专利名称：一种贝氏体耐磨铸钢衬板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种贝氏体耐磨铸钢衬板及其制造方法，属于金属材料及其制备技术领域。
背景技术：
球磨机广泛应用于矿山、冶金、建材、电力、化工等领域，球磨机内的衬板作为主要磨损件，消耗量巨大。目前我国大量使用的球磨机衬板仍然是传统的高锰钢衬板，由于在使用过程中受到的冲击力较小，难以获得理想的加工硬化效果，因而耐磨性差，同时由于高锰钢塑变抗力低，衬板在使用过程中表面会产生塑性变形，使衬板之间发生咬合，甚至整体变形。其它材质如高铬铸铁衬板，尽管初始硬度高，但冲击韧性差，易断裂；另外还有一类为合金钢衬板，特别是贝氏体基型的铸钢，由于其具有优异的综合性能而成为抗磨料磨损较为理想的材质，适用于耐磨、耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳等场合。
目前获得具有贝氏体复相组织的铸钢主要有以下方式(1)采用等温淬火工艺获得，作为耐磨材料使用的等温淬火贝氏体钢的化学成分是C0.5～1.2％(属于中碳、中高碳范围)，Si2.0～2.6％，Mo0.5％，适量的Mn、Ni，如专利US142326，JP79436，OE2817628，JP7052832都是这一类钢。其组织形成的机理与等温淬火奥氏体-贝氏体球墨铸铁相似，即先将工件奥氏体化后急冷至中温区等温获得一定量的贝氏体，之后再淬火到马氏体转变点(MS点)以下的温度，以完成马氏体转变。在此方法中，在奥氏体化后的冷却阶段，可以将工件淬入不同的冷却介质(盐水或油)中，通过控制不同的冷却速度，使工件迅速冷却到中温转变区，随后在中温转变区进行保温，以完成大部分贝氏体转变，从而获得一定量的贝氏体，随后再急冷到马氏体转变点以下，获得贝氏体/马氏体复相组织。但是等温淬火工艺存在工艺复杂、工序长、耗能大、淬火介质易污染环境，还需加入一定的Mn、Mo、Ni合金元素来提高淬透性，使得贝氏体耐磨铸钢生产成本高，质量不稳定。(2)通过合金化在空冷或铸态条件下获得贝氏体铸钢，即通过加入一定量的合金元素如Mo、Mn、B等，改变钢的C曲线形状，推迟其高温转变，以适宜的冷却速度使过冷奥氏体连续通过贝氏体转变的中温区，从而在空冷条件下获得贝氏体/马氏体复相组织。这种工艺和传统获得贝氏体/马氏体复相组织的等温淬火工艺相比，具有节约能源、缩短生产周期、减少污染等优点，但同时存在大断面淬透性不足，尤其是合金元素加入后易形成碳化物或氧化物，使钢的冶炼控制难度加大，而且会导致材料成分上升等缺点。
可以看出，现有贝氏体合金钢衬板尽管耐磨性能优异，但仍然存在着生产工艺复杂、周期长、生产成本高、质量不稳定等不足，因而制约着其大规模的推广和应用，难以满足生产和市场需要。
发明内容
为克服现有合金钢衬板存在的工艺复杂、工序长、耗能大、淬火介质易污染环境、生产成本高、质量不稳定等不足，本发明提供一种新型的具有贝氏体复相组织的耐磨铸钢衬板及其制造方法。
本发明通过下列技术方案实现一种贝氏体耐磨铸钢衬板，其特征在于衬板的成分质量比(wt.％)为C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余量为Fe。
所述贝氏体耐磨铸钢衬板经过下列工艺步骤制得(1)将按化学成分进行配料计算后的原料放入中频感应电炉中熔炼，电炉用酸性炉衬，并用石英砂作造渣剂，出炉前5～8分钟加入Si、Mn合金元素，控制钢水出炉温度在1480℃～1530℃，终脱氧为铝线浇包内脱氧；(2)将(1)步骤的钢水浇铸成型；(3)将浇铸成型的铸钢衬板进行下列热处理
a、将衬板加热到奥氏体区，加热温度控制在860～880℃，保温1～2h；b、将雾化水连续喷淋在衬板上进行冷却，并控制水流的压力为0.1～0.16MPa，直到衬板温度达到260～350℃后，停止喷淋；c、将喷淋冷却后的衬板堆积在封闭的容器中，利用衬板的余热保温2～3h；d、将衬板从容器中取出，空冷至室温，即得具有贝氏体/马氏体复相组织的铸钢衬板；(4)将热处理后的衬板低温回火，温度220℃，保温1～2h。
