高碳中鉻合金耐磨鋼的制作方法

專利名稱：高碳中鉻合金耐磨鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于受沖擊不太大的高強度耐磨鋼，尤指高碳中鉻合金耐磨鋼。
在
背景技術：
中，火電廠筒式鋼球磨煤機的襯板，包括水泥磨、礦石磨的襯板等所用材料都是英國人哈特菲爾德(Hadfield)于1882年發明的高錳鋼，即我國的牌號ZGMn13(參閱GB5680-85)，其主要化學成分為Mn10～14％，C0.9～1.4％，余為Fe。這種鋼一般經水韌處理后使用，組織為單一奧氏體，原始布氏硬度HB≤229，沖擊韌性可達αk≥147J/cm2，在受較強烈沖擊作用下，其鋼表面發生加工硬化，硬度HB≥450，具有較好的耐磨性，故這種ZGMn13鋼是用于受沖擊載荷較強烈，對韌性要求又很高的工礦下工作的一種理想耐磨材料。但是用于球磨機襯板(特別是水泥磨和礦石磨)因不能充分加工硬化，用后硬度HB350以下，使鋼耐磨性潛力難以發揮，造成工作中這種高錳鋼不耐磨，使用壽命短。對于火電廠磨煤球磨機，因輸送及干燥煤粉的熱風作用，有相當部分煤粒處于懸浮及半懸浮狀態，故磨球直接撞擊到襯板的幾率大大增加，經我們測試，在這種磨機中工作的ZGMn13襯板，用后其工作表面的硬度可達HB450～500，但其硬化層很薄，僅100～150μm，而且硬度衰減劇烈，故也不能充分發揮其耐磨性潛力，此外其鋼屈服強度δs≤500N/mm2，抗拉強度δb≥637N/mm2，使用過程中極易變形，使拆卸維修困難，甚至剪斷或拉斷螺栓，發生反變形而脫落，造成早期失效，最短的使用壽命僅半年左右，當磨球硬度較高時，這種現象更為嚴重，給電廠的安全生產及正常生產帶來威脅，并造成鋼材的極大浪費，目前我國電力行業全國有球磨機1300余臺，年需襯板一萬余噸，約7000余萬元，如算上其他行業的球磨機襯板，每年消耗的襯板價值估計在2～3億元人民幣，可見鋼材浪費之大。為解決上述問題，國外從六十年代初開始研究新的耐磨襯板材料，國內于七十年代后期也開始了這方面的研究。現常用的有高鉻鑄鐵(如GB8263-87中的KmTBCr15Mo2)、鎳硬鑄鐵(如GB8263-87中的KmTBCr9Ni5Si2)、高鉻鋼(含Cr量大于10～20％)、合金化高錳鋼或中錳鋼(如在ZGMn13或ZGMn7或ZGMn9中加入Cr、V、Ti、Mo、W等)、中、高碳多元低合金鋼(如ZGCoCrMnMoBRe、ZG35Cr2MnSiMoRe、ZG40CrMnSiMoRe、ZG40CrMnSi2MoV、ZG60CrMnSiMoCuRe等)以及高鉻鑄鐵-低碳鋼雙金屬復合襯板。高鉻鑄鐵、鎳硬鑄鐵及高鉻鋼因含鉻量高，含鎳、鉬量高，以及含碳量高(含碳量在1％～3％)，故淬透性好，熱處理一般采用奧氏體化保溫后空冷，再經低溫(200～300℃)回火去除應力及穩定組織后使用，其余相組織多為回火馬氏體+M7C3型共晶碳化物(HV1200～1800)+粒狀二次碳化物+殘余奧氏體，這種組織硬度高(一般HRC≥55～58)，耐磨性好，但韌性低(一般αk≈4～7J/cm2)，故主要用于直徑較小，受沖擊不大的水泥或礦石磨的襯板，而在火電廠磨煤用球磨機的襯板上因受沖擊較大，易碎裂而極少使用。