ZG70CrMnSiMo水煤漿棒磨機襯板的研制

齊永豐、劉紅楓

磨機襯板的主要作用是保護磨機，并利用襯板帶起鋼球或鋼棒，對物料進行研磨和粉碎。襯板的主要失效形式是小能量多次沖擊下的磨料磨損。磨機越來越趨向于大型化，隨著筒體直徑的增大，對筒體襯板的韌性及硬度要求越來越高。但就水煤漿棒磨機筒體襯板而言，其受到的沖擊力仍不足以使高錳鋼襯板充分發揮其加工硬化能力，卻可以使多種硬度高、韌性較差材質的襯板產生裂紋而不能安全生產。ZG70CrMnSiMo硬度高，韌性良好，生產工藝簡單，價格適中。經生產實踐證明，此鋼種用于大中型水煤漿棒磨機筒體襯板是一種理想的耐磨材料。

1.化學成分的確定

ZG70CrMnSiMo最大的特點是具有高硬度的同時，仍具有良好的韌性。作為襯板材料應具有較好的綜合性能，努力使其形成細晶粒組織，有利于耐磨性的提高，同時注意到材料應具有較高的沖擊韌度，保證在服役過程中不致產生斷裂破壞造成失效甚至引起事故。經過研究確定能夠很好符合這一綜合要求的材料是中碳合金鋼。在高碳鋼中加入適量合金，利用其提高淬透性、細化晶粒、固溶強化等作用，改善鋼的力學性能和耐磨性，而保證這種組織的關鍵因素是合適的C、Cr、Si、Mn、MO等元素含量。

確定的化學成分見表1。

表1 ZG70CrMnSiMo襯板化學成分（質量分數） （%）

2.鑄造工藝選擇及控制

確定合金的化學成分后，澆注兩件襯板試樣及若干基爾試棒，主要目的是確認襯板鑄造性能，基爾試棒用于熱處理工藝試驗。襯板規格尺寸如圖1所示。

使用中頻感應電爐熔煉，實際澆注溫度1570℃，鑄造工藝縮尺2.6%。按圖澆注的兩件襯板，其中一件有砂眼，原因是砂型放置時間過長造成的，另一件合格。鑄后退火及割冒口，退火工藝如圖2所示。利用退火余熱（300℃）切冒口，切完冒口后進爐緩冷。

經過試驗發現，該合金鋼具有較好的鑄造工藝性能，與一般碳鋼沒有太大差別，所以在確定鑄造工藝時主要依據普通碳鋼的生產經驗即可。

3.熱處理工藝選擇及控制

合理選擇熱處理工藝可以改變基體組織，克服鑄態組織的不均勻性，使材料的強度、硬度、塑性及其他性能達到最佳匹配。

襯板應采用淬火+回火工藝。首先使用試棒進行工藝試驗，淬火溫度分別為840℃、870℃、900℃，冷卻方式采用油冷，回火溫度分別為250℃、350℃、450℃、550℃、600℃，冷卻方式采用油冷。計劃采用3種淬火溫度及5種回火溫度，根據試驗結果制訂最優熱處理參數，然后對襯板進行首件試制，以確認熱處理工藝參數是否合理，之后進行調整。

4.硬度檢測

淬火、回火后檢測硬度，用砂輪把試樣打磨光滑，檢測設備為里氏硬度計（G頭），硬度檢測結果見表2。

從表中硬度值的變化情況可以看出，ZG70CrMnSiMo的耐回火性極佳，回火溫度在550℃時硬度才有明顯下降，這主要是合金元素的作用。回火溫度越高，淬火造成的內應力越易消除，這對選擇盡可能高的回火溫度提供了先決條件。

5.力學性能試驗

對試棒進行沖擊試驗，利用線切割進行取樣，每組取4件沖擊試樣。考慮到550℃、600℃回火后試棒的硬度值已降至40HRC以下，已不能滿足耐磨襯板硬度要求，就沒有進行沖擊試驗。沖擊試驗數據見表3。

6.金相組織觀察

圖1 襯板示意

圖2 鑄后退火工藝曲線

表2 淬火+回火硬度值

鑄后退火試樣顯微組織如圖3所示，金相組織為層片狀珠光體，其是一種雙相結構的組織，為一層鐵素體和一層滲碳體的混合物。

通過對淬火+回火后的ZG70CrMnSiMo襯板試樣進行顯微組織分析，840℃、870℃、900℃淬火均未發現過熱組織，晶粒未發現明顯長大。840℃淬火時發現有少量未溶鐵素體，分析原因可能是淬火加熱溫度較低或是保溫時間過短造成的。870℃淬火+450℃回火能夠獲得回火托氏體組織，如圖4所示。

7.確定熱處理工藝

經過熱處理工藝試驗，三個淬火溫度840℃、870℃、900℃在250℃、350℃、450℃回火硬度均可以達到45HRC以上。

840℃淬火+350℃回火，沖擊吸收能量達到22～26J。870℃淬火+450℃回火，沖擊吸收能量達到20～22J。

淬火鋼的內應力很大，回火時發生馬氏體分解及碳化物析出，使過飽和α固溶體中碳含量下降，晶格畸變得到很大程度的回復，因而使應力減小，回火溫度越高，內應力消除越完全。在滿足硬度的前提下，回火溫度越高越有利于消除內應力，所以確定熱處理工藝為870℃淬火+450℃回火。

8.襯板首件試制

根據試棒淬火、回火工藝試驗的結果，確定熱處理工藝，進行襯板首件試制，熱處理工藝曲線如圖5所示。

襯板淬火、回火后進行外觀檢查，未發現裂紋。

淬火、回火后檢測硬度，硬度計選擇里氏硬度計（G頭）襯板硬度為45HRC、45HRC、46HRC，利用錘擊硬度計復檢，硬度在45HRC以上。

9.批量投產后效果

該材質襯板正式投產后，淬火、回火后硬度均在45～55HRC，鑄造及熱處理過程中只有少數襯板出現裂紋。目前該襯板已經在用戶現場安裝完畢，正式投入生產，使用效果良好。

10.結語

（1）鑄件外形尺寸能滿足設計要求，該材質鑄造工藝性能良好，適合砂型鑄造工藝。

（2）在高碳鋼中適量加入Cr、Mn、Si、Mo等多種合金元素，可以很好地發揮各自的有益作用，得到具有較好力學性能和較高硬度的優質耐磨鋼。

（3）該材質熱處理工藝易于控制，進行熱處理工藝試驗，調整熱處理參數，最后確定淬火+回火工藝，襯板淬火+回火后硬度達到45HRC以上，沖擊吸收能量達到22J（ZGMn13襯板硬度185～220HBW，沖擊吸收能量≥20J）。

（4）此材質耐回火性好，無明顯回火脆性，可作為既耐磨又耐熱的材質選擇，耐熱溫度為500℃，且500℃以上回火時硬度值才明顯下降。

圖3 鑄后退火組織 400×

圖4 870℃淬火+450℃回火組織

圖5 淬火、回火工藝曲線

表3 沖擊試驗數據