半自磨機(jī)襯板材料組織和性能研究

劉東海,付曉虎,張洪生

(1. 中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部,齊齊哈爾 黑龍江 161000;2.天津重型裝備工程研究有限公司,天津 300457)

21世紀(jì)開始,半自磨球磨流程成為我國應(yīng)用廣泛的高效磨礦工藝流程,半自磨機(jī)作為核心設(shè)備不僅具有沖擊破碎和研磨的特點(diǎn),還能有效處理各種不同硬度的礦物,且其規(guī)格及處理能力也日益增大,最大的半自磨機(jī)直徑在12 m以上。采用半自磨機(jī)搭配球磨機(jī)的方式進(jìn)行礦石粉碎,礦石破碎效率大幅度提升。大型半自磨機(jī)襯板既要有較好的耐磨性也要有一定的韌性,以避免在磨礦過程中發(fā)生襯板斷裂。在礦石破碎的過程中,半自磨機(jī)襯板更換最為頻繁,且每次更換時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)產(chǎn)量造成了制約。這種大型磨機(jī)的作業(yè)率往往會(huì)在很大程度上影響到整個(gè)礦山的運(yùn)行成本,因此應(yīng)盡量減少磨機(jī)的停機(jī)時(shí)間[1]。

半自磨機(jī)襯板多采用ZG70Cr3Mo材質(zhì),但該材質(zhì)的淬透性相對(duì)較差,在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中,可以根據(jù)鋼的淬透性,選擇最佳的鋼種,以確定最適當(dāng)?shù)慕孛娉叽鏪2-4]。鋼的淬透性已經(jīng)成為冶金、機(jī)械及熱處理中鋼種選擇、成分設(shè)計(jì)和工藝制定的主要依據(jù)之一[5-6],因此在產(chǎn)品制造過程中要同時(shí)兼顧成分設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)兩部分,以達(dá)到襯板的最佳使用效果。

1 材質(zhì)選擇

對(duì)于襯板使用廠家來說,其主要關(guān)心的是襯板的磨礦量和使用周期,對(duì)于材料的化學(xué)成分并不在意,因此每個(gè)制造廠家均根據(jù)自己對(duì)材料的理解進(jìn)行材質(zhì)的選擇和與之配套的工藝設(shè)計(jì)。目前,鑄造耐磨材料主要分為奧氏體錳鋼、耐磨合金鋼(非錳系)、抗磨白口鑄鐵、抗磨球墨鑄鐵以及耐磨損復(fù)合材料5大類[7]。冶金礦山設(shè)備大型自磨機(jī)、半自磨機(jī)以及球磨機(jī)襯板等大量選用非錳系耐磨合金鋼。主流的半自磨機(jī)襯板采用ZG70Cr3Mo或相近材質(zhì)的低合金珠光體鋼,其表面硬度為300～400 HB,可經(jīng)得起反復(fù)沖擊,尺寸穩(wěn)定性好,不易變形,拆卸方便[8]。70Cr3Mo作為鍛鋼支承輥用材料,已經(jīng)有近三十年的的產(chǎn)品制造經(jīng)驗(yàn),具有較好耐磨性、抗疲勞性,但其淬透性相對(duì)較差。在作為支承輥材料使用時(shí),僅對(duì)表層50～100 mm進(jìn)行淬透,由表面至心部的組織會(huì)逐漸由混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。由于材料特性問題,制造廠家難以將70Cr3Mo材質(zhì)的組織有效轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,因此采用珠光體為基體的此類材料進(jìn)行襯板制造,難以發(fā)揮出材料的最優(yōu)性能。鑒于此情況,本文擬開發(fā)一種新型的材料,在合理的工藝下,以達(dá)到硬度更高、硬度降更低、沖擊韌性更好,延長(zhǎng)半自磨機(jī)耐磨襯板的使用周期。襯板材料的成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 襯板材料化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2 試驗(yàn)方法

采用真空感應(yīng)爐冶煉ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb鋼錠,并在鋼錠的錠身中部取樣進(jìn)行成分檢驗(yàn)。成分檢驗(yàn)合格后,將鋼錠進(jìn)行650 ℃退火,并加工成金相、硬度和沖擊試樣,如圖1所示。

圖1 鋼錠解剖圖

根據(jù)不同的正火、回火工藝在SXF-15-10B模擬程控爐中進(jìn)行熱處理模擬試驗(yàn),并加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊和硬度試樣,采用CBD 500電子式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),采用660 RLD/T洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 退火態(tài)

