高韌性高鉻鑄鐵襯板和ZGMn13高錳鋼的區(qū)別研制與應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2009.11.18 新聞來(lái)源:馬鞍山市路路通工程機(jī)械廠 瀏覽次數(shù):
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年消耗的金屬耐磨材料約300萬(wàn)噸以上,其中僅冶金礦山消耗的襯板就達(dá)10萬(wàn)噸左右。目前我國(guó)各類礦山磨機(jī)等選礦山用磨機(jī)等選礦設(shè)備中的襯板等易損件一般都采用ZGMn13高錳鋼材質(zhì)。這類易損件在使用時(shí)要承受一定的沖擊和磨料磨損,因此其材質(zhì)應(yīng)具良好的抗磨性能和一定的沖擊韌性。ZGMn13奧氏體高錳鋼的沖擊韌性很高(ak達(dá)200J/cm2),原始硬度不超過HB230,但在高的沖擊負(fù)荷作用下,工作表面層能夠產(chǎn)生硬化效應(yīng),其表面硬度可達(dá)HRC42-48,而中心仍保持優(yōu)良的韌性。但如果服役時(shí)沖擊能量不夠,奧氏體高錳鋼表面沖擊硬化效應(yīng)不能充分產(chǎn)生,高錳鋼表面達(dá)不到高硬度,則工體很快磨損。同時(shí)高錳鋼的屈服極限(δ0.2)較低(約為350Mpa左右),在使用中,尤其是使用前期工件易發(fā)生塑性變形。另外球磨機(jī)襯板與研磨介質(zhì)(如磨球)之間還存在一個(gè)硬度匹配問題,研磨介質(zhì)硬度一般應(yīng)高于襯板硬度HRC3左右較宜,但目前很多廠礦使用的低鉻鑄鐵、高鉻鑄鐵磨球的硬度大大高于高錳鋼材板硬度。高錳鋼在低沖擊負(fù)荷下的上述不足常常導(dǎo)致工件的韌性有余而耐磨性不夠,磨損失效快,而且變形嚴(yán)重,致使工體壽命短。
Cr>11%的高鉻白口鑄鐵的共晶碳化物為六方晶系的M7C3,(CrFe)7C3硬度為HRM501200-1800,比一般白口鑄鐵的共晶碳化物Fe3C3(HRV50840-1100)高,同時(shí)凝固時(shí)(CrFe)7C3 是孤立相,而奧氏體是連續(xù)相,因而韌性較普通白口鑄鐵大有改善,因此是搞磨粒磨損和抗切削磨損的首選材料。國(guó)外應(yīng)用較多,主要用于中低沖擊負(fù)荷工況條件的襯板、錘頭、磨球、渣漿泵過流部件等大中型磨損件。國(guó)內(nèi)外對(duì)高鉻鑄鐵的磨損機(jī)制、斷裂機(jī)制、斷裂韌性(K1c值)、裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究,結(jié)果表明高鉻鑄鐵可通過調(diào)整碳化物的大小和形態(tài)、二次碳化物量及彌散度以及基體組織(馬氏體、奧氏體、索氏體),從而調(diào)整性能、滿足工作使用要求。近年來(lái)國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也開展了高鉻鑄鐵襯板的研究,其耐磨性可達(dá)同工況下高錳鋼的2倍以上。但這些材料的韌性仍嫌較低(10×10×55mm無(wú)缺口試樣的沖擊值≤7.3J/cm2)而且含鉬、銅等合金元素,生產(chǎn)成本較高。因此這類高鉻鑄鐵仍有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
二.高鉻鑄鐵的成分設(shè)計(jì)
1.碳和鉻
碳和鉻的主要作用是保證鑄鐵中碳化物數(shù)量和形態(tài)。隨著C量提高,碳化物增多;隨著Cr/C比的增加,共晶碳化物的形貌經(jīng)歷了由連續(xù)網(wǎng)狀→片狀→桿狀連續(xù)程度減小的過程,共晶碳化物晶體類型經(jīng)歷由M3C→M3C+M7C3→M7C3的變化過程。有資料指出:當(dāng)共晶碳化物不變,且Cr/C為6.6-7.1時(shí),同鉻鑄鐵的斷裂紋擴(kuò)展能力最強(qiáng)。根據(jù)這些原理,宜將C量定為3.1-3.6%,Cr量為20-25%;w中的Cr還可以提高材料的淬透性。
2.鎳
其作用是增加高鉻鑄鐵的淬透性,抑制奧氏體基體向珠光體的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)馬氏體基的形成。
