一种耐磨齿板用新型低合金耐磨钢及其热处理方法与流程

技术领域

本发明涉及一种辊式破碎机耐磨齿板用低合金耐磨钢及其热处理方法，属于金属材料领域。

背景技术：

双齿辊破碎机是我国煤化工厂广泛应用的一种破碎机械,这种破碎机破碎的原理主要是通过两个辊子对辊利用破碎齿的剪切、挤压作用对物料进行破碎。它的优点是结构简单,动力消耗小,工作可靠；双辊破碎机的辊面有较高的耐磨性和可修复性,可以确保对辊间隙在工作时的稳定性。由于物料是靠两辊挤压、剪切破碎的,因此对物料的含水率有较宽的适用范围,其特点是破碎比不大,工作时有振动并且要求物料的均匀。

齿板作为辊式破碎设备主要的易损件,在使用过程中通过挤压物料使物料破碎,受到物料强烈的磨料磨损,齿板耐磨材料耐磨性差，一方面会造成耐磨材料的消耗增加,另一方面会造成频繁地停机更换耐磨材料,造成企业生产成本的增加和生产效率的降低,增加操作者劳动强度和负担。

目前，高锰钢是应用最广泛的一种耐磨材料,高锰钢最重要的特点是在强烈的冲击和挤压条件下,表面迅速发生加工硬化,使其心部在保持奥氏体良好的韧性和塑性的同时硬化层具有良好的耐磨性能。所以高锰钢只有在具备足以形成加工硬化的条件下才表现出其优越的耐磨性能,但在使用过程中寿命较短。高锰钢中由于锰的含量高,不仅浪费大量地资源,而且锰增加了钢的回火脆性,从而引起钢冲击韧性地降低。有一些工况条件冲击力不是很大,但又需要很高的耐磨性能,而高锰钢的耐磨性能较差,这就需要研发一些新材料来代替传统的耐磨材料。新型低合金钢耐磨钢由于具有较高硬度和足够韧性的综合性能,并通过调整成分与热处理工艺,在较大范围内控制硬度和韧性的合理匹配,可以满足辊式破碎设备不同磨损工况的需要,因而作为耐磨材料己引起人们的广泛重视,但是现有的低合金耐磨钢由于在金属组分、含量以及热处理工艺方式的选择上存在缺陷,不能应对辊式破碎机工作时的多种磨损情况,造成在使用过程中磨损严重。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种耐磨齿板用新型低合金耐磨钢及其热处理方法,能够解决辊式破碎机的齿板磨损严重等问题。

本发明的目的是由以下方式实现的：

一种耐磨齿板用新型低合金耐磨钢,按质量百分比由以下化学成分组成：C：0.4-0.5%、Si：0.10-0.20%、Mn：0.8-0.9%、Cr：1.7-2.0%、Mo：0.15-0.20%、Ni：0.7-0.8%、P：≤0.04%、S：≤0.04%、Re：0.05-0.07%,余量为Fe和不可避免的杂质元素。

所述的Re是一号稀土合金。

本发明一种耐磨齿板用新型低合金耐磨钢的化学成分及质量百分比含量设计的原理如下：

碳(C)：碳是低合金铸钢中重要的元素,钢的硬度和强度主要和碳量有关。因此C对钢的硬度、耐磨性、强軔性产生较大的影响,随着碳量的增加,材料的硬度和强度增加,但塑韧性降低;但C含量太低,钢的淬硬性又差，耐磨性低。应该在满足强度、硬度的前提下,应将碳含量控制在一定范围内。在较低冲击载荷条件下,应选用中碳或高碳;在较强冲击载荷条件下,应选用低碳,保持较高的韧性,不至断裂。基于上述原因,本发明的齿板用低合金耐磨钢的碳含量wt.(C)在0.4-0.5%之间。

硅(Si)、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）：实验证明，合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易于分布在位错线附近，造成柯氏气团，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。当Si<0.6%、Mn<1.5%时，显著提高了铁素体的硬度和强度，硅、锰对韧性的影响不大，铬、镍这两个元素，在适当的范围内（Cr<2%，Ni<5%），不但提高铁素体的硬度和强度，而且能提高其韧性。在合金结构钢中，为了获得良好的强化结果，对硅、锰、铬、镍等合金元素要控制在一定的含量范围之内。基于上述原因,本发明的齿板用低合金耐磨钢的碳含量wt.(Si))在0.1-0.2%之间、wt.(Mn))在0.8-0.9%之间、wt.(Cr))在1.7-2.0%之间、wt.(Ni))在0.7-0.8%之间。