所述步骤(2)中的钢水浇铸成型采用真空实型铸造，具体是先将衬板模样粘结成串，然后涂挂上1～2mm的石英砂膨润土膏状涂料，在50～60℃的温度下烘烤2～4h；造型时，先将砂箱放在振动台上，填入底砂，振动30～40s后，刮平底砂，放入有涂料的模样串，再从砂箱的边角处填砂，填满砂后振动60～90s，刮平砂表面，用塑料薄膜覆盖在砂箱表面，并置入浇口杯，然后抽真空。在真空度达到0.52～0.58MPa时，采用立浇方式进行浇注，浇注时间10～15s，浇注后继续抽真空15～20min，抽真空完毕后，静置30～40min，即可开箱。
所述步骤(3)中b过程的雾化水通过雾化喷淋装置得到，雾化喷淋装置由其上带喷头组的管组，连接管组的其上装有流量计、压力计的供水管，连接供水管的水泵构成。
与传统的贝氏体合金钢衬板相比，由于本发明将特定化学成分的铸钢进行特定的控制冷却热处理，该工艺在热处理过程中能够改变淬火介质的冷却特性，提高其冷却能力，在一定程度上提高了铸钢的淬透性能，并可以细化晶粒，因此在铸钢中仅加入Si和Mn元素，而无需加入其它贵重合金元素即可获得贝氏体复相组织，不仅能节约大量的能源和昂贵的合金元素，大大降低生产成本，减少热处理过程中的环境污染，而且还能有效提高衬板质量，改善衬板性能。另外采用本发明可以实现大规模工业化生产，生产工艺简单易行。本发明还可以应用于其它钢铁材料耐磨件的制造。
图1贝氏体铸钢衬板的控制冷却热处理工艺曲线图。
图2贝氏体铸钢衬板显微组织的扫描电镜形貌图。
图3贝氏体铸钢衬板显微组织的透射电镜形貌图。
图4为雾化喷淋装置结构示意图。
图4中，1为喷头组，2为管组，3为供水管，与水泵相连，4为压力计，5为流量计。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明中铸钢衬板的成分质量比(wt.％)为C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余量为Fe。
将按下表所列实施例1-4的化学成分进行配料计算后的原料放入中频感应电炉中熔炼，电炉用酸性炉衬，并用石英砂作造渣剂，出炉前5分钟加入Si、Mn合金元素，控制钢水出炉温度在1530℃，终脱氧为铝线浇包内脱氧
(1)、将熔炼的钢水按下列方法浇铸成型采用真空实型铸造(EPC)。具体是先将衬板模样粘结成串，然后涂挂上1mm厚的石英砂膨润土膏状涂料，在60℃的温度下烘烤4h；造型时，先将砂箱放在振动台上，填入底砂，振动30s后，刮平底砂，放入有涂料的模样串，再从砂箱的边角处填砂，填满砂后振动60s，刮平砂表面，用塑料薄膜覆盖在砂箱表面，并置入浇口杯，然后抽真空。在真空度达到0.58MPa时，采用立浇方式进行浇注，浇注时间10s，浇注后继续抽真空15min，抽真空完毕后，静置30min，即可开箱；(2)将浇铸成型的铸钢衬板进行下列热处理a、将衬板加热到奥氏体区，选择温度为860℃，保温2h；b、将水进行雾化，然后连续喷淋在衬板上进行冷却，并控制水流的压力为0.1MPa，直到衬板温度低于350℃后，停止喷淋；c、将喷淋冷却后的衬板堆积在封闭的容器中，利用衬板的余热进行保温3h；d、将衬板从容器中取出，空冷至室温，即得具有贝氏体/马氏体复相组织的铸钢衬板；(3)将热处理后的衬板低温回火，温度220℃，保温2h。
上述实施例中浇铸出的衬板成形良好，表面光洁，内部致密。接着主要考察了经控制冷却热处理后贝氏体铸钢衬板的组织和性能(包括衬板的硬度、冲击韧性、冲击磨料磨损性能)以及工业化应用结果。
从控制冷却热处理后的铸钢衬板上取样分析了其显微组织，根据图2结合X射线衍射分析可以得出结论所选成分的铸钢衬板经过控制冷却热处理后获得的组织主要为典型下贝氏体及少量马氏体和残余奥氏体。从图3铸钢衬板的TEM形貌结合选取衍射结果可知，衬板中的贝氏体铁素体条(图中白色板条)之间基本平行，无位向差，在其中有密集的位错线和定向排列的碳化物，属典型的下贝氏体形态。
通过进一步的分析检测，本发明所制备衬板的力学性能如下
