礦用無鉬鎳耐磨蝕中鉻合金鋼襯板的研制與應用

李固成，屈青山，王安民，陳 碩

(1.駐馬店市永誠耐磨材料有限公司，河南駐馬店 463000；2.黃淮學院，河南駐馬店 463000)

耐磨襯板是冶金礦山、建材水泥、火電能源、煤炭化工等行業管磨機內襯的主要易磨損件。據不完全統計，每年消耗量在60萬噸以上，其消耗量僅次于磨礦介質。冶金礦山濕法磨機襯板，傳統上主要以高錳鋼為主，但大量的生產應用事實反映出高錳鋼制備濕磨襯板，存在幾個方面問題：一是沖擊加工硬化能力不足，使用后HR≤C48，使用壽命短；二是屈服強度低，易塑性流變，加速了襯板過早失效；三是耐蝕性差。這些問題造成礦山濕磨襯板使用壽命短，停機檢修頻繁，嚴重影響磨礦正常生產。據中國冶金礦山協會統計，礦山襯板平均消耗量為0.14kg/t，襯板使用壽命低已成為選礦廠和氧化鋁廠的主要技術經濟問題之一[1]。高鉻鑄鐵襯板在使用過程中由于存在相界腐蝕嚴重，造成硬質相碳化物脫落，影響其使用壽命的提高，且合金元素含量高，企業生產成本加大，性價比優勢不明顯[2]。中(低)合金鋼襯板是近一個時期以來研制開發的適合我國國情的新型非錳系耐磨蝕鋼種，在礦用耐磨襯板中一般使用壽命是高錳鋼襯板的1.5倍以上，是替代高錳鋼的優良材料，市場發展潛力巨大[3]。但是，由于中(低)合金耐磨蝕鋼品種繁多，魚龍混雜良莠不齊、研究的多應用的少，生產過程中為提高淬透性和淬硬性，大部分都添加有Mo、Ni等貴重金屬元素，企業生產成本仍然偏高等原因，致使市場認知度低，在一定程度上影響和制約了非錳系中(低)合金鋼耐磨蝕襯板在礦山球磨機上的推廣和應用。近幾年來，隨著我國循環經濟的發展和節能減排政策的強力推進，研制推廣應用新型耐磨蝕合金鋼襯板，努力提高襯板使用壽命和對傳統材料改造升級，降低鋼鐵金屬材料消耗，節約能源，提高管磨機生產效率，減輕人工現場作業量就顯得十分迫切和重要。

1 新型耐磨蝕合金鋼襯板的化學成分優化

濕式磨機襯板服役的工況條件惡劣，無論是pH＜6酸性介質或是pH＞6的堿性介質，只要有水存在，均會產生電化學反應，要求襯板一定要具有良好的耐腐蝕性。濕式襯板壁厚而大，還應具有適合的淬透性和淬硬性，以抵抗物料的磨損。根據經驗公式[4]，當 Hm∶Ha＞0.8時(Hm 材料硬度，Ha物料硬度)材料系統耐磨性好。同時研磨介質球徑較大時沖擊力也大，因此要求材質還應具有良好的耐沖擊性。我國濕式磨機的漿料大多是弱酸性、中性或堿性，而礦石硬度(約HV≥650)一般均較水泥熟料(HV≥550)或煤磨的物料硬度高，故其磨料磨損系統應屬于強磨損—弱腐蝕。在服役過程中磨損應占主導地位，但腐蝕因素不容忽視。因此，就中(低)合金耐磨鋼而言，努力爭取鋼的硬韌性配合,滿足HRC＋2.5X和ak＝200-50X(其中X可取-1,0,1,2,3)，保證材料既耐磨損、耐沖擊又耐腐蝕[5]。

