专利名称：多元合金耐磨耐蚀高韧性衬板及其制造方法
一种多元合金耐磨耐蚀高韧性衬板及其制造方法，属于一种多元合金钢材质的衬板及其制造方法，涉及球磨机技术领域。
衬板是球磨机上应用的消耗量仅次于磨球的一种易损件。我国目前应用的衬板品种主要有两大类，第一大类为高锰钢衬板，材质多为Mn13，采用铸造加水韧化处理方法制造，该种衬板韧性极好，不易断裂，但其硬度低，它需要在使用过程中受到冲击，才能达到强化，增加硬度，提高耐磨性。我们知道，由于衬板在球磨机里使用过程中，有一层物料垫着，受磨球和大块物料的冲击作用很小，磨擦作用占主导地位，这样衬板得不到强化效果，只是以其原有水韧化处理的基体硬度HB230左右来承受磨损。这样衬板的抗磨性很差，不能充分发挥钢材的潜在性能，造成巨大浪费。另一大类衬板是合金钢材质的衬板，这是近代本领域历图研究发展的一个品种，现有的合金钢衬板主要以中碳合金钢为主，如中国专利93105874.0采用铸造、退火、油淬火、回火工艺制造工艺较复杂，成分含有Cr、Mo、Cu贵重金属较多，产品成本也高，况且由于衬板的壁厚不一致性较大，有些产品结构复杂，淬透性与淬硬性较难匹配，工艺难以控制，韧性达不到要求，应用单耗也高，不能达到理想境地。
本发明的目的在于解决上述已有技术存在的问题，取长衬短，提供一种即具有高硬度耐磨、高强度耐冲击不断裂，又具有良好耐腐蚀性的多元合金配制的衬板及加工该衬板的一种工艺稳定、简单易行、成本低廉的制造方法。
本发明以如下技术方案实现衬板的化学成分为(按重量％计)C＝0.45-0.65，Si＝0.5-1.1，Mn＝1.6-3.0，Cr＝0.5-1.2，B＝0.001-0.0025，Ti＝0.1-0.2，P≤0.04，S≤0.04，Re＝0.1，余量为Fe。
衬板的制造方法是将上述化学成分的金属熔液依次经以下工艺步骤制成衬板(1)在1480-1530℃之间浇铸到所需衬板形状的砂型铸造腔内冷却成型，缓冷至200℃以下再空冷；(2)经清理打磨，在780-830℃保温1.5～2.5h后随炉冷退火至200℃以下再空冷；(3)以≤1.5℃/S的速度将衬板加热到820-860℃保温一定时间；(4)立刻进入到旋转风冷淬火机上淬火冷却，使衬板在400℃以上以≥1.5℃/S速度冷却，在400℃以下以≤1℃/S速度冷却，冷却至230-330℃出淬火机；(5)接着在180-280℃缓冷保温炉内余热保温18-24h后空冷至室温；(6)在250-270℃，4～6h回火制成。
本发明提供的衬板其选材各组分的成分取值范围及限定的理由是我们追求衬板的性能指标是硬度HRc50以上，冲击韧性αk值在25～38J/cm2之间，并且具有良好的耐腐蚀性能。这样，CC是强化钢的最重要元素，决定钢的淬硬性和碳化物的数量以及金相组织的形成，碳含量愈高，淬火后硬度愈高，为追求衬板强韧匹配的良好综合机械性能，不是硬度越高越好，经试验限定碳含量在0.45～0.65％为宜。MnMn在钢中最显著的特点是，提高钢的淬透性效果最好，同时对钢中的铁素体有强烈的强化作用并使碳化物稳定和弥散，其不利的一面是促使晶粒粗化，脱碳及过热敏感性增加，综上因素其含量限定在1.6～3.0％为宜。Si钢中加入Si促使曲C线上移，Si加入锰钢中能够阻碍因锰而产生的晶粒粗化，Si、Mn同时加入钢中会有更好的促使钢的淬透性增强的效果，范围控制在0.5～1.1％之间。CrCr也是提高淬透性的合金元素之一，它能固溶铁素体，又能和钢中的碳形成多种碳化物，并阻碍晶粒长大，获得提高回火稳定性，提高强韧性和耐磨性的效果，其在钢中的不利一面是扩大回火脆性，因此控制量为0.5～1.2％。B含有Si、Mn钢中加入0.001～0.004％微量的B，对于提高淬透性有突出的作用，但过量的B在钢中是有害的，B只能以固溶状态存在才能提高淬透性，由于B是极活泼的元素，易与钢中的氧和氮形成氧化物、氮化物，以化合物存在的B不能提高淬透性，过量的B以Fe2B存在，不能提高淬透性，反而会严重影响钢的韧性。实践证明在0.003％B含量已经使钢的韧性不够稳定了，另外B对钢提高淬透性是有C含量选择的，B加入亚共析钢有效，加入过共析钢无效。