合金化高錳鋼或中錳鋼的設計指導思想是加入少量碳(氮)化物形成元素以在組織中形成高硬度的碳(氮)化物硬質點(HV1000～1800)，增加耐磨性及降低水韌處理后奧氏體的穩定性，提高Ms點，以期望在使用過程中在組織中形成應變馬氏體，提高加工硬化后的硬度，從而增加耐磨性，但我們曾進行的試驗表明其效果并不理想，耐磨性僅較ZGMn13提高20％左右，且其奧氏體基體組織仍使屈服強度較低σs≈600N/mm2左右)，變形現象仍較為嚴重。中高碳多元低合金鋼是基于減少合金元素含量以減低成本，通過多種元素的共同作用達到強化鋼中碳化物(使之成為合金滲碳體M3C型，HV800～1100)，提高其硬度，并增加鋼的淬透性以使熱處理(淬火)后獲得馬氏體或(馬氏體+貝氏體)組織，具有較高硬度，從而達到提高耐磨性的指導思想而發展的，但加入元素種類的增多使熔煉中需要控制的因素增多，熔煉工藝難度增加，質量不穩定的因素也趨于增多，同時合金元素的總量也將近達到中合金鋼水平，加之熱處理中淬火介質多采用油，實際成本并沒有明顯比一元中合金鋼減低，油淬也給熱處理帶來較差的工作環境，同時淬火時機控制不好很容易使工件開裂而報廢。中碳多元低合金鋼一般采用淬火(介質多為油或其他有機溶液)+低溫回火熱處理，其組織多為板條狀回火馬氏體(低碳馬氏體)十二次碳化物，具有較好的綜合機械性能(HRC≥45～48，αk＝20～40J/cm2)，但在磨料較硬的工況下，特別是火電廠磨煤球磨機中沖擊較大，即使ZGMn13襯板也有一定程度的加工硬化的情況下，其使用效果并不理想，如我們曾在陜西霸橋熱電廠試驗過的ZG35Cr2MnSiMoRe比ZGMn13襯板耐磨性及使用壽命就無明顯提高，僅使變形現象有較大改善。高碳多元低合金鋼一般亦采用淬火+低溫回火工藝(介質一般為機油，因采用空冷仍不能淬透)，熱處理后組織為針狀回火馬氏體(高碳馬氏體)十二次碳化物+殘余奧氏體組織，這種組織具有較高硬度(HRC≥50)，但韌性要比中碳多元低合金鋼低，耐磨性較好，但批量生產仍存在工藝難以穩定，淬火易開裂的問題，特別是使用過程中因難以發現的微裂紋等缺陷較多，常發生襯板的斷裂。高鉻鑄鐵-低碳鋼雙金屬復合襯板不失為優良的耐磨性與良好的韌性相結合的典范，但其合金含量仍較高，生產工藝較復雜仍使成本較高，特別是大批量生產時，尤其對于形狀較復雜的耐磨件，高鉻鑄鐵與低碳鋼的結合質量難穩定地得到保證。總之基于上述襯板材料的研究現狀，球磨機的襯板特別是火電廠磨煤球磨機的襯板目前仍主要使用高錳鋼或合金化高錳鋼。其他襯板材料目前均還處于試驗階段。
本發明的目的是為了克服上述背景技術中的不足之處，根據原能源部科技司和中電聯科技工作部，以技計(89)78號文B892030項“磨煤機耐磨材料研究”下達給西安電力機械廠的任務，在對現有襯板材料的優缺點進行分析，并吸取曾進行的試驗失敗的經驗的基礎上，從綜合經濟效益的提高及工藝性能的改善，耐磨性的提高(在組織中出現(FeCr)7C3型碳化物，繼承高路鑄鐵耐磨性好的優點，再淬火使基體組織為M，繼承中、高碳多元低合金鋼耐磨性好的優點，但使韌性高于高鉻、鎳鑄鐵，以保證安全性)出發，在中合金鋼范疇開發研制出高碳中鉻合金耐磨鋼，其成本與ZGMn13相當或略低，而用于球磨機襯板耐磨性比ZGMn13提高55％以上，理論計算及實踐表明其具有保證安全運行足夠的韌性，且裂紋敏感性小，因而能在保證安全運行的條件下，延長襯板的使用壽命，減少停機，減低材料和檢修費用，增加生產率，達到獲得更好的經濟效益和社會效益。這種高碳中鉻合金耐磨鋼不僅適用于火電廠煤球磨機的襯板，而且也適用于水泥磨、礦石磨的襯板及類似工況下的耐磨件。
