專利名稱：一種貝氏體耐磨鑄鋼襯板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種貝氏體耐磨鑄鋼襯板及其制造方法，屬于金屬材料及其制備技術領域。
背景技術：
球磨機廣泛應用于礦山、冶金、建材、電力、化工等領域，球磨機內的襯板作為主要磨損件，消耗量巨大。目前我國大量使用的球磨機襯板仍然是傳統的高錳鋼襯板，由于在使用過程中受到的沖擊力較小，難以獲得理想的加工硬化效果，因而耐磨性差，同時由于高錳鋼塑變抗力低，襯板在使用過程中表面會產生塑性變形，使襯板之間發生咬合，甚至整體變形。其它材質如高鉻鑄鐵襯板，盡管初始硬度高，但沖擊韌性差，易斷裂；另外還有一類為合金鋼襯板，特別是貝氏體基型的鑄鋼，由于其具有優異的綜合性能而成為抗磨料磨損較為理想的材質，適用于耐磨、耐沖擊、高強度、高韌性和耐疲勞等場合。
目前獲得具有貝氏體復相組織的鑄鋼主要有以下方式(1)采用等溫淬火工藝獲得，作為耐磨材料使用的等溫淬火貝氏體鋼的化學成分是C0.5～1.2％(屬于中碳、中高碳范圍)，Si2.0～2.6％，Mo0.5％，適量的Mn、Ni，如專利US142326，JP79436，OE2817628，JP7052832都是這一類鋼。其組織形成的機理與等溫淬火奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵相似，即先將工件奧氏體化后急冷至中溫區等溫獲得一定量的貝氏體，之后再淬火到馬氏體轉變點(MS點)以下的溫度，以完成馬氏體轉變。在此方法中，在奧氏體化后的冷卻階段，可以將工件淬入不同的冷卻介質(鹽水或油)中，通過控制不同的冷卻速度，使工件迅速冷卻到中溫轉變區，隨后在中溫轉變區進行保溫，以完成大部分貝氏體轉變，從而獲得一定量的貝氏體，隨后再急冷到馬氏體轉變點以下，獲得貝氏體/馬氏體復相組織。但是等溫淬火工藝存在工藝復雜、工序長、耗能大、淬火介質易污染環境，還需加入一定的Mn、Mo、Ni合金元素來提高淬透性，使得貝氏體耐磨鑄鋼生產成本高，質量不穩定。(2)通過合金化在空冷或鑄態條件下獲得貝氏體鑄鋼，即通過加入一定量的合金元素如Mo、Mn、B等，改變鋼的C曲線形狀，推遲其高溫轉變，以適宜的冷卻速度使過冷奧氏體連續通過貝氏體轉變的中溫區，從而在空冷條件下獲得貝氏體/馬氏體復相組織。這種工藝和傳統獲得貝氏體/馬氏體復相組織的等溫淬火工藝相比，具有節約能源、縮短生產周期、減少污染等優點，但同時存在大斷面淬透性不足，尤其是合金元素加入后易形成碳化物或氧化物，使鋼的冶煉控制難度加大，而且會導致材料成分上升等缺點。
可以看出，現有貝氏體合金鋼襯板盡管耐磨性能優異，但仍然存在著生產工藝復雜、周期長、生產成本高、質量不穩定等不足，因而制約著其大規模的推廣和應用，難以滿足生產和市場需要。
發明內容
為克服現有合金鋼襯板存在的工藝復雜、工序長、耗能大、淬火介質易污染環境、生產成本高、質量不穩定等不足，本發明提供一種新型的具有貝氏體復相組織的耐磨鑄鋼襯板及其制造方法。
本發明通過下列技術方案實現一種貝氏體耐磨鑄鋼襯板，其特征在于襯板的成分質量比(wt.％)為C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余量為Fe。
所述貝氏體耐磨鑄鋼襯板經過下列工藝步驟制得(1)將按化學成分進行配料計算后的原料放入中頻感應電爐中熔煉，電爐用酸性爐襯，并用石英砂作造渣劑，出爐前5～8分鐘加入Si、Mn合金元素，控制鋼水出爐溫度在1480℃～1530℃，終脫氧為鋁線澆包內脫氧；(2)將(1)步驟的鋼水澆鑄成型；(3)將澆鑄成型的鑄鋼襯板進行下列熱處理
a、將襯板加熱到奧氏體區，加熱溫度控制在860～880℃，保溫1～2h；b、將霧化水連續噴淋在襯板上進行冷卻，并控制水流的壓力為0.1～0.16MPa，直到襯板溫度達到260～350℃后，停止噴淋；c、將噴淋冷卻后的襯板堆積在封閉的容器中，利用襯板的余熱保溫2～3h；d、將襯板從容器中取出，空冷至室溫，即得具有貝氏體/馬氏體復相組織的鑄鋼襯板；(4)將熱處理后的襯板低溫回火，溫度220℃，保溫1～2h。