Cr含量的確定。化學成分設計中，以Cr為主要合金元素。Cr不僅固溶強化基體，提高鋼的淬透性和耐腐蝕性能，同時Cr與C結合形成合金碳化物，提高鋼的耐磨性。有文獻介紹，當Cr含量增加到3.0%即可形成合金碳化物；1.0%C和4.0%Cr的鋼，其組織中除鐵素體和滲碳體(Fe,Cr)3C以外，又出現新的碳化物相(Cr,Fe)7C3；當Cr含量增加到5%時，鋼中(Fe,Cr)3C變成亞穩相，僅有鐵素體和合金碳化物(Cr,Fe)7C3。Cr與C的結合能力大于鐵和錳，在鋼中彌散分布，起到沉淀強化作用。Cr在淬火中得到馬氏體基體的同時也可能得到一定量的貝氏體基體，提高了鋼的強韌性，在回火過程中Cr可阻礙碳化物的析出與聚集，從而提高鋼的回火穩定性，使鋼的強度和硬度增加。因此，選擇Cr：4.0%～6.0%。

C含量的確定。C在鋼中不僅主要提高淬透性，還與Cr、Mn、Mo等合金元素形成的碳化物固溶于鐵素體中強化基體，使鋼的強度和硬度都大幅度提高，從而提高鋼的耐磨性。隨C量增加，HRC增加,沖擊韌性ak值降低；隨C量減少，HRC降低，沖擊韌性ak值增加。因此，選擇C：0.38%～0.6%。

Si含量的確定。Si無限固溶于鐵素體中，提高屈服強度。Si在1.0%左右時，不降低韌性，Si＞2.0%時韌性降低明顯，且增加回火脆性。因Si在鋼中呈酸性，在弱酸介質工礦條件下，Si含量按0.6%～1.2%控制。

Mn含量的確定。Mn大部分溶入鐵素體，強化基體，提高強度、淬透性和耐磨性。但Mn是過熱敏感性元素，加熱溫度過高會引起晶粒粗大，增加回火脆性和殘余奧氏體量。且Mn在鋼中呈堿性，在弱酸介質工礦條件下，Mn含量按0.5%～1.4%控制。

Mo、Ni、Cu 的選擇。Mo提高淬透性，強烈抑制珠光體組織出現，促使形成馬氏體組織，細化晶粒，提高耐磨性，在回火過程中能夠增加耐磨蝕鋼的抗回火穩定性。但Mo屬貴金屬元素，加入一定量的Mo會增加產品制造成本。采用特殊溶液介質淬火，加快熱處理時的冷卻速度，以減少或不添加Mo，則會大大降低產品生產成本。Ni在鋼中既提高淬透性又提高耐腐蝕性，但提高淬透性效果不如Mo，且屬貴金屬元素；少量的Cu具有類似Ni的作用，可強化鐵素體，提高鋼的淬透性和基體的電極電位，提高耐腐蝕性能，在金屬礦山弱酸介質工況作業環境下，以Cu替換Ni，可降低生產成本。因此，分別按Mo：0%，Ni：0%，Cu：0.2%～0.6%控制。

鋼中加入少量RE即可脫氧除氣去夾雜，潔凈鋼液，又能細化晶粒，凈化晶界，提高鋼的力學性能。一般加入量≤0.4%。

S、P在鋼中為有害元素，一般從原材料采購過程中嚴格控制。具體化學成分見表1。

表1 新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板化學成分(質量分數%)

