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ZGMn13Cr2RE强韧性高锰钢衬板在球磨机上的应用
发布时间：2013-05-19 07:47 来源：未知
球磨机在粉磨物料时衬板是主要的消耗材料之一，对衬板的材质要求是既要有好的韧性又要有很好的耐磨性。在我国，几十年来球磨机衬板的材质主要以高锰钢为主，由于其性能稳定，安全可靠，故延续至今。尽管中低合金钢衬板在中小磨机上有所应用，但因其生产工艺复杂，品质不稳定，应用十分有限。
高锰钢作为一种优良的耐磨材料其使用是有条件的，只有在服役时受到足够冲击（强力冲击、强力挤压）的条件下，高韧性的奥氏体组织会因变形产生冷作硬化，表面硬度由HB170—230迅速增至HB500以上，从而获得高的耐磨性。当其用作磨机衬板材料时，由于受到的冲击力有限，表面硬度较低，表现出耐磨性不佳，高锰钢的潜在能力不能得到充分发挥。为了改变高锰钢耐磨性受约于使用条件的情况，几十年来，材料工作者进行了大量的研究，概括起来有以下几个方面：①在标准高锰钢成分基础上进行合金化，即添加Cr、Mn、V、T、RE等合金元素；②制定新的弥散强化工艺；③进行表面强化（如挤压表面、强化爆炸、表面强化、表面喷涂、堆焊耐磨合金等）。
中州铝厂有大小磨机20余台，衬板消耗量巨大。为了提高衬板的使用寿命．降低消耗，笔者结合自身的设备、工艺状况，参照国内外有关高锰钢的技术标准，在GMn13的基础上，通过合金化和改变传统水韧处理工艺，开发生产了ZCMn13Cr2RE强韧性高锰钢衬板。生产实践表明，该材质使用效果良好，经济技术效益显著。
富通新能源销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
1、化学成分的确定
1.1碳。在高锰钢中C是影响耐磨性的主要因素之一，在其它元素不变的情况下，增加含C量将明显增加耐磨性；但含C量又会影响奥氏体晶粒中层错的形成，降低加工硬化能力。考虑衬板的尺寸和受力情况，确定含C量为1.25%—1.35%。1.2锰。Mn是保证得到奥氏体组织的元素，降低Mn量，能使奥氏体层错能下降，提高高锰钢的加工硬化能力，取11%～13%Mn。
13铬。Cr作为合金元素加入高锰钢中，可置换渗碳体中部分铁原子，形成铬合金渗碳体(FeCr)3C。该合金渗碳体比Fe3C渗碳体稳定，而且在水韧处理时不易聚集、溶解，并阻碍奥氏体晶粒长大；该合金渗碳体呈晶粒状、岛状形式，弥散分布在钢中，是高韧性的奥氏体基体上分布着弥散碳化物硬质点，提高耐磨性。另外，Cr原子易偏聚阻碍位错运动，使钢受外力时滑移阻力增强，提高加工硬化能力和硬化效果，表面(0.01mm)加工硬化可达HB550以上。当Cr的含量小于2%时，Cr在钢中起固溶作用，能提高钢的淬透性和塑性。Cr的原子半径为1.285A，其结构与Fe原子相近(Fe原子半径为1.27A)，原子半径差小于8%，所以说，Cr可以占据Fe原子的位置，形成连续性的置换固溶体，使晶格发生正畸变，导致局部晶格能量上升，明显提高钢的综合力学性能，提高钢的屈服强度，抗拉强度及抗磨性。鉴于以上分析，Cr含量取1.5%~2.5%。
1.4稀土。RE加入高锰钢中能有效地改善力学性能，增强抗磨性，延长使用寿命。RE有优良的脱气作用。RE在高温下与氮形成氮化物，有良好的固氮脱气作用。RE与氧的亲和力非常强，超过了铝，仅次于钙，极易与氧合成高熔点的氧化物。RE对钢有脱硫除渣，净化钢液作用。RE不仅直接与S化合，而且又能夺取FeS或其它硫化物中的硫，当钢液中RE达0.1%后，(MnFe)S基本消除。RE能改善钢晶粒组织，有消除柱状晶，细化晶粒作用，减轻裂纹倾向。RE加入钢液中，起激冷作用，形成晶核，导致晶粒细化，消除铸态中柱状晶。另外RE能降低钢液与晶体的表面张力，是钢的表面活性物质，促使晶核形成，并阻碍晶粒长大，缩短柱状晶，消除穿晶，对消除奥氏体高锰钢柱状晶组织有特殊作用。再者，随着钢中RE的增加，碳化物数量不断减少，同时网状碳化物逐渐变成条状和球状呈孤立岛状，从而也促进了组织细化。除此之外，RE还易于晶界低熔点杂质作用，并积聚于晶界中对P产生排斥作用，能减轻和消除P造成的沿晶断裂，从而降低高锰钢的热裂倾向。RE能减缓和阻止高锰钢在时效沉淀硬化处理时奥氏体中二次碳化物和铬相的析出和粗化。固溶于钢中的RE会有限偏聚与晶界位错处，在时效过程中会有效的阻止奥氏体中碳铬沿界晶析出和长大。一般认为，RE残留量应控制在0.08%～0.1%之间。1．S硫、磷。S、P作为有害物质应严格控制，S<0.05%．P<0.08%。1.6综合以上，我们确定了强韧性高锰钢的化学成分为：1.25%—1.35%C,0.3% -0.8% Si,11%~13%Mn,1.5%—2.5%Cr,0.08%～0.1%RE.《0.05%S ,<0.08%P.