本發明的技術解決方案如下適當提高含碳量，控制在C0.50％～0.75％，以提高熱處理淬火后鋼中馬氏體的硬度，增加鋼的耐磨性，并保證一定的韌性。提高含鉻量，控制在Cr4.5％～7.5％，在組織中出現M7C3型碳化物(FeCr)7C3，硬度高達HV1200～1800，高于中高碳多元低合金鋼中的合金滲碳體(M3C)，其硬度HV800～1100，進一步提高鋼的耐磨性，此外，鉻和鐵能形成連續固溶體，強化基體，提高強度和硬度而不減低韌性。鉻還能提高鋼的回火穩定性及淬透性，并由于殘奧的分解產生二次硬化，有利于提高耐磨性。鉻還能在鋼的表面形成Cr2O3膜，改善鋼的抗氧化性，提高鋼的抗腐蝕能力。另外適當加入鉬(或鎳)元素，增加鋼的淬透性，提高鋼的回火穩定性，降低回火脆性，進一步簡化熱處理工藝(空淬即可達到淬透)。適當加入稀土元素，進一步脫硫、去氣，改善鋼的冶金質量，提高鋼的塑性和韌性。為了降低成本，不考慮加入其它釩V、鎢W、鈦Ti、鎳Ni、銅Cu、硼B等較貴重元素。
本發明的組成(重量百分比)如下碳C0.50～0.75％，錳Mn0.60～1.5％，硅Si0.40～1.0％，鉻Cr4.5～7.5％，磷P≤0.04％，硫S≤0.04％，余為鐵Fe。
本發明的組成還可以是加入鉬Mo0.30～0.60％。
按鋼水量加入稀土Re0.20％。
錳Mn可擴至0.60～2％。
按上述組成經冶煉鑄造生產的鑄鋼件的成型鋼，進行熱處理，其工藝方法是，加熱淬火溫度為AC3+40℃～80℃，(AC3為鋼加熱時組織全部轉變為奧氏體的終了溫度，即上臨介點)待組織全部轉變為奧氏體后，保溫一段時間以均化組織，采用空冷或風冷，當冷卻到室溫后，再采用加熱至220～450℃，保溫后爐冷或空冷的回火工藝，最后得到鋼的金相組織為回火馬氏體+彌散分布粒狀二次碳化物+少量殘余奧氏體，并允許組織中存在個別少量塊狀碳化物。
本發明的


如下圖1是ZG60Cr6MoR高碳中鉻鋼經熱處理后的金相組織。
圖2是熱處理工藝圖。
圖1中標號1-極少量的塊狀碳化物，2-隱針狀馬氏體+顆粒狀二次碳化物+少量殘余奧氏體。
下面是
具體實施例方式實施例1在鋼的冶煉爐中，加入碳、錳、硅、鉻、鉬，控制碳C0.50～0.75％，錳Mn0.60～1.5％，硅Si0.40～0.80％，鉻Cr4.5～7.5％，鉬Mo0.30～0.60％，為進一步提高冶金質量，則可按鋼水量加入0.20％的稀土Re，磷P≤0.04％，硫S≤0.04％，余為鐵Fe。經冶煉鑄造后得到的成型鑄鋼件，再進行熱處理，見圖2所示，其工藝是，將鋼加熱至AC3+40℃～80℃，待組織全部轉變為奧氏體并保溫后，采用空冷或風冷，冷卻至室溫，再低溫回火，得到鋼的金相組織為回火馬氏體+彌散分布粒狀二次碳化物+少量殘余奧氏體。