由于材料硬度較高,在鑄態(tài)下難以加工,需進(jìn)行650 ℃×10 h退火處理。退火態(tài)試樣的金相組織如圖2和圖3所示,退火后試樣的硬度,見表2。

表2 退火后試樣硬度

圖2 退火態(tài)ZG70Cr3Mo試樣的金相組織

由圖2和圖3可知,ZG70Cr3Mo試樣和ZG35CrSiMnMoNb試樣的組織分別為珠光體+碳化物和貝氏體回火組織+少量碳化物,ZG35CrSiMnMoNb材料的淬透性明顯優(yōu)于ZG70Cr3Mo。兩種材料在鑄態(tài)下均在晶界處存在條形的碳化物,此類碳化物對(duì)基體存在割裂作用,且在凝固過程中存在偏析(見圖3(a)),因此需要重新奧氏體化,溶解晶界處碳化物并消除偏析。

3.2 熱處理模擬試驗(yàn)

對(duì)ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料進(jìn)行熱處理模擬試驗(yàn),ZG70Cr3Mo襯板通常采用950 ℃×2 h正火、回火,鼓風(fēng)方式冷卻。通過軟件模擬計(jì)算400 mm截面襯板近表面、1/4壁厚位置和1/2壁厚位置的冷速,在實(shí)驗(yàn)室條件下通過對(duì)不同冷速的控制,分析實(shí)際襯板不同壁厚位置的組織和性能。對(duì)ZG35CrSiMnMoNb材料采用910 ℃×2 h正火、回火,油冷,通過軟件模擬計(jì)算近表面、1/4壁厚位置和1/2壁厚位置的冷速。熱處理模擬試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

表3 ZG70Cr3Mo材料熱處理模擬檢驗(yàn)結(jié)果

表4 ZG35CrSiMnMoNb材料熱處理模擬檢驗(yàn)結(jié)果

由表3和表4可知,隨著回火溫度升高,在相同的冷速下, ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料的硬度無明顯的變化;但相同回火溫度下,ZG70Cr3Mo材料的硬度明顯低于ZG35CrSiMnMoNb材料。隨著模擬壁厚深度的增加,兩種材料均出現(xiàn)明顯的硬度降, ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料的最大硬度降分別為11和5 HRC。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)V口沖擊試樣的沖擊韌性,發(fā)現(xiàn)ZG35CrSiMnMoNb材料的沖擊韌性更佳。

圖4為 ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料在不同壁厚處的金相組織。ZG70Cr3Mo材料模擬熱處理后,近表層組織為珠光體+貝氏體回火組織+少量回火馬氏體+少量碳化物,1/4壁厚及1/2壁厚位置的組織均為珠光體+少量碳化物,見圖4(a)、4(c)和4(e)。ZG35CrSiMnMoNb材料模擬熱處理后,近表層、1/4壁厚及1/2壁厚位置的組織均為回火馬氏體+少量碳化物,見圖4(b)、4(d)和4(f)。

(a)近表面,ZG70Cr3Mo;(b)近表面,ZG35CrSiMnMoNb;(c)1/4壁厚位置,ZG70Cr3Mo;(d)1/4壁厚位置,ZG35CrSiMnMoNb;(e)1/2壁厚位置,ZG70Cr3Mo;(f) 1/2壁厚位置,ZG35CrSiMnMoNb

4 結(jié)論

1)ZG35CrSiMnMoNb材料較ZG70Cr3M材料具有更好的淬透性;

2)熱處理后ZG35CrSiMnMoNb材料較ZG70Cr3M材料具有著更優(yōu)異的沖擊韌性;

3)采用ZG70Cr3Mo材質(zhì)生產(chǎn)的襯板,表面到心部呈現(xiàn)明顯的組織變化,襯板心部硬度出現(xiàn)明顯降低,從而導(dǎo)致耐磨性大幅下降,這是造成半自磨機(jī)耐磨襯板頻繁更換的主要原因;

4)ZG70Cr3Mo材料與ZG35CrSiMnMoNb材料的沖擊韌性相當(dāng),但ZG35CrSiMnMoNb材料的硬度更高、硬度降更低。因此,ZG35CrSiMnMoNb材料可作為ZG70Cr3Mo的改進(jìn)材料在半自磨機(jī)耐磨襯板上進(jìn)行試用。