專利名稱：多元合金耐磨耐蝕高韌性襯板及其制造方法
一種多元合金耐磨耐蝕高韌性襯板及其制造方法，屬于一種多元合金鋼材質的襯板及其制造方法，涉及球磨機技術領域。
襯板是球磨機上應用的消耗量僅次于磨球的一種易損件。我國目前應用的襯板品種主要有兩大類，第一大類為高錳鋼襯板，材質多為Mn13，采用鑄造加水韌化處理方法制造，該種襯板韌性極好，不易斷裂，但其硬度低，它需要在使用過程中受到沖擊，才能達到強化，增加硬度，提高耐磨性。我們知道，由于襯板在球磨機里使用過程中，有一層物料墊著，受磨球和大塊物料的沖擊作用很小，磨擦作用占主導地位，這樣襯板得不到強化效果，只是以其原有水韌化處理的基體硬度HB230左右來承受磨損。這樣襯板的抗磨性很差，不能充分發揮鋼材的潛在性能，造成巨大浪費。另一大類襯板是合金鋼材質的襯板，這是近代本領域歷圖研究發展的一個品種，現有的合金鋼襯板主要以中碳合金鋼為主，如中國專利93105874.0采用鑄造、退火、油淬火、回火工藝制造工藝較復雜，成分含有Cr、Mo、Cu貴重金屬較多，產品成本也高，況且由于襯板的壁厚不一致性較大，有些產品結構復雜，淬透性與淬硬性較難匹配，工藝難以控制，韌性達不到要求，應用單耗也高，不能達到理想境地。
本發明的目的在于解決上述已有技術存在的問題，取長襯短，提供一種即具有高硬度耐磨、高強度耐沖擊不斷裂，又具有良好耐腐蝕性的多元合金配制的襯板及加工該襯板的一種工藝穩定、簡單易行、成本低廉的制造方法。
本發明以如下技術方案實現襯板的化學成分為(按重量％計)C＝0.45-0.65，Si＝0.5-1.1，Mn＝1.6-3.0，Cr＝0.5-1.2，B＝0.001-0.0025，Ti＝0.1-0.2，P≤0.04，S≤0.04，Re＝0.1，余量為Fe。
襯板的制造方法是將上述化學成分的金屬熔液依次經以下工藝步驟制成襯板(1)在1480-1530℃之間澆鑄到所需襯板形狀的砂型鑄造腔內冷卻成型，緩冷至200℃以下再空冷；(2)經清理打磨，在780-830℃保溫1.5～2.5h后隨爐冷退火至200℃以下再空冷；(3)以≤1.5℃/S的速度將襯板加熱到820-860℃保溫一定時間；(4)立刻進入到旋轉風冷淬火機上淬火冷卻，使襯板在400℃以上以≥1.5℃/S速度冷卻，在400℃以下以≤1℃/S速度冷卻，冷卻至230-330℃出淬火機；(5)接著在180-280℃緩冷保溫爐內余熱保溫18-24h后空冷至室溫；(6)在250-270℃，4～6h回火制成。
本發明提供的襯板其選材各組分的成分取值范圍及限定的理由是我們追求襯板的性能指標是硬度HRc50以上，沖擊韌性αk值在25～38J/cm2之間，并且具有良好的耐腐蝕性能。這樣，CC是強化鋼的最重要元素，決定鋼的淬硬性和碳化物的數量以及金相組織的形成，碳含量愈高，淬火后硬度愈高，為追求襯板強韌匹配的良好綜合機械性能，不是硬度越高越好，經試驗限定碳含量在0.45～0.65％為宜。MnMn在鋼中最顯著的特點是，提高鋼的淬透性效果最好，同時對鋼中的鐵素體有強烈的強化作用并使碳化物穩定和彌散，其不利的一面是促使晶粒粗化，脫碳及過熱敏感性增加，綜上因素其含量限定在1.6～3.0％為宜。Si鋼中加入Si促使曲C線上移，Si加入錳鋼中能夠阻礙因錳而產生的晶粒粗化，Si、Mn同時加入鋼中會有更好的促使鋼的淬透性增強的效果，范圍控制在0.5～1.1％之間。CrCr也是提高淬透性的合金元素之一，它能固溶鐵素體，又能和鋼中的碳形成多種碳化物，并阻礙晶粒長大，獲得提高回火穩定性，提高強韌性和耐磨性的效果，其在鋼中的不利一面是擴大回火脆性，因此控制量為0.5～1.2％。B含有Si、Mn鋼中加入0.001～0.004％微量的B，對于提高淬透性有突出的作用，但過量的B在鋼中是有害的，B只能以固溶狀態存在才能提高淬透性，由于B是極活潑的元素，易與鋼中的氧和氮形成氧化物、氮化物，以化合物存在的B不能提高淬透性，過量的B以Fe2B存在，不能提高淬透性，反而會嚴重影響鋼的韌性。實踐證明在0.003％B含量已經使鋼的韌性不夠穩定了，另外B對鋼提高淬透性是有C含量選擇的，B加入亞共析鋼有效，加入過共析鋼無效。