高強度抗磨鑄鋼襯板的研究

左正國（杭州鋼鐵廠合金鋼鑄造分廠，杭州 310022）

高強度抗磨鑄鋼襯板的研究

左正國（杭州鋼鐵廠合金鋼鑄造分廠，杭州 310022）

在鑄鋼中加入硼元素，獲得了高強度抗磨高硼鑄鋼。研究了淬火溫度對高硼鑄鋼襯板顯微組織和硬度的影響。結果顯示，隨著淬火溫度提高，淬火組織硬度增加，淬火溫度1000℃時，基體組織全部轉變成了強韌性好的板條馬氏體。高硼鑄鋼襯板經1000℃淬火后，再在230～240℃進行去應力回火處理，具有良好的強韌性和抗磨性，使用中襯板不會斷裂，其使用壽命比高錳鋼提高180%～200%，且不含貴重合金元素，生產工藝簡便。

高硼鑄鋼；襯板；力學性能；耐磨性

1 前言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，國外已于上世紀60年代末期就基本淘汰了高錳鋼襯板在許多球磨機中的應用。我國電力工業(yè)出于安全方面考慮，目前球磨機襯板還多為高錳鋼材質。但是，高錳鋼襯板在使用過程中不能充分加工硬化，殘體表面硬度低，耐磨性差，且在使用過程中易發(fā)生塑性變形，使得拆卸維修困難[1]。為了適應電力工業(yè)發(fā)展，提高易磨損件的壽命，國內外一直在研制合金鑄鐵耐磨襯板，并已經在球磨機上應用，其中應用最廣的是高鉻鑄鐵襯板[2]。高鉻鑄鐵的顯微組織為馬氏體+碳化物+殘余奧氏體，馬氏體的硬度較其它基體的硬度高，故其耐磨性能高且沖擊性能也較其他抗磨白口鑄鐵高。高鉻鑄鐵襯板中含有較多脆性碳化物，且基體是高碳馬氏體，脆性大[3]，使用中易剝落甚至斷裂，影響設備的正常運行。為了提高襯板的耐磨性，國內外還開發(fā)了馬氏體鋼、貝氏體鋼和奧－貝鋼等襯板材料，因硬度低、淬透性差，使用壽命并未獲得明顯提高[4-6]。因此，開發(fā)高強度抗磨鑄鋼襯板滿足電廠球磨機的安全使用，是一項具有重要意義的工作。最近，我們根據球磨機襯板磨損失效特點，開發(fā)成功了一種高強度抗磨高硼鑄鋼襯板，并成功應用于電廠磨機上，獲得了很好的效果。

2 高硼鑄鋼特點以及高硼鑄鋼襯板成分設計

2.1 球磨機襯板的工況及磨損機理分析

當球磨機以一定轉速轉動時，磨球與煤料緊密混合，在離心力和摩擦力的作用被提升，達到平衡態(tài)后，以瀑瀉狀態(tài)落下，對底部料堆層產出沖擊。在整個工作過程中，磨球、煤料及襯板之間產生相對滑動、滾動與沖擊作用，從而使煤料粉碎。襯板處于三體磨損工況，由于襯板與相接觸的磨料產生的相對滑動和滾動，造成襯板表面的切削及犁削磨損，使襯板基體組織及硬質相流失，發(fā)生磨料磨損，這是襯板磨損的主要失效形式。其次在工作中，襯板受小能量的連續(xù)沖擊作用，要求其具有一定的韌性。

2.2 高硼鑄鋼特點

高硼鑄鋼是一種新的抗磨材料，以廉價的硼為主要合金元素，不含價格昂貴的鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，其組織特點是在低碳馬氏體基體上鑲嵌有硬度高、熱穩(wěn)定性好的硼化物，可以確保高硼鑄鋼在具有優(yōu)異強韌性的前提下，還具有高的硬度和優(yōu)良的耐磨性[7-9]，可以克服目前廣泛應用的以碳化物為主要耐磨硬質相的鐵基耐磨合金（如高鉻鑄鐵、鎳硬鑄鐵等）脆性大，使用中易斷裂和剝落的不足，也可以克服無耐磨硬質相的鐵基合金（如高錳鋼、低碳合金鋼）硬度低，淬透性與耐磨性差的不足，在球磨機襯板上發(fā)揮其優(yōu)異的耐磨性能，延長其使用壽命。

2.3 高硼鑄鋼襯板成分設計

高硼抗磨鑄鋼襯板成分見表1。其中碳含量控制在0.35%以下，主要是為了在淬火處理后獲得強度高、韌性好的板條馬氏體基體。碳含量過高，淬火組織中易出現(xiàn)脆性大的高碳馬氏體，降低高硼鑄鋼的強韌性。硼是高硼鑄鋼中的主要合金元素，鋼中加入硼主要是為了獲得一定數(shù)量的高硬度硼化物，改善鑄鋼耐磨性。部分硼溶于基體，可以改善基體的淬透性和淬硬性。硼加入量過少，形成的高硬度硼化物數(shù)量少，鑄鋼耐磨性差；加入量過多，硼化物數(shù)量多，且成粗大的連續(xù)網狀分布，使鑄鋼的強度和韌性降低，使用安全性下降。因此將硼含量控制在0.8%～1.2%。另外，在高硼鑄鋼中加入鈦和稀土，有利于細化凝固組織，提高高硼鑄鋼強度。加入適量鉻、銅和錳，有利于改善高硼鑄鋼襯板的淬透性。