2 生產及熱處理工藝試驗

2.1 生產過程控制及二次變質處理工藝

新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板的試驗生產是在1000kg中頻感應電爐中進行，以普通廢鋼、硅鐵、高碳錳鐵、高(低)碳鉻鐵和廢銅為原料。為了研究C的變化對主要力學性能的影響，探尋最佳化學成分設計和滿足市場使用要求，按含C量的不同，分兩爐進行熔煉制備。采用水玻璃石英砂作面砂，CO2硬化法造型，采用保溫冒口和外冷鐵配合提高補縮效率，制作?3.6m×6m鐵礦球磨機波紋階梯襯板一批。隨鑄件同箱分別澆注110×110×110（mm）附鑄試塊A、B各一個。熔煉開始先加入廢鋼，熔煉中期加入2/3高(低)碳鉻鐵，待爐料熔清后再加入1/3高(低)碳鉻鐵，進行爐前成分快速分析并調整爐前Cr、C平衡，成分調整合格后，大功率送電升溫。出鋼前約10min加0.2%錳鐵、約7min加0.2%硅鐵予脫氧，造渣、扒渣、再造新渣，約3min加入復合脫氧劑(≤0.3%)進行深度精煉脫氧，在脫氧良好的液面上加入已烘烤的包頭1﹟稀土硅鐵合金和≤0.3%鈦鐵進行爐前一次復合變質，用珍珠巖覆蓋液面后出鋼。出鋼溫度1640℃～1660℃。

二次變質處理。稀土凈化變質處理工藝是凈化鋼液、細化晶粒、強化基體的生產過程中必要手段之一，高的潔凈度和均勻細小的晶粒有利于提高材料的強度與韌性。有文獻表明，Y基重稀土的凈化變質效果優于Ce基輕稀土[6]。變質處理是采用中性材料鋼包，在出鋼前30min將鋼包預熱至800℃左右，將已預熱的稀土變質劑（≤0.4%鋼液重量）加入鋼包底部，并用潔凈的薄鐵皮覆蓋，以延長變質劑的反應，對鋼液進行孕育變質。變質劑的加入量不宜過量，過多的變質劑會使鋼液中夾雜物數量增多，對材料的韌性帶來不利影響。變質溫度為1560℃～1600℃。變質過程中造渣、扒渣兩次，將被融渣吸附的懸浮夾雜物及非金屬夾雜物排出。排渣即為清雜的過程。變質處理后及時在鋼包的液面上覆蓋鋼包覆蓋劑進行靜置，待溫度降至1480℃～1520℃時，推開包嘴浮渣進行澆注。澆注12h后落箱清理打磨并進行熱處理。

2.2 熱處理工藝

熱處理奧氏體化在120kW臺式電阻爐中進行，回火在90kW臺式電阻爐中進行(圖1)。

圖1 襯板熱處理工藝試驗曲線圖

淬火冷卻采用特殊溶劑淬火介質。該淬火介質介于油冷和空冷之間，比空冷快5～9倍左右，高溫鑄件進入特殊介質后，因水的比熱較空氣大，散熱速度比空氣快；進入中、低溫度階段時，散熱速度降低，冷卻均勻，且鑄件變形開裂現象極微。

2.3 硬度和沖擊值檢驗及金相組織

用線切割機床在熱處理后的附鑄試塊上分別提取3個試樣，提取的試樣為10×10×55(mm)無缺口試樣，用洛氏硬度計分別測出5個點的硬度值；在A、B同一試樣上用JB-300B半自動沖擊試驗機上分別測得沖擊韌性值 aK30～50（J/cm2）、aK21～26（J/cm2），主要力學性能檢驗結果見表2。試樣的化學分析檢驗采用進口美國ARL3460/MA直讀光譜金屬分析儀，檢驗結果見表3，結果顯示與初始設計成分相符。金相組織觀察分析采用XSP-4XC型三目金相顯微鏡在同一試樣上進行，金相組織觀察表明試樣的淬火、回火組織為回火馬氏體+貝氏體+碳化物+少量殘余奧氏體(圖2)。

2.4 破壞性檢驗

經砸開A、B襯板本體各一塊后，分析發現，該材料顏色純正，組織細密，A襯板表面平均HRC52.8，心部平均 HRC51.3；B襯板表面平均HRC54.6，心部平均HRC53.3。二者表面與心部相差均HRC≤2，說明淬透性很好。

