一种低碳中合金湿式球磨机用衬板及其制备方法
【专利摘要】一种矿山湿式球磨机用新型低碳中合金衬板及制备方法，属于金属材料技术领域。其特征是所述衬板按重量百分比的化学成分：C 0.15～0.3％,Si 0.3～0.6％,Mn 1.0～1.5％,Cr 4.0～6.0％,Cu 0.8～1.2％,B 0.001～0.003％,RE(Y)0.1～0.4％,P,S≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。制备步骤采用中频感应电炉冶炼的工艺，熔炼温度为1580～1620℃；出钢温度为1600～1620℃，出钢前在钢包内加入稀土变质剂；浇铸成型的浇铸温度为1550～1570℃，浇铸前铸型在200～400℃之间预热，并在铸型型腔内吹氩气保护；热处理工艺采用完全退火+油淬+低温回火或者是完全退火+正火+低温回火方式，本发明具有较高的硬度和韧性，能够满足湿式球磨机衬板的抗冲击性，生产成本低、使用寿命长。
【专利说明】
一种低碳中合金湿式球磨机用衬板及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板及制备方法，属于金属材料技 术领域。
【背景技术】
[0002] 湿磨衬板一般用于矿山企业，由于在磨机工作时物料伴水混合冲刷，加之矿石成 分复杂，且酸碱度较高，对衬板的腐蚀严重，所以湿磨衬板磨损严重，使用寿命较短。
[0003] 衬板材料经过30多年的发展，经历了高锰钢、普通白口铸钢、镍硬铸铁、高铬白口 铁到改性高锰钢和各种淬火回火工艺的中低合金钢的发展阶段。国内的实际应用中，仍以 高锰钢为主，并未被中合金铸铁、中低合金马氏体钢所取代，这主要是由中低合金钢等本身 质量、稳定性及工艺上存在的问题所决定的。目前的几种主流材质中，高锰钢韧性有余，耐 磨性、耐蚀性均不足;高铬铸铁耐磨，但韧性较差；中低合金钢韧性和耐蚀性较差，因此这些 材质综合的冲击腐蚀磨损性能并不好。
[0004]中国专利CN104498831A公开了 一种湿磨机专用低碳中络合金钢耐磨衬板，其含有 的化学元素按重量百分比(：:0.27~0.29%51:1.5~1.8%]\111:0.8~1.1%0:1.8~2.2% 1〇:0.2~0.5%(：11:0.2~0.5%11:0~0.4%8:28~29%1^:0~0.25%，余量为卩6。该材质硬 度HRC45~48,冲击韧性140~150J · cnf2,但该发明含有大量的B，成本很高。为了适应矿山 严酷的工况，延长衬板使用寿命，提高湿磨机运转效率，研制一种成本低、韧性高、耐蚀性 好、抗冲击性好的新材料迫在眉睫。
【发明内容】
[0005] 为了克服目前湿式球磨机衬板的不足，本发明提供一种高强度、高韧性、耐蚀性耐 磨性较好、生产成本较低、使用寿命长的湿式球磨机用衬板的制备方法与工艺。
[0006] 为实现上述目的采用如下技术方案：衬板化学成分重量百分比为：C 0.15~ 0.3%，Si 0.3~0·6%，Μη 1.0~1.5%，Cr 4.0~6.0%，Cu 0.8~1·2%，Β 0.001 ~ 0.003%，RE(Y)0.1~0.4%，P，S<0.03%，余量为Fe及不可避免杂质。
[0007] -种矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] (1)配料:按合金成分的重量百分比选取优质碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铜、 尚碳络、棚铁、稀土等。
[0009] (2)熔炼:采用5t中频炉。配料后首先检查5t中频炉的电器及水循环系统，保证正 常运转;修补好炉衬，保证炉衬干净无杂物;通过冷炉启动工艺，即炉料在红热后保温lh再 大功率融化，可自动闭合;炉底加碎钢板料，再加增碳剂和纯铁，做到紧密堆放，同时避免对 炉衬造成大的冲击;炉料熔化过程中，要注意勤捣料，利于炉料平稳快速下落熔化，防止搭 桥及封盖的现象发生;炉料熔毕，打渣。温度达1580~1600°C时，取熔毕样进行元素分析，主 要看C、P、S、B，需保证P、S在成分上线以下;补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硅铁、纯 锰、纯铜;合金充分熔化后，温度达到160(TC再次取样分析;然后根据分析结果调节各元素 成分，再加入稀土;化学成分合格，进行出钢，出钢温度1600~1620°C。
