礦用無鉬鎳耐磨蝕中鉻合金鋼襯板的研制與應(yīng)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(xué)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(yè)管磨機(jī)內(nèi)襯的主要易磨損件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年消耗量在60萬噸以上，其消耗量?jī)H次于磨礦介質(zhì)。冶金礦山濕法磨機(jī)襯板，傳統(tǒng)上主要以高錳鋼為主，但大量的生產(chǎn)應(yīng)用事實(shí)反映出高錳鋼制備濕磨襯板，存在幾個(gè)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(qiáng)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(jī)檢修頻繁，嚴(yán)重影響磨礦正常生產(chǎn)。據(jù)中國冶金礦山協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，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(shù)經(jīng)濟(jì)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(yán)重，造成硬質(zhì)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(yè)生產(chǎn)成本加大，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)不明顯[2]。中(低)合金鋼襯板是近一個(gè)時(shí)期以來研制開發(fā)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(yōu)良材料，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮骩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(yīng)用的少，生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)成本仍然偏高等原因，致使市場(chǎng)認(rèn)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(jī)上的推廣和應(yīng)用。近幾年來，隨著我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)能減排政策的強(qiáng)力推進(jìn)，研制推廣應(yīng)用新型耐磨蝕合金鋼襯板，努力提高襯板使用壽命和對(duì)傳統(tǒng)材料改造升級(jí)，降低鋼鐵金屬材料消耗，節(jié)約能源，提高管磨機(jī)生產(chǎn)效率，減輕人工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)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(xué)成分優(yōu)化

濕式磨機(jī)襯板服役的工況條件惡劣，無論是pH＜6酸性介質(zhì)或是pH＞6的堿性介質(zhì)，只要有水存在，均會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)具有適合的淬透性和淬硬性，以抵抗物料的磨損。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[4]，當(dāng) Hm∶Ha＞0.8時(shí)(Hm 材料硬度，Ha物料硬度)材料系統(tǒng)耐磨性好。同時(shí)研磨介質(zhì)球徑較大時(shí)沖擊力也大，因此要求材質(zhì)還應(yīng)具有良好的耐沖擊性。我國濕式磨機(jī)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(tǒng)應(yīng)屬于強(qiáng)磨損—弱腐蝕。在服役過程中磨損應(yīng)占主導(dǎo)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(zhēng)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(xué)成分設(shè)計(jì)中，以Cr為主要合金元素。Cr不僅固溶強(qiáng)化基體，提高鋼的淬透性和耐腐蝕性能，同時(shí)Cr與C結(jié)合形成合金碳化物，提高鋼的耐磨性。有文獻(xiàn)介紹，當(dāng)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(xiàn)新的碳化物相(Cr,Fe)7C3；當(dāng)Cr含量增加到5%時(shí)，鋼中(Fe,Cr)3C變成亞穩(wěn)相，僅有鐵素體和合金碳化物(Cr,Fe)7C3。Cr與C的結(jié)合能力大于鐵和錳，在鋼中彌散分布，起到沉淀強(qiáng)化作用。Cr在淬火中得到馬氏體基體的同時(shí)也可能得到一定量的貝氏體基體，提高了鋼的強(qiáng)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(wěn)定性，使鋼的強(qiáng)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(qiáng)化基體，使鋼的強(qiáng)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(qiáng)度。Si在1.0%左右時(shí)，不降低韌性，Si＞2.0%時(shí)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(zhì)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(qiáng)化基體，提高強(qiáng)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(huì)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(zhì)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(qiáng)烈抑制珠光體組織出現(xiàn)，促使形成馬氏體組織，細(xì)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(wěn)定性。但Mo屬貴金屬元素，加入一定量的Mo會(huì)增加產(chǎn)品制造成本。采用特殊溶液介質(zhì)淬火，加快熱處理時(shí)的冷卻速度，以減少或不添加Mo，則會(huì)大大降低產(chǎn)品生產(chǎn)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(qiáng)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(zhì)工況作業(yè)環(huán)境下，以Cu替換Ni，可降低生產(chǎn)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(xì)化晶粒，凈化晶界，提高鋼的力學(xué)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(yán)格控制。具體化學(xué)成分見表1。

表1 新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

2 生產(chǎn)及熱處理工藝試驗(yàn)

2.1 生產(chǎn)過程控制及二次變質(zhì)處理工藝

新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板的試驗(yàn)生產(chǎn)是在1000kg中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)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(duì)主要力學(xué)性能的影響，探尋最佳化學(xué)成分設(shè)計(jì)和滿足市場(chǎng)使用要求，按含C量的不同，分兩爐進(jìn)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(bǔ)縮效率，制作?3.6m×6m鐵礦球磨機(jī)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(gè)。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(jìn)行爐前成分快速分析并調(diào)整爐前Cr、C平衡，成分調(diào)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(fù)合脫氧劑(≤0.3%)進(jìn)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(jìn)行爐前一次復(fù)合變質(zhì)，用珍珠巖覆蓋液面后出鋼。出鋼溫度1640℃～1660℃。