所述步驟(2)中的鋼水澆鑄成型采用真空實型鑄造，具體是先將襯板模樣粘結成串，然后涂掛上1～2mm的石英砂膨潤土膏狀涂料，在50～60℃的溫度下烘烤2～4h；造型時，先將砂箱放在振動臺上，填入底砂，振動30～40s后，刮平底砂，放入有涂料的模樣串，再從砂箱的邊角處填砂，填滿砂后振動60～90s，刮平砂表面，用塑料薄膜覆蓋在砂箱表面，并置入澆口杯，然后抽真空。在真空度達到0.52～0.58MPa時，采用立澆方式進行澆注，澆注時間10～15s，澆注后繼續抽真空15～20min，抽真空完畢后，靜置30～40min，即可開箱。
所述步驟(3)中b過程的霧化水通過霧化噴淋裝置得到，霧化噴淋裝置由其上帶噴頭組的管組，連接管組的其上裝有流量計、壓力計的供水管，連接供水管的水泵構成。
與傳統的貝氏體合金鋼襯板相比，由于本發明將特定化學成分的鑄鋼進行特定的控制冷卻熱處理，該工藝在熱處理過程中能夠改變淬火介質的冷卻特性，提高其冷卻能力，在一定程度上提高了鑄鋼的淬透性能，并可以細化晶粒，因此在鑄鋼中僅加入Si和Mn元素，而無需加入其它貴重合金元素即可獲得貝氏體復相組織，不僅能節約大量的能源和昂貴的合金元素，大大降低生產成本，減少熱處理過程中的環境污染，而且還能有效提高襯板質量，改善襯板性能。另外采用本發明可以實現大規模工業化生產，生產工藝簡單易行。本發明還可以應用于其它鋼鐵材料耐磨件的制造。
圖1貝氏體鑄鋼襯板的控制冷卻熱處理工藝曲線圖。
圖2貝氏體鑄鋼襯板顯微組織的掃描電鏡形貌圖。
圖3貝氏體鑄鋼襯板顯微組織的透射電鏡形貌圖。
圖4為霧化噴淋裝置結構示意圖。
圖4中，1為噴頭組，2為管組，3為供水管，與水泵相連，4為壓力計，5為流量計。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。
本發明中鑄鋼襯板的成分質量比(wt.％)為C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余量為Fe。
將按下表所列實施例1-4的化學成分進行配料計算后的原料放入中頻感應電爐中熔煉，電爐用酸性爐襯，并用石英砂作造渣劑，出爐前5分鐘加入Si、Mn合金元素，控制鋼水出爐溫度在1530℃，終脫氧為鋁線澆包內脫氧
(1)、將熔煉的鋼水按下列方法澆鑄成型采用真空實型鑄造(EPC)。具體是先將襯板模樣粘結成串，然后涂掛上1mm厚的石英砂膨潤土膏狀涂料，在60℃的溫度下烘烤4h；造型時，先將砂箱放在振動臺上，填入底砂，振動30s后，刮平底砂，放入有涂料的模樣串，再從砂箱的邊角處填砂，填滿砂后振動60s，刮平砂表面，用塑料薄膜覆蓋在砂箱表面，并置入澆口杯，然后抽真空。在真空度達到0.58MPa時，采用立澆方式進行澆注，澆注時間10s，澆注后繼續抽真空15min，抽真空完畢后，靜置30min，即可開箱；(2)將澆鑄成型的鑄鋼襯板進行下列熱處理a、將襯板加熱到奧氏體區，選擇溫度為860℃，保溫2h；b、將水進行霧化，然后連續噴淋在襯板上進行冷卻，并控制水流的壓力為0.1MPa，直到襯板溫度低于350℃后，停止噴淋；c、將噴淋冷卻后的襯板堆積在封閉的容器中，利用襯板的余熱進行保溫3h；d、將襯板從容器中取出，空冷至室溫，即得具有貝氏體/馬氏體復相組織的鑄鋼襯板；(3)將熱處理后的襯板低溫回火，溫度220℃，保溫2h。
上述實施例中澆鑄出的襯板成形良好，表面光潔，內部致密。接著主要考察了經控制冷卻熱處理后貝氏體鑄鋼襯板的組織和性能(包括襯板的硬度、沖擊韌性、沖擊磨料磨損性能)以及工業化應用結果。
從控制冷卻熱處理后的鑄鋼襯板上取樣分析了其顯微組織，根據圖2結合X射線衍射分析可以得出結論所選成分的鑄鋼襯板經過控制冷卻熱處理后獲得的組織主要為典型下貝氏體及少量馬氏體和殘余奧氏體。從圖3鑄鋼襯板的TEM形貌結合選取衍射結果可知，襯板中的貝氏體鐵素體條(圖中白色板條)之間基本平行，無位向差，在其中有密集的位錯線和定向排列的碳化物，屬典型的下貝氏體形態。
通過進一步的分析檢測，本發明所制備襯板的力學性能如下
