熱處理工藝對磨機筒體襯板組織與性能的影響

〔摘 要〕針對半自磨機襯板維修、更換頻繁的問題，為延長磨機使用壽命，探討了熱處理工藝對大型半自磨機筒體襯板組織與性能的影響。通過優(yōu)化鉻鉬鋼襯板的熱處理工藝，分析了淬火、回火溫度對材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。實驗結(jié)果表明，在920 ℃淬火和560 ℃回火的條件下，鉻鉬鋼襯板展現(xiàn)出最佳的綜合性能，硬度達到45HRC，沖擊韌性超過45 J/cm２。

〔關(guān)鍵詞〕鉻鉬鋼;筒體襯板;熱處理;微觀組織;力學(xué)性能；淬火；回火

中圖分類號： TG156;TG142.1 " 文獻標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：1004-4345（2024）05-00２１-0４

The Influence of Heat Treatment Process on the Microstructure and Properties

of Large SAG Mill Cylinder Liner

WANG Shuo1， LIU Yue1， LIANG Wendong2， ZHAO Wujiang2， WANG Linlin1， ZHANG Yajing1

（1. School of Materials Science and Engineering， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819， China;

2. Inner Mongolia Jinyu Fengxing Mining Wear-resistant Material Co.， Ltd.， Manzhouli， Inner Mongolia 021410， China）

Abstract" In response to the frequent maintenance and replacement of SAG mill liners， the paper discusses the influence of heat treatment process on the microstructure and properties of large SAG mill cylinder liners to extend the service life of the mill， and analyzes the influence of different quenching and tempering temperatures on the microstructure and mechanical properties of the materials by optimizing the heat treatment process of chromium molybdenum steel liner. The experimental results show that under the conditions of quenching at 920 ℃ and tempering at 560 ℃， the chromium molybdenum steel liner exhibits the best comprehensive performance， with a hardness of 45HRC and an impact toughness of exceeding 45 J/cm2.

Keywords" chromium-molybdenum steel; cylinder liners; heat treatment; microstructure; mechanical properties; quenching; tempering

20世紀(jì)50—60年代以來，大型自磨機和半自磨機在選礦廠中得到廣泛應(yīng)用。盡管這些設(shè)備在常規(guī)磨礦系統(tǒng)中的運轉(zhuǎn)率較高，但據(jù)報道半自磨機組和球磨礦系統(tǒng)的設(shè)備運轉(zhuǎn)率僅為80%[1]，這對選礦廠的產(chǎn)能和效益均產(chǎn)生了一定影響。磨礦效率受給礦量、礦石性質(zhì)等[2-3]多種因素的影響。其中，半自磨機的襯板作為關(guān)鍵部分，由于工作條件復(fù)雜，需要頻繁進行維修和更換，也是影響因素之一[4-7]。目前，常用的襯板材料有高錳鋼、低中合金耐磨鋼和高鉻鑄鐵。盡管高錳鋼應(yīng)用廣泛，但在中低應(yīng)力工況下，其耐磨性表現(xiàn)不佳[8-9]。高鉻鑄鐵的應(yīng)用則因其韌性差、成本高而受到限制。相比之下，低中合金耐磨鋼[10-11]在低應(yīng)力工況下展現(xiàn)出更優(yōu)越的耐磨性能。張淼斐[12]探究了回火后鉻鉬鋼的組織，得出其主要組織為回火索氏體，當(dāng)回火溫度為600 ℃時，具有良好的綜合力學(xué)性能。定志明[13]探究了中碳鉻鉬鋼在920 ℃淬火+350 ℃回火熱處理后的襯板顯微組織，發(fā)現(xiàn)其顯微組織由針狀回火馬氏體、彌散分布的碳化物和殘余奧氏體組成，但襯板的使用壽命仍未能達到預(yù)期。基于此，本文擬研究大型半自磨機筒體襯板在不同熱處理工藝下的沖擊韌性與硬度性能，通過分析組織形貌來探討性能和斷裂機制的影響，以期找到最佳的熱處理工藝。

1" "試驗材料與方法

本研究采用中頻感應(yīng)熔煉和消失模鑄造工藝，制備了4塊200 mm×200 mm×200 mm的鋼鑄錠進行試驗，其成分見表1。為了模擬襯板厚實部分的性能，從每塊鑄錠的中心部位取樣（取樣位置見圖1），并對試驗塊進行熱處理。

