一種混凝土濕噴機襯板材料的研究及應用

摘要：本文設計出耐磨合金鑄鋼襯板化學成分和制造工藝，并與高鉻鑄鐵襯板試樣進行硬度、耐磨性、韌性、金相對比試驗，結果表明，該耐磨合金鑄鋼綜合性能達到設計指標，具有應用價值。

關鍵詞：混凝土濕噴機 襯板 合金鑄鋼 耐磨性 韌性

引言

混凝土濕噴機襯板是用于工作機構轉子與結合板之間的一種耐磨板，在工作中主要受系統的振動、沖擊及與工作介質相對運動的摩擦剪切力，其失效形式有裂紋、斷裂和快速磨損。目前濕噴機襯板的材料主要是高鉻鑄鐵，其組織中含有超過20 %的高硬度共晶碳化物，基體為高碳馬氏體[1]，該材料具有優異的耐磨性，但是其合金元素含量高、生產成本高及高溫熱處理易變形和斷裂。據某企業統計數據，高鉻合金襯板在生產制造過程的合格品率不到70%。[2-4]

為解決這個問題，設計出一種生產工藝簡單、成本低、韌性高、淬透性與淬硬性好耐磨合金鑄鋼材料，代替目前廣泛使用的普通高鉻鑄鐵材料，是一個研究方向。耐磨合金鑄鋼是一種新型耐磨材料，以鉻、鉬為主要合金元素，其組織特點是在貝氏體基體上鑲嵌有硬度高、熱穩定性好的碳化物[1]，確保耐磨合金鑄鋼在具有優異強韌性的前提下，還具有高的硬度和優良的耐磨性。基于此，筆者設計一種多元合金鑄鋼制造成襯板，對其各項性能進行了試驗研究。

1試件制備與試驗方法

1.1襯板的制造

1.1.1.襯板結構說明

混凝土濕噴機襯板是一種圓形板狀件，其結構見圖1，外圓直徑為Ф510mm，厚度為20mm，在Ф350的分度上均勻分布有9個Ф102孔。按照設計要求，襯板上下兩個平面粗糙度小于Ra1.6，需要磨削加工。

1.1.2.化學成分設計

高鉻鑄鐵襯板化學成分按照標準GB/T8263-1999抗磨白口鑄鐵件要求，分別選取KmTBCr8、KmTBCr12、KmTBCr26作為該試樣材料的設計牌號。

1.1.3.鑄造工藝

（1）高鉻鑄鐵

在1t 酸性中頻無芯感應電爐中冶煉。按照下緊上松的原則裝入少量錳鐵、硅鐵和大部分鉬鐵、生鐵、廢鋼及大部分鉻鐵。爐前調整成分，合格后將溫度升至1480～1560℃，加入錳鐵、硅鐵及鋁進行脫氧。鐵液在澆包內鎮靜后澆注，澆注溫度在1380～1450℃之間；采用15～25°傾斜澆鑄工藝；澆注后8 h，當鑄件表面溫度不超過400 ℃同時不低于200℃時，開箱脫模，清理澆冒口。鑄件進行高溫軟化退火處理。

（2）耐磨合金鑄鋼

在1t 酸性中頻無芯感應電爐中冶煉。熱爐裝料，少量硅鐵、錳鐵以及大部分鉬鐵和鉻鐵隨料裝入。爐前調整成分，合格后將溫度升至1600～1640℃，鋼水經鋁脫氧后出爐，在澆包內預先放置含稀土、釩、硼、鈦等的復合變質劑，用沖入法對鋼水進行微合金化和變質處理；澆注溫度1520～1580℃，采用平作立澆工藝；澆注后8 h，當鑄件表面溫度不超過400 ℃同時不低于200℃時，開箱脫模，清理澆冒口。鑄件進行高溫軟化退火處理。

1.1.4.機械加工工藝

襯板的機加工工藝為：車外圓、平面、鉆鏜中心孔→鏜9個Ф102孔→鉆定位銷孔→淬火、回火→磨平面。

1.1.5.熱處理工藝

襯板的熱處理工藝見圖2，分淬火和回火兩道工序。

如圖所示，高鉻鑄鐵用鹽浴爐加熱保溫，需要控制其升溫速度不高于80℃/h，襯板在油中淬火時間不少于30分鐘；合金鑄鋼升溫至880～920℃，保溫2h后進行等溫鹽浴淬火，淬火溫度為180～220℃，鹽浴保溫1h后空冷，選擇此淬火工藝是為了減少淬火變形，同時獲得馬氏體和下貝氏體的復合組織；另外，為盡量消除淬火應力，還增加回火工序，回火溫度控制在220～270℃。