可以看出，所制備貝氏體鑄鋼襯板的硬度值在HRC53～55，沖擊韌性αk值在22～27J/cm2，具有良好的強韌性配合和綜合力學性能。沖擊磨料磨損試驗結果表明所研制的控制冷卻貝氏體/馬氏體復相鑄鋼襯板試樣在低沖擊功時，磨損性能與油淬馬氏體和等溫淬火貝氏體/馬氏體試樣基本相當，是高錳鋼試樣的1.8～1.9倍；而在高沖擊功時，控制冷卻貝氏體/馬氏體復相組織試樣耐磨性要強于油淬馬氏體、等溫淬火貝氏體/馬氏體和高錳鋼試樣，耐磨性是高錳鋼試樣的1.3～1.5倍。
采用本發明生產的貝氏體鑄鋼襯板在云南土官水泥廠、富民水泥廠等水泥生產廠家工業應用結果表明，其使用壽命在Φ1.8×7m球磨機中可達2.5～3年，為原使用高錳鋼襯板的2倍以上；在銅選廠，生產的襯板在的Φ1.5×3m的球磨機上，使用壽命在1.5年，而原高錳鋼襯板只有9個月左右；在鐵礦，生產的條形襯板在Φ3.6×4m的球磨機上使用壽命為原高錳鋼襯板壽命的1.4倍。以上可見，所研制的控制冷卻貝氏體鑄鋼襯板在金屬礦山、水泥磨機上使用，其壽命是原高錳鋼襯板的1.5～2.0倍。
權利要求
1.一種貝氏體耐磨鑄鋼襯板，其特征在于襯板的成分質量比(wt.％)為C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余量為Fe。
2.根據權利要求1所述的貝氏體耐磨鑄鋼襯板的制造方法，其特征在于經過下列工藝步驟制得(1)將按化學成分進行配料計算后的原料放入中頻感應電爐中熔煉，電爐用酸性爐襯，并用石英砂作造渣劑，出爐前5～8分鐘加入Si、Mn合金元素，控制鋼水出爐溫度在1480℃～1530℃，終脫氧為鋁線澆包內脫氧；(2)將(1)步驟的鋼水澆鑄成型；(3)將澆鑄成型的鑄鋼襯板進行下列熱處理a、將襯板加熱到奧氏體區，加熱溫度控制在860～880℃，保溫1～2h；b、將霧化水連續噴淋在襯板上進行冷卻，并控制水流的壓力為0.1～0.16MPa，直到襯板溫度達到260～350℃后，停止噴淋；c、將噴淋冷卻后的襯板堆積在封閉的容器中，利用襯板的余熱進行保溫2～3h；d、將襯板從容器中取出，空冷至室溫，即得具有貝氏體/馬氏體復相組織的鑄鋼襯板；(4)將熱處理后的襯板低溫回火，溫度220℃，保溫1～2h。
3.根據權利要求2所述的貝氏體耐磨鑄鋼襯板的制造方法，其特征在于所述步驟(2)的鋼水澆鑄成型采用真空實型鑄造，具體是先將襯板模樣粘結成串，然后涂掛上1～2mm的石英砂膨潤土膏狀涂料，在50～60℃的溫度下烘烤2～4h；造型時，先將砂箱放在振動臺上，填入底砂，振動30～40s后，刮平底砂，放入有涂料的模樣串，再從砂箱的邊角處填砂，填滿砂后振動60～90s，刮平砂表面，用塑料薄膜覆蓋在砂箱表面，并置入澆口杯，然后抽真空。在真空度達到0.52～0.58MPa時，采用立澆方式進行澆注，澆注時間10～15s，澆注后繼續抽真空15～20min，抽真空完畢后，靜置30～40min，即可開箱。
4.根據權利要求2所述的貝氏體耐磨鑄鋼襯板的制造方法，其特征在于所述步驟(3)中b過程的霧化水通過霧化噴淋裝置得到，霧化噴淋裝置由其上帶噴頭組的管組，連接管組的其上裝有流量計、壓力計的供水管，連接供水管的水泵構成。
全文摘要
本發明涉及一種貝氏體耐磨鑄鋼襯板及其制造方法。該鑄鋼襯板的成分質量比(wt.％)為C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余為Fe。其制造方法是利用中頻感應電爐熔煉結合真空實型鑄造工藝制備出鑄鋼襯板；然后采用控制冷卻熱處理工藝對襯板進行熱處理以獲得貝氏體復相組織；最后進行低溫回火。所制備的襯板組織主要為針狀貝氏體及少量馬氏體和殘余奧氏體，襯板的硬度值在HRC53～55，沖擊韌性α
文檔編號C21C7/06GK101045972SQ20071006583
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月24日 優先權日2007年4月24日
發明者周榮, 蔣業華, 黎振華, 周榮鋒, 盧德宏, 張玉勤 申請人:昆明理工大學