考虑到C含量选在0.45～0.65％，所以B含量选在0.001～0.0025％。TiTi是强烈阻碍晶粒粗化的元素，能够形成极稳定的TiC阻止奥氏体晶粒粗化，本发明加入Mn量较大，极易发生晶粒粗化，钢中加入少量的Ti不仅能够阻碍晶粒粗化，而且能够使钢的强度和韧性同时提高，另外Ti还能形成很细小很难溶的化合物阻碍奥氏体晶粒粗化。Ti和C的化合物有较高的硬度，这也是我们追求的，用以提高衬板耐磨性的手段。Ti的加入量选择0.1～0.2％。Re稀土的加入量为1‰左右，主要目的是用于净化钢水，改变非金属夹杂物形态，改善铸态组织使之均匀细化，同时利用其强脱氧性并对硫的大亲合力，净化晶界，提高铸件质量。S、P是钢中的有害元素，本发明两种元素不超过0.04％即可，其余为Fe。本发明采用的制造方法制定依据如下采用工艺步骤(1)1480℃～1530℃温度浇铸，即保证一定流动性，又有利于补缩和防止粘砂。在200℃以下出砂是由于本发明钢的淬透性极好，衬板结构有时复杂，以防急冷开裂。采用工艺步骤(2)在780～830℃退火，目的是消除铸造时产生的热应力和组织应力并改善组织为其后的淬火作准备，本工艺参数是经实验结果选定的。采用工艺步骤(3)以≤1.5℃/S的速度加热衬板是为了防止衬板变形或开裂，并保证内表加热的均一性，这种材料的奥氏体转变温度在790℃左右，所以选择加热温度为820～860℃作为淬火加热温度。采用工艺步骤(4)是使衬板在400℃以上保证≥1.5℃/S速度冷却，满足临界冷却速度要求，获得要求的40-60％马氏体，20-40％下贝氏体，5-10％碳化物和10％左右残余奥氏体混合组织，硬度在HRC50以上的性能。在400℃以下以≤1℃/S速度冷却是为了减少热应力的产生和因组织转变速度过快而产生大量的组织应力而控制的。到达150～350℃即进入贝氏体转变区。便可进入保温缓冷阶段。这一步骤是在图1所示的旋转式风冷淬火机上实现的，旋转式风冷淬火机由传动系统1、转盘2、供风装置3、温控器4组成。衬板5在转盘2上，由传动系统1以2-5转/分速度转动，同时上方的供风装置供强风冷却，当工件温度达到400℃以下时，温控器发出信号控制供风装置降低风量，保证在≤1℃/S速度下冷却，到230～330℃期间，温控器发出信号停止供风衬板离开转盘。采用工艺步骤(5)在180～280℃缓冷余热保温目的是创造形成贝氏体的条件，得到尽可能多的贝氏体含量，实践证明150-250℃是该钢种贝氏体转变的最佳温度，保温缓冷过程中伴有马氏体的转变，保温18-24h转变基本结束。在随后的空冷过程中还能进一步促使奥氏体向马氏体转变。采用工艺步骤(6)在250～270℃进行4-6h回火，目的是消除组织转变产生的内应力，并稳定组织，温度过高时间长，一则浪费能源，二则硬度损失太大，温度低，时间短达不到目的。回火后的组织为回火马氏体+下贝氏体+碳化物+残余奥氏体。
本发明所具有的有益效果由于衬板的化学成分设计时充分考虑到衬板的制造工艺性，应用条件及适应性等因素，因此衬板的化学成分设计合理，通过铸造、退火、风冷淬火、保温缓冷、回火等上述制造工艺处理后，得到40～60％马氏体、20～40％下贝氏体、5～10％碳化物和10％左右的残余奥氏体组成的混合组织，既有较高硬度的合金碳化物质点和马氏体，又有强韧性极佳又耐腐蚀的贝氏体存在，使衬板有效厚度160mm以内都具有心表一致的HRC50-56的高硬度，冲击韧性达αk＝25-38J/cm2，该衬板具有耐磨、耐冲击并耐腐蚀的性能效果，这种强韧性匹配合理，均超过上述两类衬板的综合机械性能，适应各类磨机的应用，特别是由于它具有一定的抗腐蚀性能，特别适合在湿法磨上使用，寿命较其它衬板高1倍以上。由于化学成分无特别贵重金属，含量未超过6％，成本低廉，衬板的加工方法简单易行，衬板不变形，不产生裂纹，风冷淬火安全、无污染，是目前应用衬板的最佳更新换代产品。
图1为旋转风冷淬火机工作原理图；图2为实施例1金相图；图3为实施例2金相图。
下面结合实施例详细说明本发明。实施例1配制衬板材料的化学成分(按重量％计)C＝0.48，Si＝0.7，Mn＝2.35，Cr＝0.83，B＝0.0018，Ti＝0.13，P＝0.028，S＝0.031，Re的加入量为0.1，其余为Fe。