1）淬火試驗。選擇900 ℃、920 ℃和940 ℃作為淬火溫度，將試驗塊置于箱式電阻爐中升溫4 h，保溫2 h，隨后采用1∶7水基淬火液進行淬火處理。

2）回火試驗。選擇480 ℃、520 ℃、560 ℃和600 ℃作為回火溫度，將淬火后的試驗塊置于箱式電阻爐中，升溫2 h至目標(biāo)溫度，保溫3 h后空冷。

將試驗鋼線切割成10 mm×10 mm×55 mm的塊狀試樣，利用HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計測量其硬度。每件試驗塊取7個不同位置進行測試，去掉最高值與最低值后取平均值。同時，切取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的無缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，在JB－300B擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行沖擊試驗，總量程為150 J。擺錘選用分度值為1 J的小擺錘，每組沖擊試驗取3個試樣，計算平均值。此外，切取20 mm×20 mm×

20 mm的樣塊，經(jīng)拋光處理后，用質(zhì)量分數(shù)為4%硝酸腐蝕10 s，再用酒精沖洗并吹干，利用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織，同時采用UItraPlus型場發(fā)射掃描電鏡觀察其沖擊斷口。

2" "結(jié)果與分析

2.1" 不同淬火溫度對筒體襯板微觀組織的影響

為了探究淬火溫度對試驗鋼微觀組織的影響，技術(shù)人員對試驗塊進行了金相顯微組織與SEM掃描拍攝。圖2展示了900 ℃、920 ℃和940 ℃淬火溫度下的金相顯微組織與SEM掃描照片。通過金相圖片，可以觀察到黑色針狀的馬氏體與散布在其中的大量晶粒，即殘余奧氏體[14]。這種組織結(jié)構(gòu)表明試驗鋼在淬火過程中經(jīng)歷了相變，形成了具有特定形態(tài)的馬氏體和殘余奧氏體。

進一步觀察SEM掃描照片，可以觀察到隨著淬火溫度的升高，馬氏體的尺寸發(fā)生明顯變化。當(dāng)淬火溫度從900 ℃升高到920 ℃時，馬氏體的尺寸變得細小且更加均勻。這表明在此溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，馬氏體的形核與生長受到了一定的抑制，從而形成了更細小的組織結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)淬火溫度進一步升高到940 ℃時，晶粒出現(xiàn)長大的現(xiàn)象。這可能是由于溫度過高導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化，進而影響了后續(xù)的相變過程。

2.2" 不同淬火溫度對力學(xué)性能的影響

對不同淬火溫度下的試驗塊進行了硬度與沖擊韌性檢測，圖3為不同淬火溫度下試驗鋼硬度與沖擊韌性的數(shù)據(jù)。隨著淬火溫度的升高，試驗鋼的硬度和沖擊韌性均呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。在920 ℃時，試驗鋼的綜合性能達到最佳，其硬度為65.5HRC，沖擊韌性為5.3 J/cm2。

出現(xiàn)這種性能趨勢的原因在于，隨著淬火溫度的升高，針狀馬氏體逐漸細化，促進了馬氏體的形核與生長。在較低的淬火溫度下，部分合金碳化物未能充分溶解，導(dǎo)致晶體內(nèi)畸變能較低，而較低的畸變能在一定程度上限制了馬氏體的形核與生長。當(dāng)淬火溫度進一步升高至940 ℃時，較高的溫度使得奧氏體的穩(wěn)定性增加，從而加速了晶粒的長大過程。同時，由于合金碳化物的穩(wěn)定性較低，它們對奧氏體的釘扎作用減小，進一步促進了奧氏體的晶粒長大。這種粗大的組織結(jié)構(gòu)會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致硬度和沖擊韌性的降低。

2.3" 920 ℃下不同回火溫度對微觀組織的影響

選擇920 ℃作為最佳淬火溫度進行回火試驗，以探究回火過程中試驗鋼的組織演變與性能變化。圖4展示了試驗鋼在920 ℃淬火后，不同溫度回火條件下的金相顯微組織與SEM掃描照片。