可以看出，所制备贝氏体铸钢衬板的硬度值在HRC53～55，冲击韧性αk值在22～27J/cm2，具有良好的强韧性配合和综合力学性能。冲击磨料磨损试验结果表明所研制的控制冷却贝氏体/马氏体复相铸钢衬板试样在低冲击功时，磨损性能与油淬马氏体和等温淬火贝氏体/马氏体试样基本相当，是高锰钢试样的1.8～1.9倍；而在高冲击功时，控制冷却贝氏体/马氏体复相组织试样耐磨性要强于油淬马氏体、等温淬火贝氏体/马氏体和高锰钢试样，耐磨性是高锰钢试样的1.3～1.5倍。
采用本发明生产的贝氏体铸钢衬板在云南土官水泥厂、富民水泥厂等水泥生产厂家工业应用结果表明，其使用寿命在Φ1.8×7m球磨机中可达2.5～3年，为原使用高锰钢衬板的2倍以上；在铜选厂，生产的衬板在的Φ1.5×3m的球磨机上，使用寿命在1.5年，而原高锰钢衬板只有9个月左右；在铁矿，生产的条形衬板在Φ3.6×4m的球磨机上使用寿命为原高锰钢衬板寿命的1.4倍。以上可见，所研制的控制冷却贝氏体铸钢衬板在金属矿山、水泥磨机上使用，其寿命是原高锰钢衬板的1.5～2.0倍。
权利要求
1.一种贝氏体耐磨铸钢衬板，其特征在于衬板的成分质量比(wt.％)为C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的贝氏体耐磨铸钢衬板的制造方法，其特征在于经过下列工艺步骤制得(1)将按化学成分进行配料计算后的原料放入中频感应电炉中熔炼，电炉用酸性炉衬，并用石英砂作造渣剂，出炉前5～8分钟加入Si、Mn合金元素，控制钢水出炉温度在1480℃～1530℃，终脱氧为铝线浇包内脱氧；(2)将(1)步骤的钢水浇铸成型；(3)将浇铸成型的铸钢衬板进行下列热处理a、将衬板加热到奥氏体区，加热温度控制在860～880℃，保温1～2h；b、将雾化水连续喷淋在衬板上进行冷却，并控制水流的压力为0.1～0.16MPa，直到衬板温度达到260～350℃后，停止喷淋；c、将喷淋冷却后的衬板堆积在封闭的容器中，利用衬板的余热进行保温2～3h；d、将衬板从容器中取出，空冷至室温，即得具有贝氏体/马氏体复相组织的铸钢衬板；(4)将热处理后的衬板低温回火，温度220℃，保温1～2h。
3.根据权利要求2所述的贝氏体耐磨铸钢衬板的制造方法，其特征在于所述步骤(2)的钢水浇铸成型采用真空实型铸造，具体是先将衬板模样粘结成串，然后涂挂上1～2mm的石英砂膨润土膏状涂料，在50～60℃的温度下烘烤2～4h；造型时，先将砂箱放在振动台上，填入底砂，振动30～40s后，刮平底砂，放入有涂料的模样串，再从砂箱的边角处填砂，填满砂后振动60～90s，刮平砂表面，用塑料薄膜覆盖在砂箱表面，并置入浇口杯，然后抽真空。在真空度达到0.52～0.58MPa时，采用立浇方式进行浇注，浇注时间10～15s，浇注后继续抽真空15～20min，抽真空完毕后，静置30～40min，即可开箱。
4.根据权利要求2所述的贝氏体耐磨铸钢衬板的制造方法，其特征在于所述步骤(3)中b过程的雾化水通过雾化喷淋装置得到，雾化喷淋装置由其上带喷头组的管组，连接管组的其上装有流量计、压力计的供水管，连接供水管的水泵构成。
全文摘要
本发明涉及一种贝氏体耐磨铸钢衬板及其制造方法。该铸钢衬板的成分质量比(wt.％)为C0.45～0.55％；Si1.6～2.0％；Mn2.8～3.3％；P≤0.06％；S≤0.04％；余为Fe。其制造方法是利用中频感应电炉熔炼结合真空实型铸造工艺制备出铸钢衬板；然后采用控制冷却热处理工艺对衬板进行热处理以获得贝氏体复相组织；最后进行低温回火。所制备的衬板组织主要为针状贝氏体及少量马氏体和残余奥氏体，衬板的硬度值在HRC53～55，冲击韧性α
文档编号C21C7/06GK101045972SQ20071006583
公开日2007年10月3日 申请日期2007年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者周荣, 蒋业华, 黎振华, 周荣锋, 卢德宏, 张玉勤 申请人:昆明理工大学