考慮到C含量選在0.45～0.65％，所以B含量選在0.001～0.0025％。TiTi是強烈阻礙晶粒粗化的元素，能夠形成極穩定的TiC阻止奧氏體晶粒粗化，本發明加入Mn量較大，極易發生晶粒粗化，鋼中加入少量的Ti不僅能夠阻礙晶粒粗化，而且能夠使鋼的強度和韌性同時提高，另外Ti還能形成很細小很難溶的化合物阻礙奧氏體晶粒粗化。Ti和C的化合物有較高的硬度，這也是我們追求的，用以提高襯板耐磨性的手段。Ti的加入量選擇0.1～0.2％。Re稀土的加入量為1‰左右，主要目的是用于凈化鋼水，改變非金屬夾雜物形態，改善鑄態組織使之均勻細化，同時利用其強脫氧性并對硫的大親合力，凈化晶界，提高鑄件質量。S、P是鋼中的有害元素，本發明兩種元素不超過0.04％即可，其余為Fe。本發明采用的制造方法制定依據如下采用工藝步驟(1)1480℃～1530℃溫度澆鑄，即保證一定流動性，又有利于補縮和防止粘砂。在200℃以下出砂是由于本發明鋼的淬透性極好，襯板結構有時復雜，以防急冷開裂。采用工藝步驟(2)在780～830℃退火，目的是消除鑄造時產生的熱應力和組織應力并改善組織為其后的淬火作準備，本工藝參數是經實驗結果選定的。采用工藝步驟(3)以≤1.5℃/S的速度加熱襯板是為了防止襯板變形或開裂，并保證內表加熱的均一性，這種材料的奧氏體轉變溫度在790℃左右，所以選擇加熱溫度為820～860℃作為淬火加熱溫度。采用工藝步驟(4)是使襯板在400℃以上保證≥1.5℃/S速度冷卻，滿足臨界冷卻速度要求，獲得要求的40-60％馬氏體，20-40％下貝氏體，5-10％碳化物和10％左右殘余奧氏體混合組織，硬度在HRC50以上的性能。在400℃以下以≤1℃/S速度冷卻是為了減少熱應力的產生和因組織轉變速度過快而產生大量的組織應力而控制的。到達150～350℃即進入貝氏體轉變區。便可進入保溫緩冷階段。這一步驟是在圖1所示的旋轉式風冷淬火機上實現的，旋轉式風冷淬火機由傳動系統1、轉盤2、供風裝置3、溫控器4組成。襯板5在轉盤2上，由傳動系統1以2-5轉/分速度轉動，同時上方的供風裝置供強風冷卻，當工件溫度達到400℃以下時，溫控器發出信號控制供風裝置降低風量，保證在≤1℃/S速度下冷卻，到230～330℃期間，溫控器發出信號停止供風襯板離開轉盤。采用工藝步驟(5)在180～280℃緩冷余熱保溫目的是創造形成貝氏體的條件，得到盡可能多的貝氏體含量，實踐證明150-250℃是該鋼種貝氏體轉變的最佳溫度，保溫緩冷過程中伴有馬氏體的轉變，保溫18-24h轉變基本結束。在隨后的空冷過程中還能進一步促使奧氏體向馬氏體轉變。采用工藝步驟(6)在250～270℃進行4-6h回火，目的是消除組織轉變產生的內應力，并穩定組織，溫度過高時間長，一則浪費能源，二則硬度損失太大，溫度低，時間短達不到目的。回火后的組織為回火馬氏體+下貝氏體+碳化物+殘余奧氏體。
本發明所具有的有益效果由于襯板的化學成分設計時充分考慮到襯板的制造工藝性，應用條件及適應性等因素，因此襯板的化學成分設計合理，通過鑄造、退火、風冷淬火、保溫緩冷、回火等上述制造工藝處理后，得到40～60％馬氏體、20～40％下貝氏體、5～10％碳化物和10％左右的殘余奧氏體組成的混合組織，既有較高硬度的合金碳化物質點和馬氏體，又有強韌性極佳又耐腐蝕的貝氏體存在，使襯板有效厚度160mm以內都具有心表一致的HRC50-56的高硬度，沖擊韌性達αk＝25-38J/cm2，該襯板具有耐磨、耐沖擊并耐腐蝕的性能效果，這種強韌性匹配合理，均超過上述兩類襯板的綜合機械性能，適應各類磨機的應用，特別是由于它具有一定的抗腐蝕性能，特別適合在濕法磨上使用，壽命較其它襯板高1倍以上。由于化學成分無特別貴重金屬，含量未超過6％，成本低廉，襯板的加工方法簡單易行，襯板不變形，不產生裂紋，風冷淬火安全、無污染，是目前應用襯板的最佳更新換代產品。
圖1為旋轉風冷淬火機工作原理圖；圖2為實施例1金相圖；圖3為實施例2金相圖。
