中，加热到1420℃时取样进行化学成分分析，合理调控各化学成分在规定范围内，再加入纯铝脱氧。
(3)浇注：采用砂型铸造，将金属液出炉装入浇包内，并在1480℃下浇注，浇注完后将保温剂覆盖在冒口上进行冷却至室温。
(4)淬火：将铸态衬板放在热处理炉中以70℃/h的升温速率加热500℃等温1h，再以140℃/h的升温速率加热至850℃进行保温2h，在将衬板装入热处理装置中进行淬火，将加热出炉后的衬板放在倾斜钢板10上便于衬板进入悬挂式吊篮13内，由PLC控制器控制三相异步电动机8转动，使其旋转端的牙盘9转动带动与其啮合的链条7传动，随着链条7的运动，与链条7连接的滑块11被带动，沿着滑道6开始运动，滑块11底部的电动推杆12以及悬挂式吊篮13随着滑块11沿着滑道6移动，当滑块11带动悬挂式吊篮13经过倾斜钢板10时，放下将衬板松开，使钢板顺着倾斜钢板10进入悬挂式吊篮13后，悬挂式吊篮13继续沿着滑道6运动，当其经过淬火槽1时，控制电动推杆12放下，将悬挂式吊篮13在淬火槽1内进行淬火，控制衬板在淬火槽中的淬火时间，悬挂式吊篮13继续带着衬板在淬火槽1中移动，进行冷却处理一段时间后，控制电动推杆12升起，将悬挂式吊篮13拉起，当吊篮13再次经由倾斜钢板10时，重复上述操作即可，待衬板温度降低温度为280℃时等温处理获得贝氏体，将衬板传送出淬火槽1后在空气中冷却至室温，即可制得贝氏体/马氏体复相耐磨衬板。
将衬板取热处理后的试样进行彩色金相腐蚀观察如图4所示的贝氏体/马氏体复相组织，由图4可以看出衬板热处理后的主要由贝氏体、马氏体和残余奥氏体等复相组织构成，贝氏体和马氏体组织主要为板条状，亮白色的残余奥氏体分布在板条之间，衬板表面硬度达58HRC，冲击韧性为20J/cm2，衬板在相同冲击磨损条件下的耐磨性比高锰钢衬板提高2倍。
实施例2
一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，具体包括以下步骤：
(1)配料：按照上述组成衬板化学成分的重量百分比(C：0.5％，Si：2.0％，Mn：2.5％，Cr：0.65％，P：0.035％，S：0.:39％，余量为Fe及不可避免的杂质)计算并称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁及废钢等各原料，将体积较大的原料粉碎成较小的颗粒。
(2)熔炼：采用酸性炉衬的中频感应电炉进行熔炼，将配好的原材料料加入炉中，加热到1440℃时取样进行化学成分分析，合理调控各化学成分在规定范围内，再加入纯铝脱氧。
(3)浇注：采用砂型铸造，将金属液出炉装入浇包内，并在1500℃下浇注，浇注完后将保温剂覆盖在冒口上进行冷却至室温。
(4)淬火：将铸态衬板放在热处理炉中以80℃/h的升温速率加热550℃等温2h，再以150℃/h的升温速率加热至900℃进行保温3h，在将衬板装入热处理装置中进行淬火，操作步骤和实施例1相同，待衬板温度降低温度为310℃时等温处理获得贝氏体，然后空冷至室温，即可制得贝氏体/马氏体复相耐磨衬板。
将衬板取热处理后的试样进行彩色金相腐蚀观察贝氏体/马氏体复相组织，衬板表面硬度达52HRC，冲击韧性为50J/cm2，衬板在相同冲击磨损条件下的耐磨性比高锰钢衬板提高近3倍。
实施例3
一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，具体包括以下步骤：
(1)配料：按照上述组成衬板化学成分的重量百分比(C：0.6％，Si：2.5％，Mn：3.0％，Cr：0.85％，P：0.027％，S：0.47％，余量为Fe及不可避免的杂质)计算并称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁及废钢等各原料，将体积较大的原料粉碎成较小的颗粒。
(2)熔炼：采用酸性炉衬的中频感应电炉进行熔炼，将配好的原材料料加入炉中，加热到1460℃时取样进行化学成分分析，合理调控各化学成分在规定范围内，再加入纯铝脱氧。
(3)浇注：采用砂型铸造，将金属液出炉装入浇包内，并在1520℃下浇注，浇注完后将保温剂覆盖在冒口上进行冷却至室温。
(4)淬火：将铸态衬板放在热处理炉中以90℃/h的升温速率加热600℃等温3h，再以160℃/h的升温速率加热至950℃进行保温4h，在将衬板装入热处理装置中进行淬火，操作步骤和实施例1相同，待衬板温度降低温度为340℃时等温处理获得贝氏体，然后空冷至室温，即可制得贝氏体/马氏体复相耐磨衬板。
将衬板取热处理后的试样进行彩色金相腐蚀观察贝氏体/马氏体复相组织，衬板表面硬度达46HRC，冲击韧性为32J/cm2，衬板在相同冲击磨损条件下的耐磨性比高锰钢衬板提高近2.5倍。
对比实施例：
将与实施例1相同成分和尺寸规格的衬板进行常规的一步法淬火-分配(Q&P)热处理方法，即将其从奥氏体化温度放入盐类等淬火液中直接冷却并在280℃进行等温处理，然后在空气中冷却至室温。经此处理的衬板进行彩色金相组织观察和性能测试，结果表明也能形成贝氏体和马氏体组织，但是在衬板内部还存在珠光体组织，其表面硬度为42HRC，冲击韧性为16J/cm2，衬板在相同冲击磨损条件下的耐磨性比高锰钢衬板提高近1倍。