從金相圖片中可以觀察到大量黑色極細小的晶粒彌散分布在白色基體上，呈現(xiàn)出典型的回火索氏體組織特征。這種組織結(jié)構(gòu)是碳化物與鐵素體的混合，具有良好的強度與韌性[15-16]。而回火索氏體組織的形成主要是由于在回火過程中，馬氏體分解并析出細小的碳化物，同時鐵素體基體保持相對完整。這種組織結(jié)構(gòu)在提高材料韌性的同時，還能保持較高的強度。

通過SEM掃描照片的觀察，可以更清晰地看到回火處理后組織的變化。經(jīng)過回火處理，組織中的馬氏體完全分解，原先的細針狀馬氏體的形貌消失。在馬氏體基體上，析出了大量細小的碳化物晶粒，形成了回火索氏體組織。隨著回火溫度的升高，馬氏體分解產(chǎn)物逐漸長大并粒狀化，鐵素體基體上分布的粒狀滲碳體彌散面積增加[17]，進一步增強了組織的穩(wěn)定性與強度。

2.4" 920 ℃不同回火溫度對力學(xué)性能的影響

對不同回火溫度下的試驗鋼進行硬度與沖擊韌性檢測，結(jié)果如圖5所示。

隨著回火溫度的升高，硬度整體呈現(xiàn)下降趨勢。在回火溫度為480 ℃時，硬度達到峰值52HRC，隨后逐漸下降。而沖擊韌性則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢：在回火溫度為480 ℃時，沖擊韌性為14.8 J/cm2；回火溫度為560 ℃時，達到最大值45.2 J/cm2；然而，當(dāng)回火溫度繼續(xù)升高至600 ℃時，沖擊韌性下降至34.5 J/cm2。這是由于隨著回火溫度的升高（480～560 ℃），回火索氏體組織逐漸變得更加細小。這種細化有助于提高材料的韌性。在這一過程中，鐵素體發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，組織逐漸向平衡組織轉(zhuǎn)變；同時，碳化物逐漸析出，有利于提高材料的穩(wěn)定性并降低硬度。然而，當(dāng)回火溫度過高時，長條狀碳化物在基體中形成障礙，阻礙了位錯的運動。位錯是材料中一種常見的結(jié)構(gòu)缺陷，其在受到外力作用時會發(fā)生移動和塞積。當(dāng)大量位錯塞積時，容易在塞積處形成微裂紋并擴展，導(dǎo)致材料的沖擊韌性降低。總之，這一試驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)提高回火溫度可以改善沖擊韌性，但應(yīng)避免溫度過高而導(dǎo)致沖擊韌性下降。

為了深入分析斷裂機制，對480 ℃和560 ℃回火溫度下的沖擊斷口進行了SEM掃描，分別見圖6、圖7。

由圖6可以觀察到，在480 ℃回火溫度處理下，沖擊斷口特征以細小且密集的撕裂棱和河流狀花紋為主導(dǎo)，伴隨有少量平坦的韌窩，且這些韌窩內(nèi)部可見第二相顆粒的存在。這些第二相顆粒在韌窩中促進了裂紋的萌生和擴展，從而降低了材料的整體韌性[18]。該斷口斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。這說明，480 ℃的回火處理雖然促進了某些微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整，但韌性有所下降。

由圖7可以觀察到，在560 ℃回火溫度處理下，沖擊斷口存在大量韌窩與撕裂棱痕跡，并且韌窩中不存在其他第二相夾雜物。這一特征表示由于韌窩中夾雜物的消失消除了潛在的脆性源，從而增強了材料的整體性能[19]。

3" "結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過對襯板材料試驗鋼的熱處理工藝和性能的探究，可以得出以下結(jié)論：1）襯板材料試驗鋼最佳熱處理工藝為920 ℃淬火+560 ℃回火，采用空冷的淬火處理工藝得到的組織為細針狀馬氏體，經(jīng)回火后得到的組織主要為回火索氏體。2）襯板材料試驗鋼在560 ℃回火后表現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能，硬度達到45HRC，韌性達到45 J/cm2。3）在480～560 ℃回火溫度范圍內(nèi)，襯板材料試驗鋼呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂的斷裂機理。隨著溫度的升高，斷口中白色第二相顆粒逐漸消失，出現(xiàn)了韌性提升的現(xiàn)象。

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