钼(Mo)：显著提高钢的淬透性，减少回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。如果Mo含量低于0.05wt.%,则难以起到上述作用,如果Mo含量超过0.3wt.%,则作用效果达到饱和,且成本较高。因此，综合钼的作用, 本发明的齿板用低合金耐磨钢的钼含量wt.(Mo)范围为0.15-0.20%。

稀土元素(Re)，采用1号稀土合金：强脱氧剂和脱硫剂,微量的稀土可以改善钢的铸态结构组织,净化钢液,细化晶粒,增加钢的致密度,改善钢中夹杂物的形态和分布,降低钢中气体和有害杂质的含量,钢中稀土含量过高反而会成为夹杂,其最佳RE残余含量与钢中硫含量有关。本发明的齿板用低合金耐磨钢的稀土元素含量wt.(Re)范围为0.05%-0.07%。

本发明还公开一种上述的齿板用低合金耐磨钢的热处理方法,包括如下步骤：

1)淬火，将上述铸态下的齿板用低合金耐磨钢在低于100℃炉温下装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至860℃-920℃并保温2h，结束后油淬;

2)回火，将淬火后齿板用低合金耐磨钢在常温状态下装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至200℃-250℃并保温3h，结束后出炉空冷。

本发明工艺的原理如下：

1）目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油。水具有较强烈的冷却能力，用作奥氏体稳定性较小的碳钢淬火，水冷却介质最为合适。油的冷却能力比水小，因此，生产中用油作冷却介质，只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火。本发明的齿板用低合金耐磨钢为Cr-Mn-Ni-Mo系低合金钢，所以淬火选用油作冷却介质。

2）淬火是提高材料硬度的常用工艺，淬火钢的组织主要是马氏体或马氏体加残余奥氏体。马氏体和残余奥氏体在室温下都是亚稳相，马氏体中碳含量处于过饱和状态，残余奥氏体处于过冷状态，它们都有向铁素体加渗碳体(碳化物)的稳定状态转化趋势，但这种转化在动力学上需要一定的温度和时间条件，因此淬火钢件必须立即回火，以消除或减少内应力,防止变形和开裂，并获得稳定的组织和需要的性能。

3）在一定的回火温度范围内，随着回火温度升高，抗拉强度降低但屈服强度增大，究其原因是由于碳化物颗粒析出的沉淀增强作用，抵消了低温回火所带来的固溶强化下降和位错亚结构的回复软化。随着回火温度的进一步升高，位错强化和固溶强化效果减弱，组织软化明细，导致钢的硬度不断下降。

4）按照880℃油淬与250℃回火热处理工艺，回火出炉分别进行水冷、油冷、空冷，得到的硬度、冲击功如表1。

表1 回火后不同速度冷却的力学性能

从表1中可以看出,实验材料空冷后的硬度指标略低为HRC51,但韧性指标相对略高,具体为冲击功(Akv)：21J，对比油冷和水冷后的力学性能,可以看出,各项性能比较接近,变化幅度均不大。综合对比来看,空冷后材料具有较好的综合力学性能,且实施过程容易操作和热处理成本较低。所以本发明的齿板用低合金耐磨钢的回火冷却方式为空冷。

5）采用本发明优选的化学成分得到的齿板用低合金耐磨钢，经上述方法热处理后，得到的回火组织主要是回火马氏体，硬度值达到50-53HRC，冲击韧性(Akv)达到21J，具有良好的综合力学性能，并有良好的耐磨性，满足齿板在辊式破碎机中的使用要求。

本发明的有益效果是：本发明通过材料化学组分的配置和加工方法，实现了齿板用低合金耐磨钢具有高硬度，良好的韧性和优异的耐磨性，可广泛应用于要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、煤化工等机械产品上。