表1 高硼鑄鋼襯板的化學成分（質量分數(shù)，%）

3 高硼鑄鋼襯板的制造

3.1 高硼鑄鋼襯板的鑄造生產

高硼鑄鋼襯板采用500kg中頻感應電爐熔煉，爐料為生鐵、廢鋼、硼鐵（含22.3%B）、硅鐵（含75.7%Si）、錳鐵（含 62.6%Mn）、鉻鐵（含 60.9%Cr）和鈦鐵（含29.5%Ti）。待鋼液過熱至1560～1580℃時，經造渣、扒渣、硅鈣合金預脫氧和鋁終脫氧后，加入硼鐵和鈦鐵。澆包內加入0.50%稀土硅鐵。采用水玻璃砂造型，鑄件收縮率1.9%。鋼液澆注溫度1450～1480℃，澆注時先小流，中間要快，后期慢澆使鑄件充分補縮，并點冒口1～2次。

3.2 高硼鑄鋼襯板的鑄態(tài)組織和性能

圖1是高硼鑄鋼襯板的鑄態(tài)顯微組織，其中圖1（a）是金相照片，圖1（b）是掃描電鏡照片。鑄態(tài)基體組織主要是珠光體和鐵素體組成，在晶界上連續(xù)分布有硼化物。由于基體由珠光體和鐵素體組成，硬度低，鑄態(tài)宏觀硬度只有32～35HRC，不能直接使用，高硼鑄鋼襯板使用前必須進行提高其硬度的淬火處理。

3.3 淬火溫度對高硼鑄鋼襯板的顯微組織和性能的影響

淬火溫度對高硼鑄鋼襯板的顯微組織和硬度的影響分別見圖2和圖3。隨著淬火溫度提高，高硼鑄鋼基體組織中溶解鉻、錳、硼、碳等元素增加，淬透性增加，淬火溫度低于1000℃，淬火組織中還殘存少量珠光體，淬火后襯板硬度較低。淬火溫度為1000℃時，淬火基體組織為單一的板條馬氏體，見圖2。圖4的X射線衍射分析結果也證實，基體組織為單一馬氏體組織，硼化物以Fe2B為主，襯板硬度較高。隨著淬火溫度的繼續(xù)升高，高溫奧氏體中固溶硼量增加，使淬火基體中出現(xiàn)了少量針狀馬氏體，形成了混合馬氏體組織，導致高硼鑄鋼襯板硬度進一步提高。

3.4 高硼鑄鋼襯板的工業(yè)應用

上述鑄造高硼鑄鋼襯板經1000℃淬火后，在230～240℃進行去應力回火處理，在襯板本體上直接測量硬度，其硬度值大于55 HRC。另外，從襯板本體上加工 ?15mm×130mm 和 15mm×15mm×90mm 試樣，分別測量拉伸強度和沖擊韌性，三個試樣的拉伸強度超過950MPa，平均沖擊韌性達到18.2J/cm2。而高鉻鑄鐵襯板的拉伸強度和沖擊韌性值分別為750～820MPa和 7.3～9.2J/cm2。目前，高硼鑄鋼襯板已在火電廠球磨機上進行了裝機運行試驗，結果顯示，襯板強度和硬度高，韌性和耐磨性好，使用中不斷裂，使用壽命比高錳鋼襯板提高180～200%，且不含貴重合金元素，生產工藝簡便，生產成本與高錳鋼襯板相當，推廣使用可產生顯著的經濟和社會效益。

4 結論

（1）以硼為主要合金元素，開發(fā)了一種含0.8%～1.2%B、＜0.35%C、＜1.2%Cr、＜0.3%Ti、＜1.2%Mn、＜0.5%Cu、＜1.0%Si和＜0.10%RE 的高硼鑄鋼襯板，具有良好的強韌性和耐磨性。

（2）隨著淬火溫度提高，高硼鑄鋼襯板硬度增加，淬火溫度為1000℃時，淬火基體組織為單一的板條馬氏體。

（3）高硼鑄鋼襯板硬度大于55HRC，抗拉強度超過900MPa，平均沖擊韌性達到18.2J/cm2，在火電廠球磨機上使用安全、可靠，使用中不斷裂、不剝落，使用壽命比高錳鋼襯板提高180%～200%。

（4）高硼鑄鋼襯板不含貴重合金元素，生產工藝簡便，生產成本與高錳鋼襯板相當，推廣使用可產生顯著的經濟和社會效益。

[1]呂素芬.ZG40CrMnSiMoV鋼作為襯板材料的研究[J].兵器材料科學與工程，1991（9）:7～11.

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A Study of High Strength Wear-Resistant Cast Steel Liner

ZUO ZhengGuo
（Alloy Steel Castings Branch Hangzhou Iron&Steel Works，Hangzhou 310022，Zhejiang China）

A kind of high strength and wear-resistant high B steel castings has been obtained by increasing the B concentration in the carbon steel.The effect of quenching temperature on the microstructure and hardness of high B steel casting liner has been investigated，resulting in that the hardness of high B cast steel increased with the quenching temperature increase.When the quenching temperature reached 1000℃，the matrix of high B cast steel all transformed into lath martensite which has high strength and toughness.After quenching at 1000℃ and tempered at 230～240℃，high B cast steel liner has excellent strength，toughness and wear resistance.High B cast steel liner did not break in use with service life 180%~200%longer than that of high Mn steel liner.Moreover,no valuable alloy elements in high B cast steel liner needed hence low production cost and brief technology.

High boron steel castings；Liner；Mechanics properties；Wear resistance

TG142.72;

A；

1006－9658（2010）02－3

2009－12－14

2009－163

左正國（1968-），男，工程師，主要從事鑄造和合金鋼技術工作