2、水韧处理工艺的确定
2.1 ZMn13的铸态组织
铸态高锰钢的组织为A+K+P少，因浇注冷却过程中(FeMn)3C沿奥氏体晶界析出，导致力学性能恶化，塑性低，脆性大；而且高锰钢在铸态冷凝结晶时易产生粗大柱状晶粒，其碳化物易成网状和块状，碳化物大量析出与聚集，降低奥氏体中碳浓度。因此，铸态高锰钢未经水韧处理不能使用。
高锰钢铸件经不同温度加热，组织会发生如下转变：<400℃无碳化物析出，加热至500℃析出少量细粒碳化物；至600℃接近下临界温度ACl(ZGMn13为650—690℃)时析出大量细小粒状和片状碳化物，形成大量屈氏体组织；至720℃全部被溶解；至800℃大部分铸态粗网碳化物溶解，但晶界上残留细粒团、片状屈氏体；加热至900～950℃时，铸态粗条状，网状碳化物全部溶解；加热至950—1100℃时仅残留一些高熔点的碳化物未溶解。总之，加热至400℃以上AC，临界点以下范围内，温度愈高，析出次生脆性相碳化物愈多，至接近AC．点时，析出细小片状碳化物组成的屈氏体愈多，热裂倾向增加，在AC．以上保温，温度愈高碳化物脆性相溶解愈多，塑性较高，降低热应力和组织应力，降低淬裂倾向。高锰钢铸件重新加热与随后水韧处理冷却速度快慢可形成多相和单相组织，多相组织不适合衬板的性能要求和使用技术条件，将ZGMn13加热至AC3上临界温度以上充分保温后快冷（水冷）可获得单一奥氏体组织。
2.2水韧工艺对ZGMn13组织性能的影响
ZGMn13采用不同水韧温度，不同加热保温时间，不同冷却速度，将严重影响ZGMn13的组织和性能。
永韧加热温度过低，碳化物溶解不充分，淬火后基体组织有碳化物；水韧温度过高，引起奥氏体晶粒长大，降低钢的强韧性且易导致氧化、脱碳、脱锰，一般选取105℃左右为宜。
永韧处理应有足够的保温时间，ZGMn13组织较粗，导热性差，碳化物在不同温度有一定的溶解度，只有足够的保温时间才能使较粗的碳化物充分溶解，保温时间应视铸件大小而定。
冷却速度愈快，水温愈低，碳化物不易从奥氏体中析出，愈不易产生淬火裂纹；反之，会获得性能较差的双相组织。一般采用冷水淬火，并且水要流动，水温不超过48℃。
2.3强韧性高锰钢水韧处理工艺的确定
强韧性高锰钢中由于铬的存在，铸态组织中碳化物数量增多，且往往在晶界形成连续网状碳化物，若按一般水韧加热温度进行处理，含Cr的碳化物难以溶解，需在常规的处理温度上提高30—50℃或增加保温时间。
在升温速度上，为避免较大热应力，应低温入炉，以≤100℃/h的加热速度直接升至水韧加热温度，取消650—700℃保温段，因为这个温度预热保温易沿奥氏体晶界析出脆性碳化物，恶化水韧处理后组织韧性．。
3试验结果及分析
3.1试验用钢在0.5t中频炉中熔炼，炉前用RE变质。RE的化学成分见表1，试验用钢的具体成分见表2。
3.2水韧处理工艺对组织性能影响的试验
试验试样为基尔试样，性能及组织按照高锰钢
3.3金相组织
从水韧处理工艺性试验的过程中，通过显微组织的观察，强韧性高锰钢经过l0OO—llO0℃之间水韧处理后，组织中非金属夹杂物均不超过2A，组织中均未发现过热碳化物。
3.4结果分析
从表3中可以得出，改良后的合金化高锰钢奥氏体钢的力学性能。和HB值均有明显增加，且奥氏体组织中保存有高熔点，难溶解呈弥散性分布的硬质点，有效的提高了铸件的起始硬度，耐磨性好韧性显著提高，这是Cr和RE共同作用的结果。从试验结果看，合金成分是合理的，水韧处理工艺采用1050—1100℃水韧加热温度是合适的。
4、衬板的生产及工业试验
4.1衬板的生产
试验衬板为中铝∮2600mmx13000mm管磨中的1仓衬板，衬板的生产在500kg中频炉中进行，冶炼工艺同试验冶炼工艺，炉前包内冲入0.2%RE，RE用前加热处理(200～300℃)除去水分，粒度控制在5~10mm．出炉温度控制在1460—1480℃，浇注温度1380—1400℃。衬板造型用水玻璃砂，吹C02气体硬化，涂镁砂粉醇基涂料，铸件冷却至200℃以下打箱落砂，对无缺陷的衬板进行热处理，工艺如图l。
4.2工业试验
衬板的工业试验2003年10月28日在中铝氧化铝二车间的2号∮2600mmx13000mm原料磨的1仓中试验，矿石为铝矾土矿，研磨体为低铬合金磨球，2004年9月27日结束，历时近一年，实际运转近5500h，比衬板的历史平均寿命3600h提高1900多小时，寿命提高了50%以上，这样不仅节约了材料费用，而且减少了更换衬板次数和费用，经济技术效益显著。
5、结论
(1)在ZCMn13中加入Cr、RE等合金元素能有效的改善高锰钢的组织，提高高锰钢的起始硬度，增加耐磨性，增强屈服强度，充分发挥高锰钢耐磨潜力，在各种应力作用下均有优良耐磨性。
(2)在高锰钢的水韧工艺中取消650～700℃保温过程，缓慢升温，充分保温，足够水韧加热温度和快的冷却速度是保证水韧处理品质的重要因素。
(3)用强韧性高锰钢制作衬板，特别是大型磨机的衬板寿命是原来的1.5倍，而且安全可靠，经济技术效益是十分明显的。