參見附圖1，其組織為極少量的塊狀碳化物1和(隱針狀馬氏體+顆粒狀二次碳化物+少量殘余奧氏體)2，其組成的化學成分為(見化驗報告)牌號是高碳中鉻鋼ZG60Cr6MoR，碳C0.60％，錳Mn1.12％，硅Si0.84％，硫S0.022％，磷P0.027％，鉻Cr5.97％，鉬Mo0.61％，稀土Re0.0073％，經化驗，其強度σb≥1300N/mm2，σ0.2≥1000～1200N/mm2，整體硬度高，原始硬度為HRC50～58，使用后達60左右，韌性適中αk≥15J/cm2，。
實施例2其組織成分基本同實施例1，不同之處是通過控制各組織成分，使其經過上述熱處理，得到牌號為ZG55Cr6MnMoRE、ZG60Cr5MnMoRE、ZG60Cr6MoRE、ZG65Cr7MnMoRE、ZG70Cr7MnMoRE、ZG75Cr7MnMoRE、ZG60Cr5Mn2MoRE、ZG55Cr5Mn2MoRE、ZG65Cr5Mn2MoRE等。
本發明的優點和效果如下一、經陜西寶雞發電廠和陜西韓城發電廠試運行，下面將幾種襯板材料對比如下項目中錳合金鋼 ZGMn13 稀土耐磨鋼(中高碳 高碳中鉻合金多元低合金鋼之一) 耐磨鋼C1.10～1.20C0.9～1.4 C0.6～0.65 C0.5～0.75主要 Si0.30～0.80 Si0.3～1.0 Si0.4～0.6 Si0.5～1.0成分 Mn8.00～9.50 Mn11.0～14.0Mn1.0～1.3 Mn0.6～1.2(％)Cr1.50～2.50 Mo0.3～0.5 Mo0.30～0.6Cr2.9～3.8 Cr4.5～7.5熱 Ni1.3～1.8 Re0.2(加入量)處 工 水韌處理 水韌處理 不詳 空淬+回火理 藝組織奧氏體+少量碳化物奧氏體粗針狀馬氏體+殘奧 細回火馬氏體十二次碳化物+少量殘奧σb≥700N/mm2σb≥650N/mm2σb≥1300N/mm2性能αk≥120J/cm2αk≥147J/cm2αk≈8～10J/cm2αk≥15J/cm2HB＝200～230 HB≤229 HRC 55～59 HRC 50～581.2 1 因碎裂嚴重無法稱重 1.55～1.66計算變形情況 變形較嚴重 變形較嚴重 無變形 無變形碎裂情況 無碎裂 無碎裂 碎裂嚴重(早期失效) 無碎裂使用壽命 較長，有時 較長，有時 較ZGMn13短，主要因碎理想狀態壽命較變形嚴重會 變形嚴重會 裂嚴重而脫落造成失效。
ZGMn13延長55～66％，早期失效早期失效無裂紋和變形，拆卸維修較ZGMn13方便。安 全 性 較安全(不 較安全(不 不安全(斷裂嚴重)安全(正常運行無斷裂)會斷裂) 會斷裂)經 濟 性 生產簡便， 與ZGMn13比成本較高，成本與ZGMn13相當或略低，成本較低。
生產工藝不詳。
生產工藝比ZGMn13略復雜。出處 見陜西省韓 見陜西省韓 見陜西省韓城發電廠 見陜西省韓城發電廠運行城發電廠運 城發電廠運 運行報告報告行報告 行報告注因工況如煤質，磨機結構等對使用者壽命等技術指標影響較大，故相互比較只能在相同工況下進行。