[0010] (3)浇铸成型:钢液在钢包内镇静6~8min，然后进行浇注，浇铸温度为1550~1570 °C，浇铸前铸型在200~400°C之间预热，并在铸型型腔内吹氩气保护;浇注时，按照基本浇 注工艺守则进行浇注，遵循先大流，冒口上三分之一后收小流的原则，避免停流，保证平稳 充型浇注。
[0011] (4)热处理：
[0012] I.完全退火+油淬+低温回火:铸锭首先在900~950°C之间保温1~6h进行完全退 火;油淬工艺制度：以80~100 °C/h的加热速度加热至400~500°C，保温0.5~2h，再以150~ 200 °C/h的加热速度加热至900~980 °C，保温1~2h;低温回火:在200~300 °C保温0.5~2h， 空冷至室温。
[0013] Π .完全退火+正火+低温回火:铸锭首先在900~950°C之间保温1~6h进行完全退 火;正火工艺制度：以80~100 °C/h的速度常温加热到400~500°C，保温0.5~2h后，再以150 ~200°C/h的加热速度加热至880~960 °C，保温1~2h后取出空冷至室温;低温回火:在200 ~300°C保温0.5~2h，空冷至室温。
[0014] 优选的，其组分按重量百分比包括：C 0.2~0.25 %，Si 0.4~0.5 %，Mn 1.0~ 1.3%，Cr 4.0~6.0%，Cu 0.9~1·1%，Β 0.001~0.003%，RE(Y)0.3~0.4%，P，S< 0.03%，余莖为Fe及不可避免杂质。
[0015] 优选的，所述步骤(2)中变质剂为Y基重稀土变质剂，变质剂颗粒尺寸小于10mm，经 过160~180°C的温度烘烤后所得。
[0016]优选的，所述步骤(4)中铸锭首先在920~950°C之间保温2~4h进行完全退火。 [0017] 优选的，所述步骤(4)1中以80~90°C/h的加热速度加热至450~500°C，保温1~ 2h，再以180~200°C/h的加热速度加热至920~960°C，保温1~2h后进行油淬，随后在200~ 250°C保温1~2h，空冷至室温。
[0018] 优选的，所述步骤(4)Π 中以80~90°C/h的加热速度加热至450~500°C，保温1~ 2h，再以180~200°C/h的加热速度加热至940~980°C，保温1~2h后进行油淬，随后在200~ 250°C保温1~2h，空冷至室温。
[0019] 铬可提高钢的淬透性，强化基体，也有利于韧性的提高，还能提高钢的耐磨性、耐 蚀性。当铬>4%时，钢中就会出现高硬度M 7C3型共晶碳化物。而铜能强化基体，是非碳化物形 成元素，固溶于铁素体，也可以溶入奥氏体，稳定其性能，使强度和韧性同时上升。加入少量 的铜具有类似于镍的作用，能提高钢的淬透性和基体的电极电位，提高耐腐蚀性能，在金属 矿山弱酸介质工况作业环境下，以铜替换镍，可降低生产成本。在稀土改性方面，调研得知Y 基重稀土的净化变质效果优于Ce基轻稀土。但加入过量可能恶化钢的性能。加入量一般依 据[RE]/[S]的比值和稀土回收率确定。
[0020] 本发明是为了避免现有高锰钢和中低合金钢等衬板用钢冲击磨蚀磨损性能较差、 使用寿命较短的不足，提供一种矿山湿式球磨机用新型低碳中合金衬板及制备方法。该钢 不添加贵重金属镍和钼，仅添加少量的铜和适量的铬，并用Y基重稀土改性，得到具有良好 冲击磨蚀磨损性能低碳中合金衬板，而且成本较低。本发明方法制备的低碳中合金耐蚀衬 板具备性能指标:热处理工艺I:完全退火+油淬+低温回火:的硬度HRC>45,标准V型缺口的 冲击韧性>31 J/cm2;热处理工艺Π :完全退火+正火+低温回火:硬度HRC>45，标准V型缺口 的冲击韧性>35J/cm2〇