3.鎢
其作用是細(xì)化晶粒,提高硬度,增加耐磨性。
4.高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑
其作用是脫氧和去硫,從而抑制夾雜物在晶界的偏聚,改善晶界狀況;另外,由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物擇優(yōu)長(zhǎng)大的方向上,使碳化物的生長(zhǎng)受到抑制,從而使其變得均勻、孤立,而其他變質(zhì)元素可以形成彌散分布的碳、氮化合物,阻止晶粒長(zhǎng)大,從而細(xì)化晶粒。稀土復(fù)合變質(zhì)劑的以上作用不僅改善材料的顯微組織,而且可使材料在硬度特別是沖擊韌性明顯提高。本高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑的加入量取0.2-0.5%為宜。
三.高鉻鑄鐵的組織和性能
1.鑄態(tài)
組織:索氏體+共晶碳化物及條狀塊壯棒狀碳化物。
硬度:HRC48.6,49.3,46.0,49.4,51.7。平均硬度:HRC49。
2.熱處理態(tài)
經(jīng)過“正火空冷+回火空冷”的熱處理后,硬度平均為HRC60.5,金相組織為馬氏體+共晶碳化物+條狀塊狀棒狀碳化物。
四.襯板鑄件試制
1.熔煉工藝
熔煉在500kg酸性中頻電爐中進(jìn)行
(1)先往500kg酸性中頻電爐中加入廢鋼和生鐵熔清,再加入鉻鐵、鎢鐵、鎳調(diào)整鐵水成分。
(2)在出鐵前5-10鐘內(nèi)先后加入錳鐵和硅鐵。
(3)在出鐵前2分鐘左右加入0.05%純鋁脫氧。
(4)鐵水出爐溫度控制在1460-1500℃左右。
(5)在包內(nèi)沖入1.4kg高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行孕育處理.
(6)往包內(nèi)撒入適量保溫聚渣劑覆蓋,并鎮(zhèn)靜5分鐘左右,扒渣。
(7)鐵水澆注溫度控制在1360-1400℃左右。
2.造型制芯工藝
造型工藝采用有機(jī)酯水玻璃砂工藝
配料:下箱砂與芯砂:原砂(40/70目)100%+水玻璃5%(占原砂重)+有機(jī)酯12%(占水玻璃重)+EZK型潰散劑2.5%(占原砂重)。
上箱砂:原砂100%+水玻璃4.5%(占原砂重)+有機(jī)酯12%(占水玻璃重)不加潰散劑。
混砂工藝:原砂加潰散劑混1分鐘→加有機(jī)酯混2-3分鐘→加水玻璃混1-2分鐘→出砂
型砂可使用時(shí)間:25-30分鐘。
脫模時(shí)間:0.5-1.5小時(shí)。
涂料采用醇基鋯英粉涂料,要求攪拌充分,均勻刷涂?jī)纱危蓟鹂旄。冒口采用漂珠保溫套。試生產(chǎn)的鑄件表面質(zhì)量好,無(wú)鑄造缺陷。
3.熱處理工藝
鑄件清理后,進(jìn)行熱處理。熱處理在臺(tái)車式電阻爐內(nèi)進(jìn)行,熱處理工藝為“正火空冷+回火空冷”。鑄件熱處理后硬度平均為HRC60.5,沖擊韌性高達(dá)8.J/cm2(10×10×55mm無(wú)缺口試樣)。
五.裝機(jī)試用
試生產(chǎn)的襯板裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)生產(chǎn)率為115T/h的ф3.6×4m濕式球磨機(jī)中進(jìn)行.鐵礦石莫氏硬度F=7-8。新型高鉻鑄鐵襯板與高錳鋼(ZGMn13)襯板同時(shí)間隔安裝。試驗(yàn)從2001年7月4日開始,在使用5081小時(shí),處理鐵石606720噸后,新型低合金鋼襯板與相同工況下的高錳鋼襯板的質(zhì)量變化情況對(duì)比表1。由表1可知:高鉻鑄鐵襯板的耐磨性是高錳鋼(ZGMn13)襯板的2.6倍。
開機(jī)檢查,未見襯板有裂紋。這表明:這種高鉻鑄鐵襯板的韌性能達(dá)到磨機(jī)的使用要求。
六.結(jié)語(yǔ)
新型高韌性高鉻鑄鐵襯板(KmTBCr20NiWRe)不含價(jià)格昂貴的鉬、銅、采用了適合我國(guó)資源特點(diǎn)的主效稀土復(fù)合變質(zhì)劑和較多的鉻,其硬度達(dá)到HRC60以上,沖擊韌性達(dá)8J/cm2以上,耐磨性達(dá)到ZGMn13高錳襯板的2.6倍。