下面結合實施例詳細說明本發明。實施例1配制襯板材料的化學成分(按重量％計)C＝0.48，Si＝0.7，Mn＝2.35，Cr＝0.83，B＝0.0018，Ti＝0.13，P＝0.028，S＝0.031，Re的加入量為0.1，其余為Fe。
制造方法1將上述化學成分的金屬熔液依次經下述工藝步驟制成襯板(1)在1495℃澆鑄到事先準備的所需襯板形狀的砂型鑄造腔內冷卻成型，保證凝固成形的襯板在砂中緩慢冷卻至180℃時出砂；(2)將襯板清理打磨，然后在810℃保溫2h，隨爐冷退火，冷至190℃再空冷；(3)以≤1.4℃/S的速度將襯板加熱到840℃保溫1小時；(4)出爐進入到旋轉風冷淬火機上淬火冷卻，全風量吹風冷卻約300S，約400℃時，控溫器4驅動調節器減少一半風量吹風約180S，在280℃±15℃時出淬火機；(5)接著在緩冷保溫爐內余熱保溫21個小時，出爐空冷；(6)在熱風循環井式爐中加熱到255℃，保溫5h回火后空冷制成襯板。
金相組織回火馬氏體+下貝氏體+合金碳化物+殘余奧氏體，由圖2給出金相圖，硬度HRC52.5，沖擊韌性αk＝29.5J/cm2，(U型缺口)。
實施例2襯板材料的化學成分為(按重量％計)C＝0.62，Si＝1.05，Mn＝2.75，Cr＝0.89，B＝0.0022，Ti＝0.18，P＝0.039，S＝0.025，Re加入量為0.1，其余量為Fe。
制造方法2將上述化學成分的金屬熔液依次經下述工藝步驟制成襯板(1)在1520℃澆鑄到所需襯板形狀的砂型鑄造腔內冷卻成型，冷凝后襯板在190℃時出砂；(2)在870℃±5℃保溫2h，隨爐冷退火，冷至200℃再空冷；(3)以≤1.4℃/S的速度將襯板加熱到855℃保溫1.2h；(4)出爐進入到旋轉風冷淬火機上冷卻，全風量吹風冷卻約300S，約400℃時，溫控器4驅動風量調節器減少一半風量吹風約180S，在270℃±15℃時出淬火機；(5)接著在緩冷保溫爐內余熱保溫23個小時，出爐空冷；(6)在熱風循環井式爐中加熱到245℃，保溫4h回火后空冷制成。
金相組織回火馬氏體+下貝氏體+合金碳化物+殘余奧氏體，由圖3給出金相圖，硬度HRC54.6，沖擊韌性27.3J/cm2，(U型缺口)。
權利要求
1.一種多元合金耐磨耐蝕高韌性襯板，其特征在于襯板的化學成分為(按重量％計)C＝0.45-0.65，Si＝0.5-1.1，Mn＝1.6-3.0，Cr＝0.5-1.2，B＝0.001-0.0025，Ti＝0.1-0.2，P≤0.04，S≤0.04，Re＝0.1，余量為Fe。
2.如權利要求1所述的襯板的制造方法，其特征在于將含有權利要求1所述化學成分的金屬熔液依次經以下工藝步驟制成襯板(1)在1480-1530℃之間澆鑄到所需襯板形狀的砂型鑄造腔內冷卻成型，緩冷至200℃以下再空冷；(2)經清理打磨，在780-830℃保溫1.5～2.5h后隨爐冷退火至200℃以下再空冷；(3)以≤1.5℃/S的速度將襯板加熱到820-860℃保溫一定時間；(4)立刻進入到旋轉風冷淬火機上淬火冷卻，使襯板在400℃以上以≥1.5℃/S速度冷卻，在400℃以下以≤1℃/S速度冷卻，冷卻至230-330℃出淬火機；(5)接著在180-280℃緩冷保溫爐內余熱保溫18-24h后空冷至室溫；(6)在250-270℃、4～6h回火。
全文摘要
一種多元合金耐磨耐蝕高韌性襯板及其制造方法，屬磨球機技術。襯板的化學成分為(按重量％計)C＝0.45-0.65，Si＝0.5-1.1，Mn＝1.6-3.0，Cr＝0.5-1.2，B＝0.001-0.0025，Ti＝0.1-0.2，P≤0.04，S≤0.04，Re＝0.1，余量為Fe。按該成分鑄成襯板，在780-830℃退火再加熱到820-860℃保溫一定時間后風冷淬火到230-330℃進行余熱保溫16-24h，在250-270℃、4～6h回火。該襯板化學成分及加工工藝合理，耐磨、耐蝕、耐沖擊，成本低，易加工，是現襯板最佳更新換代產品。
文檔編號C22C38/38GK1165203SQ9612128
公開日1997年11月19日 申請日期1996年12月10日 優先權日1996年12月10日
發明者魁永生, 高臣, 李保平, 王松濤 申請人:魁永生, 高臣