【附图说明】
[0021 ]图1为热处理工艺I:完全退火后，油淬+低温回火；
[0022]图2为热处理工艺Π :完全退火后，正火+低温回火；
[0023] 图3为本发明衬板铸件经过940°C_2h完全退火+940°C_1.5h油淬+200°C_lh回火的 金相组织；
[0024] 图4为本发明衬板铸件经过940 °C -2h完全退火+960 °C -lh正火+200 °C -1.5h回火的 金相组织。
【具体实施方式】
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，以下结合附图和具体实施例， 对本发明作进一步说明。
[0026] 本发明的设计依据是：
[0027]碳:含C量是决定钢硬度的主要元素。当碳含量在0.15~0.30%范围内，在钢种其 它元素匹配下，力学性能可达HRC48~55，ak = 50~150J/cm2;当含碳量较低时（〈0.3 % )，其 淬火后的显微组织为板条马氏体+残余奥氏体或者板条马氏体+贝氏体+残余奥氏体；当碳 含量大于0.30%时硬度有所增加，但韧性下降明显。因此本设计选择C: 0.15~0.30%。
[0028] 铬:Cr提高钢的淬透性、固溶强化基体，还能提高钢的耐磨性、耐蚀性。在回火时阻 止或延缓碳化物析出与积聚，使其保持分散，有利于提高强度和硬度，且性能稳定。但Cr含 量过高，易形成柱状晶和枝晶偏析，降低钢的导热性，易在铸造中形成热裂并促使回火脆性 产生;含量过低时，其淬透性不足。考虑生产成本，因为Cr是较贵重的合金元素，因此本设计 选择Cr:4~6%。
[0029] 铜:Cu是固溶强化基的主要元素，能强化铁素体，都能改善钢的耐蚀性。少量的Cu 具有类似于Ni的作用，提高钢的淬透性和基体的电极电位，提高耐腐蚀性能，在金属矿山弱 酸介质工况作业环境下，以Cu替换Ni，可降低生产成本。因此本设计选择Cu: 0.8~1.2%。
[0030] 硅:Si能阻碍回火过程中碳化物晶核的形成和长大，抑制回火脆性，不会在铁素体 前沿析出碳化物，增加了残余奥氏体的稳定性，提高马氏体的回火稳定性。因此本设计选择 Si:0.3 ~0.6%〇
[0031 ]猛:一定的Μη含量可有效提尚奥氏体基体的稳定性，从而提尚材料的初性。但Μη是 过热敏感性元素，加热温度过高会引起晶粒粗大，增加回火脆性和残余奥氏体量。因此本设 计选择Mn: 1.0~1.5 %。
[0032]硼:微量元素 Β可细化晶粒、改善韧性，还可在与Μη配合下获得空冷贝氏体钢。Β是 强烈稳定奥氏体元素，可替代Ni、Cr、Mo等贵金属以显著提高钢的淬透性，当固溶在钢中的Β 含量为0.001~0.003%时提高淬透性最为明显，B作为微量元素加入钢中，能显著提高钢的 淬透性，添加0.001 %的B对提高钢淬透性的效果就相当于添加2%的Ni和0.2%的Mo;含B量 超过0.005%时，韧性降低，所以必须严格控制钢中的含B量。因此本设计选择B: 0.001~ 0.003%〇
[0033]磷、硫:P和S均为有害元素，易产生MnS以及P的共晶，分布在晶界上，降低材料的冲 击韧性(ak);随着P含量的增加，衬板的使用寿命降低，其含量越低越好。因此必须严格控制 S、P含量，因此:P、S〈0.03%。
[0034] 稀土元素:RE可改善铸态结晶组织，细化晶粒，增加钢的致密度，改善夹杂物性质、 形态和分布，降低有害杂质元素在晶界的偏析程度，使钢的韧性得到提高，对钢的耐蚀性也 有一定的影响。变质剂在出钢前1 Omin将已预热的稀土变质剂0.4%钢液重量)加入钢包 底部稀土的加入量一般依据[RE]/[S]的比值和稀土回收率确定，回收率在10%~30%之 间。由经验公式[RE]/[S] = 2.0~2.5,计算出稀土加入量= 0.4%。所以本设计选择0.4%RE (Y基重稀土）。
[0035] 实施例1