Cr>11%的高鉻白口鑄鐵的共晶碳化物為六方晶系的M7C3,(CrFe)7C3硬度為HRM501200-1800,比一般白口鑄鐵的共晶碳化物Fe3C3(HRV50840-1100)高,同時(shí)凝固時(shí)(CrFe)7C3 是孤立相,而奧氏體是連續(xù)相,因而韌性較普通白口鑄鐵大有改善,因此是搞磨粒磨損和抗切削磨損的首選材料。國(guó)外應(yīng)用較多,主要用于中低沖擊負(fù)荷工況條件的襯板、錘頭、磨球、渣漿泵過流部件等大中型磨損件。國(guó)內(nèi)外對(duì)高鉻鑄鐵的磨損機(jī)制、斷裂機(jī)制、斷裂韌性(K1c值)、裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究,結(jié)果表明高鉻鑄鐵可通過調(diào)整碳化物的大小和形態(tài)、二次碳化物量及彌散度以及基體組織(馬氏體、奧氏體、索氏體),從而調(diào)整性能、滿足工作使用要求。近年來(lái)國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也開展了高鉻鑄鐵襯板的研究,其耐磨性可達(dá)同工況下高錳鋼的2倍以上。但這些材料的韌性仍嫌較低(10×10×55mm無(wú)缺口試樣的沖擊值≤7.3J/cm2)而且含鉬、銅等合金元素,生產(chǎn)成本較高。因此這類高鉻鑄鐵仍有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
二.高鉻鑄鐵的成分設(shè)計(jì)
1.碳和鉻
碳和鉻的主要作用是保證鑄鐵中碳化物數(shù)量和形態(tài)。隨著C量提高,碳化物增多;隨著Cr/C比的增加,共晶碳化物的形貌經(jīng)歷了由連續(xù)網(wǎng)狀→片狀→桿狀連續(xù)程度減小的過程,共晶碳化物晶體類型經(jīng)歷由M3C→M3C+M7C3→M7C3的變化過程。有資料指出:當(dāng)共晶碳化物不變,且Cr/C為6.6-7.1時(shí),同鉻鑄鐵的斷裂紋擴(kuò)展能力最強(qiáng)。根據(jù)這些原理,宜將C量定為3.1-3.6%,Cr量為20-25%;w中的Cr還可以提高材料的淬透性。
2.鎳
其作用是增加高鉻鑄鐵的淬透性,抑制奧氏體基體向珠光體的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)馬氏體基的形成。
3.鎢
其作用是細(xì)化晶粒,提高硬度,增加耐磨性。
4.高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑
其作用是脫氧和去硫,從而抑制夾雜物在晶界的偏聚,改善晶界狀況;另外,由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物擇優(yōu)長(zhǎng)大的方向上,使碳化物的生長(zhǎng)受到抑制,從而使其變得均勻、孤立,而其他變質(zhì)元素可以形成彌散分布的碳、氮化合物,阻止晶粒長(zhǎng)大,從而細(xì)化晶粒。稀土復(fù)合變質(zhì)劑的以上作用不僅改善材料的顯微組織,而且可使材料在硬度特別是沖擊韌性明顯提高。本高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑的加入量取0.2-0.5%為宜。
三.高鉻鑄鐵的組織和性能
1.鑄態(tài)
組織:索氏體+共晶碳化物及條狀塊壯棒狀碳化物。
硬度:HRC48.6,49.3,46.0,49.4,51.7。平均硬度:HRC49。
2.熱處理態(tài)
經(jīng)過“正火空冷+回火空冷”的熱處理后,硬度平均為HRC60.5,金相組織為馬氏體+共晶碳化物+條狀塊狀棒狀碳化物。
四.襯板鑄件試制
1.熔煉工藝
熔煉在500kg酸性中頻電爐中進(jìn)行
(1)先往500kg酸性中頻電爐中加入廢鋼和生鐵熔清,再加入鉻鐵、鎢鐵、鎳調(diào)整鐵水成分。
(2)在出鐵前5-10鐘內(nèi)先后加入錳鐵和硅鐵。
(3)在出鐵前2分鐘左右加入0.05%純鋁脫氧。
(4)鐵水出爐溫度控制在1460-1500℃左右。
(5)在包內(nèi)沖入1.4kg高效稀土復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行孕育處理.