1.2.試驗方法

高鉻鑄鐵襯板按照牌號KmTBCr9、KmTBCr12、KmTBCr26分別制造出3種襯板。

按照設計的耐磨合金鑄鋼化學成分，在其范圍內調整各元素的比例，制造出3種襯板。

采用電火花線切割機在材料分別為高鉻鑄鐵、耐磨合金鑄鋼的襯板本體上9個孔部邊緣切取試樣，將其制作成蝶形試樣和邊長15mm的立方體試樣。

采用光電發射光譜分析方法分析試樣的化學成分；采用洛氏硬度儀測試其硬度；按GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行試樣沖擊韌性試驗；按國家標準《GB/T12444.1-1990金屬磨損試驗方法MM型磨損試驗》的規定，在M-2000型磨損試驗機上對蝶形試樣進行滑動摩擦純磨損試驗，條件：磨擦副材料為硬質合金（Ф外=40mm，HV0.1=1380），軸轉速200rpm，載荷為40N，采用失重法測定磨損量，稱量天平的精度為0.0001g；在金相試驗儀上對立方體試件進行金相分析。

1.3.試驗結果與討論

2.1.化學成分分析

將高鉻鑄鐵和耐磨合金鑄鋼兩種材料分別取3組試樣的分析其化學成分，結果見表2。

由表2可見，高鉻鑄鐵試樣的成分特點為高碳高鉻，其中試樣3的鉻含量較試樣1高；耐磨合金鑄鋼試樣的成分特點是中碳低鉻，其中試樣3的碳、錳、鉻、鉬含量均較1試樣高。

2.2.硬度、耐磨性和沖擊韌性

試樣洛氏硬度值和沖擊韌性結果見表3。

金屬材料表面宏觀硬度與其耐磨性的一般規律是，表面硬度越高，相對耐磨性越好。從表3可以看出，高鉻鑄鐵的硬度明顯高于耐磨合金鑄鋼，理論上的耐磨性會強于耐磨合金鑄鋼；從圖1和表3的試驗數據驗證了高鉻鑄鐵的實驗室耐磨性略高于耐磨合金鑄鋼。

另一方面，高鉻鑄鐵的沖擊韌性基本為0，接近于脆性材料，因此在生產制造和使用過程中出現裂紋，是一種普遍現象。

2.3.金相組織

由圖4可見，高鉻鑄鐵試樣的組織為珠光體+萊氏體，為亞共晶白口鑄鐵；由圖5可見，耐磨合金鑄鋼試樣為馬氏體和貝氏體組織。

由圖6可見，耐磨合金鑄鋼試樣中均勻分布細小白色的碳化物顆粒，由圖7試樣1和3的同倍數電鏡照片對比可以看出，試樣3中細小白色的碳化物顆粒多于試樣1，其洛氏硬度檢測相同，但其耐磨性實驗數據好于試樣1，說明組織中的白色的碳化物是耐磨合金鑄鋼耐磨性的重要表征，在下文中的工程應用中也得到了驗證。

3.工程應用

為進一步驗證耐磨合金鑄鋼材料的工藝性能，將耐磨合金鑄鋼進行噴射混凝土應用試驗。其具體應用數據和失效狀態見表5和圖8～9。

由表5可看出，高鉻鑄鐵襯板平均壽命450 m3/件，而耐磨合金鑄鋼襯板的平均壽命為766m3/件，雖然高鉻鑄鐵磨損失效的使用壽命高于合金鑄鋼，但是其大部分失效為斷裂，直接影響設備正常使用，而耐磨合金鑄鋼失效形式均為磨損。

4.結論

4.1.用于制造襯板類特殊零件，耐磨合金鑄鋼的耐磨性略低于高鉻鑄鐵，但其綜合使用壽命遠高于高鉻鑄鐵，可以代替高鉻鑄鐵應用于有高耐磨性要求的工況下，具有應用價值。

4.2.從耐磨合金鑄鋼與高鉻鑄鐵的化學成分可以看出，在耐磨合金鑄鋼的鉻含量遠低于高鉻鑄鐵，其機械加工性能和合格品率優于高鉻鑄鐵，生產成本具有較大優勢。

4.3.耐磨合金鑄鋼抗沖擊性能優于高鉻鑄鐵，滿足濕噴機襯板的應用要求。

4.4.以上化學成分微調試件的金相組織、耐磨性對比試驗表明，耐磨合金鑄鋼因其合金元素含量上的差異，其金相組織和耐磨性顯著不同。

參考文獻：

[1]張伯明，陸文華.鑄造手冊[M] .北京：機械工業出版社，2002.

[2]鄭朝保.混凝土噴射機振動喂料系統的研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2005：2.

[3]秦雪花，張海濤.混凝土噴射機橡膠密封板和旋轉襯板的維護與修復[J].礦山機械，2009，16.

[4]陳恢翰.提高轉子式混凝土噴射機結合板和襯板使用壽命技術途徑[J].建井技術，1998，19（2）：36-38.

[5]侯增壽，樊東黎.熱處理手冊[M] .北京：機械工業出版社，2006.