[0036] 低碳中合金湿式球磨机用衬板按重量百分比的化学成分:C 0.2%，Si 0.4%，Mn l.l%，Cr 4.5%，Cu 0·9%，Β 0.002%，1^(￥)0.3%，？，5<0.03%，余量为卩6及不可避免杂 质。
[0037] 低碳中合金湿式球磨机用衬板及制备方法，包括以下步骤：
[0038] (1)配料:按合金成分的重量百分比选取优质碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铜、 尚碳络、棚铁、稀土等。
[0039] (2)熔炼:采用5t中频炉。配料后首先检查5t中频炉的电器及水循环系统，保证正 常运转;修补好炉衬，保证炉衬干净无杂物;通过冷炉启动工艺，即炉料在红热后保温lh再 大功率融化，可自动闭合;炉底加碎钢板料，再加增碳剂和纯铁，做到紧密堆放，同时避免对 炉衬造成大的冲击;炉料熔化过程中，要注意勤捣料，利于炉料平稳快速下落熔化，防止搭 桥及封盖的现象发生;炉料熔毕，打渣。温度达1580~1600°C时，取熔毕样进行元素分析，主 要看C、P、S、B，需保证P、S在成分上线以下;补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硅铁、纯 锰、纯铜;合金充分熔化后，温度达到160(TC再次取样分析;然后根据分析结果调节各元素 成分，再加入稀土;化学成分合格，进行出钢，出钢温度1600~1620°C。
[0040] (3)浇铸成型:钢液在钢包内镇静6~8min，然后进行浇注，浇铸温度为1550~1570 °C，浇铸前铸型在200~400°C之间预热，并在铸型型腔内吹氩气保护;浇注时，按照基本浇 注工艺守则进行浇注，遵循先大流，冒口上三分之一后收小流的原则，避免停流，保证平稳 充型浇注。
[0041] (4)热处理：
[0042] 完全退火+油淬+低温回火:铸锭首先在940°C之间保温2h进行完全退火；油淬工艺 制度：以80°C/h的加热速度加热至450°C，保温2h，再以200°C/h的加热速度加热至940°C，保 温1.5h;低温回火:在200 °C保温1 h，空冷至室温。
[0043] 实施例2
[0044] 设计成分及配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1。
[0045] 热处理工艺如下:完全退火+正火+低温回火:铸锭首先在940°C之间保温2h进行完 全退火;正火工艺制度：以80°C/h的速度常温加热到450°C，保温2h后，再以200°C/h的加热 速度加热至960°C，保温lh后取出空冷至室温;低温回火:在200°C保温1.5h，空冷至室温。
[0046] 实施例3
[0047] 设计成分其组分按重量百分比包括:C 0.25%，Si 0.5%，Mn 1.3%，Cr 5.5%，Cu 1·1%，Β 0.002%，RE(Y)0.4%，P，S< 0.03%，余量为Fe及不可避免杂质。
[0048]配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1。
[0049] 热处理工艺为完全退火+油淬+低温回火:铸锭首先在940°C之间保温2h进行完全 退火；油淬工艺制度：以80°C/h的加热速度加热至450°C，保温2h，再以200°C/h的加热速度 加热至940 °C，保温1.5h;低温回火:在200 °C保温1 h，空冷至室温。
[0050] 实施例4
[0051] 设计成分同实施例3,配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1。
[0052] 热处理工艺为完全退火+正火+低温回火:铸锭首先在940°C之间保温2h进行完全 退火;正火工艺制度：以80°C/h的速度常温加热到450°C，保温2h后，再以200°C/h的加热速 度加热至960°C，保温lh后取出空冷至室温;低温回火:在200°C保温1.5h，空冷至室温。
【主权项】