二次變質(zhì)處理。稀土凈化變質(zhì)處理工藝是凈化鋼液、細(xì)化晶粒、強(qiáng)化基體的生產(chǎn)過程中必要手段之一，高的潔凈度和均勻細(xì)小的晶粒有利于提高材料的強(qiáng)度與韌性。有文獻(xiàn)表明，Y基重稀土的凈化變質(zhì)效果優(yōu)于Ce基輕稀土[6]。變質(zhì)處理是采用中性材料鋼包，在出鋼前30min將鋼包預(yù)熱至800℃左右，將已預(yù)熱的稀土變質(zhì)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(zhǎng)變質(zhì)劑的反應(yīng)，對(duì)鋼液進(jìn)行孕育變質(zhì)。變質(zhì)劑的加入量不宜過量，過多的變質(zhì)劑會(huì)使鋼液中夾雜物數(shù)量增多，對(duì)材料的韌性帶來不利影響。變質(zhì)溫度為1560℃～1600℃。變質(zhì)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(zhì)處理后及時(shí)在鋼包的液面上覆蓋鋼包覆蓋劑進(jìn)行靜置，待溫度降至1480℃～1520℃時(shí)，推開包嘴浮渣進(jìn)行澆注。澆注12h后落箱清理打磨并進(jìn)行熱處理。

2.2 熱處理工藝

熱處理奧氏體化在120kW臺(tái)式電阻爐中進(jìn)行，回火在90kW臺(tái)式電阻爐中進(jìn)行(圖1)。

圖1 襯板熱處理工藝試驗(yàn)曲線圖

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

2.3 硬度和沖擊值檢驗(yàn)及金相組織

用線切割機(jī)床在熱處理后的附鑄試塊上分別提取3個(gè)試樣，提取的試樣為10×10×55(mm)無缺口試樣，用洛氏硬度計(jì)分別測(cè)出5個(gè)點(diǎn)的硬度值；在A、B同一試樣上用JB-300B半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上分別測(cè)得沖擊韌性值 aK30～50（J/cm2）、aK21～26（J/cm2），主要力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表2。試樣的化學(xué)分析檢驗(yàn)采用進(jìn)口美國ARL3460/MA直讀光譜金屬分析儀，檢驗(yàn)結(jié)果見表3，結(jié)果顯示與初始設(shè)計(jì)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(jìn)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(yàn)

經(jīng)砸開A、B襯板本體各一塊后，分析發(fā)現(xiàn)，該材料顏色純正，組織細(xì)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(jié)果分析

從表2、3試樣檢驗(yàn)結(jié)果分析看，當(dāng)0.4%～0.55%C時(shí)，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(shí)，aK值下降約50%。這為下一步批量生產(chǎn)時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì)提供了可靠理論依據(jù)。鑒于該套礦山球磨機(jī)襯板使用作業(yè)環(huán)境，擬采用A種成分設(shè)計(jì)批量生產(chǎn)。

表2 新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板主要力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

表3 新型耐磨蝕中鉻合金鋼襯板化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 襯板服役壽命

2010年11月生產(chǎn)，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(jī)上(套)，鐵礦石硬度f＝8～10,弱酸介質(zhì)。最大磨球≤?120mm。2011年10月停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)筒體襯板明光發(fā)亮，磨損均勻，公司技術(shù)人員和使用廠家現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)，波紋階梯襯板仍可繼續(xù)使用6～10個(gè)月，端襯板、出料篦板可繼續(xù)使用3～4個(gè)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(jī)檢查中發(fā)現(xiàn)，有4塊筒體襯板出現(xiàn)程度不等的裂紋現(xiàn)象，裂紋縫隙≤3mm，裂縫由細(xì)碎礦石填充、擠壓，鑲砌牢靠，未影響正常使用。現(xiàn)場(chǎng)分析裂紋形成原因排除材料本身問題，認(rèn)為一是可能襯板裝機(jī)面與筒體面未能完好地實(shí)現(xiàn)面與面結(jié)合；二是襯板裝機(jī)時(shí)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(shí)，在使用過程中期未能再檢查加固等。今后有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

4 結(jié)語

新研制的礦用耐磨蝕中鉻合金鋼，其優(yōu)化后的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)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(zhì)淬火+250℃～350℃回火。主要力學(xué)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(xué)性能達(dá)到或接近了文獻(xiàn)⑤的基本要求，在濕式球磨機(jī)工況作業(yè)環(huán)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(shí)現(xiàn)了低成本、低消耗、高耐磨性，是替代高錳鋼襯板的優(yōu)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(tǒng)空淬中鉻合金鋼襯板相比，節(jié)約金屬材料成本約在1500元/噸左右，符合節(jié)能減排政策，有一定積極推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]魯沛沛，李衛(wèi).礦山濕磨襯板用耐磨蝕合金鑄鋼研究與應(yīng)用現(xiàn)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(fā)展及其磨損失效機(jī)制概述[J].現(xiàn)代鑄鐵.2010，(3)，8-11.

[4]鄭有才，劉會(huì)亭，侯增壽.中碳鋼及中碳低合金鋼動(dòng)載磨料磨損性能的研究 [C].第三屆全國金屬耐磨材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國金屬學(xué)會(huì)耐磨材料學(xué)術(shù)委員會(huì)，1985.21-26.

[5]李衛(wèi).鋼鐵耐磨材料技術(shù)進(jìn)展[C].第十一屆全國金屬耐磨材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國金屬學(xué)會(huì)耐磨材料學(xué)術(shù)委員會(huì)，2006，33-38.

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