(6)往包內(nèi)撒入適量保溫聚渣劑覆蓋,并鎮(zhèn)靜5分鐘左右,扒渣。
(7)鐵水澆注溫度控制在1360-1400℃左右。
2.造型制芯工藝
造型工藝采用有機(jī)酯水玻璃砂工藝
配料:下箱砂與芯砂:原砂(40/70目)100%+水玻璃5%(占原砂重)+有機(jī)酯12%(占水玻璃重)+EZK型潰散劑2.5%(占原砂重)。
上箱砂:原砂100%+水玻璃4.5%(占原砂重)+有機(jī)酯12%(占水玻璃重)不加潰散劑。
混砂工藝:原砂加潰散劑混1分鐘→加有機(jī)酯混2-3分鐘→加水玻璃混1-2分鐘→出砂
型砂可使用時(shí)間:25-30分鐘。
脫模時(shí)間:0.5-1.5小時(shí)。
涂料采用醇基鋯英粉涂料,要求攪拌充分,均勻刷涂?jī)纱危蓟鹂旄。冒口采用漂珠保溫套。試生產(chǎn)的鑄件表面質(zhì)量好,無(wú)鑄造缺陷。
3.熱處理工藝
鑄件清理后,進(jìn)行熱處理。熱處理在臺(tái)車式電阻爐內(nèi)進(jìn)行,熱處理工藝為“正火空冷+回火空冷”。鑄件熱處理后硬度平均為HRC60.5,沖擊韌性高達(dá)8.J/cm2(10×10×55mm無(wú)缺口試樣)。
五.裝機(jī)試用
試生產(chǎn)的襯板裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)生產(chǎn)率為115T/h的ф3.6×4m濕式球磨機(jī)中進(jìn)行.鐵礦石莫氏硬度F=7-8。新型高鉻鑄鐵襯板與高錳鋼(ZGMn13)襯板同時(shí)間隔安裝。試驗(yàn)從2001年7月4日開始,在使用5081小時(shí),處理鐵石606720噸后,新型低合金鋼襯板與相同工況下的高錳鋼襯板的質(zhì)量變化情況對(duì)比表1。由表1可知:高鉻鑄鐵襯板的耐磨性是高錳鋼(ZGMn13)襯板的2.6倍。
開機(jī)檢查,未見襯板有裂紋。這表明:這種高鉻鑄鐵襯板的韌性能達(dá)到磨機(jī)的使用要求。
表1 兩種材料質(zhì)襯板的耐磨性對(duì)比
襯板材質(zhì) | 原始質(zhì)量(kg) | 使用后質(zhì)量(kg) | 質(zhì)量減量(kg) | 磨損率% | 相對(duì)耐磨性 |
(ZGMn13) | 326(kg) | 277.3(kg) |
48.7(kg) |
14.94 |
1 |
高鉻鑄鐵 |
319(kg) | 300.5(kg) |
18.5(kg) |
5.79 | 2.6 |
新型高韌性高鉻鑄鐵襯板(KmTBCr20NiWRe)不含價(jià)格昂貴的鉬、銅、采用了適合我國(guó)資源特點(diǎn)的主效稀土復(fù)合變質(zhì)劑和較多的鉻,其硬度達(dá)到HRC60以上,沖擊韌性達(dá)8J/cm2以上,耐磨性達(dá)到ZGMn13高錳襯板的2.6倍。
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