經上述指標對比，可見①提高鉻Cr含量至4％以上，使組織中出現(FeCr)7C3型高硬度(HV1200～1800)硬質點相，以進一步增加耐磨性。②由于Cr含量增高，增加了淬透性，使空淬獲得馬氏體組織，簡化熱處理工藝，實現批量生產，質量穩定。本發明與現用的ZGMn13襯板比較，具有強度高，不變形、拆卸維修方便，耐磨性提高0.5～1倍，使用壽命長，韌性適中，不碎裂，可保證安全運行等優點。本發明與中高碳低合金鋼襯板及高鉻鑄鐵復合雙金屬襯板比較，具有工藝性能好，生產工藝簡便易行，質量易于控制，成品率高，易于實現批量生產，成本相當或略低等優點(耐磨性優于一般中、高碳低合金鋼)。
2、經多次試驗，高碳中鉻鋼合金元素含量僅是ZGMn13的一半，耐磨性和使用時間按提高50％計，ZGMn13的平均壽命為4年，則高碳中鉻鋼為6年，以及能耗、檢修、材料和人工等費用的降低，全國礦山、建材等系統有數萬臺磨，年需襯板20萬噸，若全部改用高碳中鉻鋼，則能節約一億四千萬元，若再考慮少停機多發電，少燒油等因素，則能創造出更大的經濟效益和社會效益。
3、經對本發明在試驗室的各種試驗和兩家電廠大中型磨機的裝機試運行，中國電力工業部科學技術司于1994年4月對高碳中鉻鋼球磨機襯板組織會議鑒定，鑒定委員會一致認為本發明具有良好的綜合機械性能，安全可靠，又發揮了材料的耐磨性潛力；具有明顯的經濟效益；該技術居國內領先水平。
權利要求
1.高碳中鉻合金耐磨鋼，其特征是，它的組成成分為碳C0.50～0.75％，錳Mn0.60～1.5％，硅Si0.40～1.0％，鉻Cr4.5～7.5％，磷P≤0.04％，硫S≤0.04％，余為鐵Fe。
2.根據權利要求1所述的高碳中鉻合金耐磨鋼，其特征是加入鉬Mo0.30～0.60％。
3.根據權利要求1所述的高碳中鉻合金耐磨鋼，其特征是按鋼水量加入稀土Re0.20％。
4.根據權利要求1所述的高碳中鉻合金耐磨鋼，其特征是錳Mn可擴至0.60～2％。
5.熱處理權利要求1所述的高碳中鉻合金耐磨鋼的工藝方法，其特征是加熱淬火溫度為AC3+40℃～80℃，待組織全部轉變為奧氏體后，保溫一段時間以均化組織，采用空冷或風冷，當冷卻到室溫后，再采用加熱至220～450℃，保溫后爐冷或空冷的回火工藝，最后得到鋼的金相組織為回火馬氏體+彌散分布粒狀二次碳化物+少量殘余奧氏體。
6.根據權利要求5所述的高碳中鉻合金耐磨鋼的工藝方法，其特征是鋼得到的金相組織中，還可允許組織中存在個別少量塊狀碳化物。
全文摘要
本發明涉及高碳中鉻合金耐磨鋼。目的是代替現火電廠、礦山、建材等系統使用的球磨機上的ZGMn13襯板，保證安全運行條件下，提高各技術經濟指標。主要成分是C0.50～0.75％，Cr4.5～7.5％，Mo0.30～0.60％，成型鑄鋼體經空淬+回火熱處理。優點是經試驗室的各種試驗和兩家電廠大中型磨機的裝機試運行，耐磨性較ZGMn13提高0.55～1倍，由中國電力工業部科技司組織會議鑒定，認為本發明具有良好的綜合機械性能，安全可靠，又發揮了材料的耐磨性潛力，該技術居國內領先水平。
文檔編號C22C38/38GK1137069SQ96118610
公開日1996年12月4日 申請日期1996年1月25日 優先權日1996年1月25日
發明者程必國, 蘇云彪, 張云朝, 王大有 申請人:西安電力機械廠