通过对比常规淬火-分配(Q&P)热处理方法可以发现，经本发明处理后的衬板，其能够获得较高的硬度和韧性，具有更优异的耐磨性能，这是由于在本发明的热处理装置及方法能够有效控制衬板在淬火槽中的运动状态，通过控制悬挂式吊篮运动来控制衬板的冷却速度，从而获得不同含量的热处理组织，可以避免衬板长时间在淬火液中使得内部温度扩散较慢，使衬板处于高温区较长时间，先形成部分珠光体组织，而在随后冷却过程中形成的贝氏体和马氏体组织含量减少，珠光体的强度、硬度和韧性相较贝氏体和马氏体复相组织要低。因此，具有良好强韧性贝氏体和高硬度的硬质相马氏体的含量减少，是导致其耐磨性能下降的主要原因，而通过本发明的装置和方法可以控制衬板的冷却过程，从而获得理想的复相组织，对于提高硬度和韧性，改善耐磨性具有非常明显的优势。
Claims (7)
1.一种提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)铸态衬板的制备：按照组成衬板化学成分的重量百分比计算并称取原料，所述衬板的化学元素成分及其质量百分比为：C：0.4-0.6％，Si：1.5-2.5％，Mn：2.0-3.0％，Cr：0.5～0.8％，P≤0.05％，S≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；然后依次进行熔炼和浇注；
(2)热处理和淬火处理：将铸态衬板放入加热炉内，升温加热至奥氏体转化温度后进行保温，然后取出放入悬挂式吊篮内，通过升降单元控制悬挂式吊篮上下运动，将悬挂式吊篮内的衬板放入淬火槽内进行淬火，控制衬板在淬火槽中的淬火时间为5～15s，传动单元带动悬挂式吊篮继续带着衬板移动，冷却处理一段时间后，将悬挂式吊篮拉起测试衬板温度，重复上述操作，直到衬板温度降低为280～340℃时然后使用悬挂式吊篮将其吊起，保持衬板温度不变进行等温处理获得贝氏体，然后空冷至室温即可制得贝氏体/马氏体复相耐磨衬板。
2.根据权利要求1所述的提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，其特征在于：步骤(2)中的热处理的条件为：以70～90℃/h的速度升温至500～600℃，保温时间为1～3h，再以140～160℃/h的速度升温至850～950℃，保温时间为2～4。
3.根据权利要求1所述的提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，其特征在于：等温处理时间为：每100mm有效厚度保温2h。
4.根据权利要求1所述的提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，其特征在于：步骤(2)中淬火处理过程所用装置包括淬火槽、传动单元和升降单元，传动单元位于淬火槽的正上方，升降单元位于传动单元的下部；
所述传动单元包括安装板(4)、支架(5)、滑道(6)、链条(7)、三相异步电动机(8)、牙盘(9)以及倾斜钢板(10)，四个结构相同的支架(5)固定在淬火槽(1)的四个角上，将安装板(4)撑起，固定于淬火槽(1)的正上方，方形的滑道(6)位于安装板(4)的下壁面上，链条(7)在安装板(4)的下部且位于滑道(6)内；两对结构相同的三相异步电动机(8)设计在安装板(4)上，两对牙盘(9)位于三相异步电动机(8)的旋转端面上，牙盘(9)与链条(7)相啮合，通过电机的转动带动链条转动；安装板(4)的一侧开设有通口，倾斜钢板(10)一端位于安装板(4)的通口处，通过顶杆(15)固定在安装板(4)上，倾斜钢板(10)与安装板(4)之间的夹角为55°～65°；
所述升降结构包括滑块(11)、电动推杆(12)、悬挂式吊篮(13)，滑块(11)按装在滑道(6)内，滑道(6)形状为四角为圆角的矩形，滑块(11)横截面形状为圆形，滑块(11)与链条(7)相连接，电动推杆(12)位于滑块(11)的下壁面上，悬挂式吊篮(13)安装在电动推杆(12)的下端面，升降结构的数量为1个或者多个。
5.根据权利要求1所述提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，其特征在于：所述淬火槽(1)的侧壁上设有感应电阻丝(2)和振动仪(3)。
6.根据权利要求1所述提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，其特征在于：所述淬火槽(1)的底部设有垫片(14)。
7.根据权利要求1所述提高贝氏体/马氏体低合金耐磨衬板服役寿命的方法，其特征在于：所述电动推杆(12)外壁面上设置保护罩(16)。
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2021
- 2021-08-23 CN CN202110970054.0A patent/CN113699459A/zh active Pending
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