制造方法1将上述化学成分的金属熔液依次经下述工艺步骤制成衬板(1)在1495℃浇铸到事先准备的所需衬板形状的砂型铸造腔内冷却成型，保证凝固成形的衬板在砂中缓慢冷却至180℃时出砂；(2)将衬板清理打磨，然后在810℃保温2h，随炉冷退火，冷至190℃再空冷；(3)以≤1.4℃/S的速度将衬板加热到840℃保温1小时；(4)出炉进入到旋转风冷淬火机上淬火冷却，全风量吹风冷却约300S，约400℃时，控温器4驱动调节器减少一半风量吹风约180S，在280℃±15℃时出淬火机；(5)接着在缓冷保温炉内余热保温21个小时，出炉空冷；(6)在热风循环井式炉中加热到255℃，保温5h回火后空冷制成衬板。
金相组织回火马氏体+下贝氏体+合金碳化物+残余奥氏体，由图2给出金相图，硬度HRC52.5，冲击韧性αk＝29.5J/cm2，(U型缺口)。
实施例2衬板材料的化学成分为(按重量％计)C＝0.62，Si＝1.05，Mn＝2.75，Cr＝0.89，B＝0.0022，Ti＝0.18，P＝0.039，S＝0.025，Re加入量为0.1，其余量为Fe。
制造方法2将上述化学成分的金属熔液依次经下述工艺步骤制成衬板(1)在1520℃浇铸到所需衬板形状的砂型铸造腔内冷却成型，冷凝后衬板在190℃时出砂；(2)在870℃±5℃保温2h，随炉冷退火，冷至200℃再空冷；(3)以≤1.4℃/S的速度将衬板加热到855℃保温1.2h；(4)出炉进入到旋转风冷淬火机上冷却，全风量吹风冷却约300S，约400℃时，温控器4驱动风量调节器减少一半风量吹风约180S，在270℃±15℃时出淬火机；(5)接着在缓冷保温炉内余热保温23个小时，出炉空冷；(6)在热风循环井式炉中加热到245℃，保温4h回火后空冷制成。
金相组织回火马氏体+下贝氏体+合金碳化物+残余奥氏体，由图3给出金相图，硬度HRC54.6，冲击韧性27.3J/cm2，(U型缺口)。
权利要求
1.一种多元合金耐磨耐蚀高韧性衬板，其特征在于衬板的化学成分为(按重量％计)C＝0.45-0.65，Si＝0.5-1.1，Mn＝1.6-3.0，Cr＝0.5-1.2，B＝0.001-0.0025，Ti＝0.1-0.2，P≤0.04，S≤0.04，Re＝0.1，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的衬板的制造方法，其特征在于将含有权利要求1所述化学成分的金属熔液依次经以下工艺步骤制成衬板(1)在1480-1530℃之间浇铸到所需衬板形状的砂型铸造腔内冷却成型，缓冷至200℃以下再空冷；(2)经清理打磨，在780-830℃保温1.5～2.5h后随炉冷退火至200℃以下再空冷；(3)以≤1.5℃/S的速度将衬板加热到820-860℃保温一定时间；(4)立刻进入到旋转风冷淬火机上淬火冷却，使衬板在400℃以上以≥1.5℃/S速度冷却，在400℃以下以≤1℃/S速度冷却，冷却至230-330℃出淬火机；(5)接着在180-280℃缓冷保温炉内余热保温18-24h后空冷至室温；(6)在250-270℃、4～6h回火。
全文摘要
一种多元合金耐磨耐蚀高韧性衬板及其制造方法，属磨球机技术。衬板的化学成分为(按重量％计)C＝0.45-0.65，Si＝0.5-1.1，Mn＝1.6-3.0，Cr＝0.5-1.2，B＝0.001-0.0025，Ti＝0.1-0.2，P≤0.04，S≤0.04，Re＝0.1，余量为Fe。按该成分铸成衬板，在780-830℃退火再加热到820-860℃保温一定时间后风冷淬火到230-330℃进行余热保温16-24h，在250-270℃、4～6h回火。该衬板化学成分及加工工艺合理，耐磨、耐蚀、耐冲击，成本低，易加工，是现衬板最佳更新换代产品。
文档编号C22C38/38GK1165203SQ9612128
公开日1997年11月19日 申请日期1996年12月10日 优先权日1996年12月10日
发明者魁永生, 高臣, 李保平, 王松涛 申请人:魁永生, 高臣