附图说明

图1是本发明耐磨齿板用新型低合金耐磨钢910℃油淬250℃回火空冷100倍下显微组织图；

图2是本发明耐磨齿板用新型低合金耐磨钢910℃油淬250℃回火空冷500倍下显微组织图。

具体实施方式

实施例1

1）本实施例的齿板用低合金耐磨钢采用了如下设计：

钢的各化学成分及质量百分比含量为：C：0.5%、Si：0.184%、Mn：0.88%、Cr：2.07%、Mo：0.152%、Ni：0.709%、P：0.02%、S：0.012%、Re：0.052%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

2）采用1t酸性中频感应炉溶炼,炉料主要有废钢、硅铁(FeSi75)、铬铁(FeCr55C25)、钼铁(FeMo60)、电解镍、锰铁。溶炼过程所加的炉料等材料必须干燥,废钢、铬铁、钼铁、金属镍随炉装入。开始10分钟内以40-60%功率熔化,待电流波动趋于稳定后,以大功率熔化，熔化后加入1.5%造渣剂(65%新砂+碎石灰15%+氟石粉20%造渣剂)。钢液温度在1560-1580℃,用低碳锰铁和硅铁进行预脱氧,先加入0.2%锰铁,再加入0.1-0.2%硅铁,温度1550℃以上,浇注圆杯试样,检查脱氧情况,脱氧良好时,加入所有的锰铁和全部的硅铁、1号稀土合金，完全熔化完毕,化验化学成分符合要求,插铝进行终脱氧,加入量约为0.08%。钢包预热温度为700℃左右，静置一定时间后进行浇注，浇铸完成后让铸件空冷至室温。

将所得铸件进行热处理,包括如下步骤：

1）淬火，100℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至880℃保温2h，油淬;

2）回火，将油淬后合金钢齿板在常温下装炉,以80℃/h的速度升温至250℃保温3h，出炉空冷。

3）对本实施例热处理后的的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为52HRC；制备冲击试样进行常温下的冲击韧性测试，带v型缺口的冲击功为19J。

实施例2

1）本实施例的齿板用低合金耐磨钢采用了如下设计：

钢的各化学成分及质量百分比含量同实施例1。

2）铸件的制备方法同实施例1。

将所得铸件进行热处理,包括如下步骤：

1）淬火，100℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至860℃保温2h，油淬;

2）回火，将油淬后合金钢齿板在常温下装炉,以80℃/h的速度升温至230℃保温3h，出炉空冷。

3）对本实施例热处理后的的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为51HRC；制备冲击试样进行常温下的冲击韧性测试，带v型缺口的冲击功为20J。

实施例3

1）本实施例的齿板用低合金耐磨钢采用了如下设计：

钢的各化学成分及质量百分比含量为：C：0.45%、Si：0.15%、Mn：0.85%、Cr：1.9%、Mo：0.17%、Ni：0.75%、P：0.02%、S：0.015%、Re：0.06%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

2）铸件的制备方法同实施例1。

将所得铸件进行热处理,包括如下步骤：

1）淬火，100℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至900℃保温2h，油淬;

2）回火，将油淬后合金钢齿板在常温下装炉,以80℃/h的速度升温至240℃保温3h，出炉空冷。

3）对本实施例热处理后的的铸件取样进行力学性能测试与显微组织观察，硬度均值为51HRC；制备冲击试样进行常温下的冲击韧性测试，带v型缺口的冲击功为19J。

实施例4

1）本实施例的齿板用低合金耐磨钢采用了如下设计：

钢的各化学成分及质量百分比含量同实施例1。

2）铸件的制备方法同实施例1。

将所得铸件进行热处理,包括如下步骤：

1）淬火，100℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至910℃保温2h，油淬;

2）回火，将油淬后合金钢齿板在常温下装炉,以80℃/h的速度升温至250℃保温3h，出炉空冷。

3）对本实施例热处理后的的铸件取样进行力学性能测试与显微组织观察，硬度均值为50HRC；制备冲击试样进行常温下的冲击韧性测试，带v型缺口的冲击功为21J。用ZEISS Observer.A1m光学显微镜观察金相组织,试样腐蚀用4%的硝酸酒精溶液的到的组织为回火马氏体与残余奥氏体组织，如图1和图2。

从以上的描述中,可以看出,本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明的齿板用低合金耐磨钢具有高硬度，良好的韧性和优异的耐磨性，可广泛应用于要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、煤化工等机械产品上。