圖2 金相組織 ×400

2.5 試樣性能結果分析

從表2、3試樣檢驗結果分析看，當0.4%～0.55%C時，隨C量增加，HRC增加，但增加幅度不明顯；隨C量增加，aK值變化較大，即C量增加0.1%時，aK值下降約50%。這為下一步批量生產時，進一步優化成分設計提供了可靠理論依據。鑒于該套礦山球磨機襯板使用作業環境，擬采用A種成分設計批量生產。

表2 新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板主要力學性能檢驗結果

表3 新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板化學成分檢驗結果

3 工業應用

3.1 襯板服役壽命

2010年11月生產，2010年12月上旬安裝于河北張家口某礦山公司?3.6m×6m濕式球磨機上(套)，鐵礦石硬度f＝8～10,弱酸介質。最大磨球≤?120mm。2011年10月停機檢查，發現筒體襯板明光發亮，磨損均勻，公司技術人員和使用廠家現場評價，波紋階梯襯板仍可繼續使用6～10個月，端襯板、出料篦板可繼續使用3～4個月。即筒體襯板可保證使用1.5年以上，端襯板和出料篦板可保證使用1年以上。

3.2 問題與不足

在開機檢查中發現，有4塊筒體襯板出現程度不等的裂紋現象，裂紋縫隙≤3mm，裂縫由細碎礦石填充、擠壓，鑲砌牢靠，未影響正常使用。現場分析裂紋形成原因排除材料本身問題，認為一是可能襯板裝機面與筒體面未能完好地實現面與面結合；二是襯板裝機時未使用鋪墊層如橡膠墊或水泥漿襯等；三是螺栓固定不緊實，在使用過程中期未能再檢查加固等。今后有待進一步改進和完善。

4 結語

新研制的礦用耐磨蝕中鉻合金鋼，其優化后的化學成分(質量分數%)為：0.4%～0.45%C，0.6%～1.0%Si，1.0%～1.4%Mn，4.0%～5.0%Cr，0.2%～0.6%Cu，≤0.4%RE(加入量)，≤0.035%S，≤0.035%P, 余量為Fe。熱處理工藝：960℃～980℃特殊溶液介質淬火+250℃～350℃回火。主要力學性能：硬度HRC≥52.8(平均值)，沖擊韌性值 aK≥44J/cm2(平均值)。

新研制的礦用耐磨蝕中鉻合金鋼，主要力學性能達到或接近了文獻⑤的基本要求，在濕式球磨機工況作業環境下，筒體襯板使用壽命可保證在1.5年以上，端襯板和出料篦板使用壽命可保證在1年以上，實現了低成本、低消耗、高耐磨性，是替代高錳鋼襯板的優良耐磨蝕鋼材料。

新研制的礦用耐磨蝕中鉻合金鋼，不含貴金屬元素Mo、Ni等，與傳統空淬中鉻合金鋼襯板相比，節約金屬材料成本約在1500元/噸左右，符合節能減排政策，有一定積極推廣應用價值。

[1]魯沛沛，李衛.礦山濕磨襯板用耐磨蝕合金鑄鋼研究與應用現狀[J].鑄造，2011，60(5)，454-458.

[2]饒其昌，呂振林，周平安.腐蝕磨損及耐磨蝕材料的選擇[J].鑄造，2000.49(增刊)，585-591.

[3]祖方遒，陳中華，魯幼勤.金屬襯板材料的發展及其磨損失效機制概述[J].現代鑄鐵.2010，(3)，8-11.

[4]鄭有才，劉會亭，侯增壽.中碳鋼及中碳低合金鋼動載磨料磨損性能的研究 [C].第三屆全國金屬耐磨材料學術會議論文集.北京：中國金屬學會耐磨材料學術委員會，1985.21-26.

[5]李衛.鋼鐵耐磨材料技術進展[C].第十一屆全國金屬耐磨材料學術會議論文集.北京：中國金屬學會耐磨材料學術委員會，2006，33-38.

[6]謝敬佩,李衛,宋延沛，等.耐磨鑄鋼及熔煉[M].北京:中國機械工業出版社.2003：152-189.