1. 一种矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板，其特征在于:所述衬板钢的组织为板条马 氏体及少量残余奥氏体，按重量百分比的合金成分为： 余量为Fe及不可避免杂质。2. 根据权利要求1所述矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征是所有 合金成分经过配料、熔炼、浇铸成型以及热处理，具体步骤是： (1) 配料:按合金成分的重量百分比选取优质碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铜、高碳 铬、硼铁、稀土； (2) 熔炼:采用5t中频炉，配料后首先检查5t中频炉的电器及水循环系统，保证正常运 转;修补好炉衬，保证炉衬干净无杂物;通过冷炉启动工艺，即炉料在红热后保温lh再大功 率融化，可自动闭合;炉底加碎钢板料，再加增碳剂和纯铁，做到紧密堆放，同时避免对炉衬 造成大的冲击;炉料熔化过程中，要注意勤捣料，利于炉料平稳快速下落熔化，防止搭桥及 封盖的现象发生;炉料熔毕，打渣;温度达1580~1600°C时，取熔毕样进行元素分析，主要看 C、P、S、B，需保证P、S在成分上限以下;补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硅铁、纯锰、纯 铜;合金充分熔化后，温度达到160(TC再次取样分析;然后根据分析结果调节各元素成分， 再加入稀土变质剂;化学成分合格，进行出钢，出钢温度1600~1620Γ; (3) 浇铸成型：钢液在钢包内镇静6~8min，然后进行浇注，浇铸温度为1550~1570°C， 浇铸前铸型在200~400 °C之间预热，并在铸型型腔内吹氩气保护;浇注时，按照基本浇注工 艺守则进行浇注，遵循先大流，冒口上三分之一后收小流的原则，避免停流，保证平稳充型 浇注； (4) 热处理，热处理制度分两种： I.完全退火+油淬+低温回火:铸锭首先在900~950°C之间保温1~6h进行完全退火;然 后油淬、低温回火； Π .完全退火+正火+低温回火:铸锭首先在900~950°C之间保温1~6h进行完全退火； 然后正火、低温回火。3. 根据权利要求2所述的矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于： 所述步骤(2)中稀土变质剂为Y基重稀土变质剂，变质剂颗粒尺寸小于11mm，经过150~180 °C的温度烘烤后所得。4. 根据权利要求2所述的矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于： 所述出钢温度的1600~1620 °C，浇注温度为1550~1570 °C。5. 根据权利要求2所述的矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于： 所述步骤(4)热处理第I步的油淬制度是：以80~100 °C/h的加热速度加热至400~500 °C，保 温0.5~2h，再以150~200°C/h的加热速度加热至900~980°C，保温1~2h;低温回火是:在 200°C~300°C保温0 · 5~2h，空冷至室温。6. 根据权利要求2所述的矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于： 所述步骤(4)热处理第Π 步的正火制度是：以80~100 °C /h的速度加热到400~500 °C，保温 0.5~2h后，再以150~200°C/h的加热速度加热至880~960°C，保温1~2h后取出空冷至室 温;低温回火是:在200~300°C保温0.5~2h，空冷至室温。
【文档编号】C22C38/32GK105821312SQ201610170138
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】宋仁伯, 谭志东, 彭世广, 蔡长宏, 冯帆, 冯一帆
【申请人】北京科技大学