高强度抗磨铸钢衬板的研究

左正国（杭州钢铁厂合金钢铸造分厂，杭州 310022）

高强度抗磨铸钢衬板的研究

左正国（杭州钢铁厂合金钢铸造分厂，杭州 310022）

在铸钢中加入硼元素，获得了高强度抗磨高硼铸钢。研究了淬火温度对高硼铸钢衬板显微组织和硬度的影响。结果显示，随着淬火温度提高，淬火组织硬度增加，淬火温度1000℃时，基体组织全部转变成了强韧性好的板条马氏体。高硼铸钢衬板经1000℃淬火后，再在230～240℃进行去应力回火处理，具有良好的强韧性和抗磨性，使用中衬板不会断裂，其使用寿命比高锰钢提高180%～200%，且不含贵重合金元素，生产工艺简便。

高硼铸钢；衬板；力学性能；耐磨性

1 前言

随着电力工业的迅速发展，国外已于上世纪60年代末期就基本淘汰了高锰钢衬板在许多球磨机中的应用。我国电力工业出于安全方面考虑，目前球磨机衬板还多为高锰钢材质。但是，高锰钢衬板在使用过程中不能充分加工硬化，残体表面硬度低，耐磨性差，且在使用过程中易发生塑性变形，使得拆卸维修困难[1]。为了适应电力工业发展，提高易磨损件的寿命，国内外一直在研制合金铸铁耐磨衬板，并已经在球磨机上应用，其中应用最广的是高铬铸铁衬板[2]。高铬铸铁的显微组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体，马氏体的硬度较其它基体的硬度高，故其耐磨性能高且冲击性能也较其他抗磨白口铸铁高。高铬铸铁衬板中含有较多脆性碳化物，且基体是高碳马氏体，脆性大[3]，使用中易剥落甚至断裂，影响设备的正常运行。为了提高衬板的耐磨性，国内外还开发了马氏体钢、贝氏体钢和奥－贝钢等衬板材料，因硬度低、淬透性差，使用寿命并未获得明显提高[4-6]。因此，开发高强度抗磨铸钢衬板满足电厂球磨机的安全使用，是一项具有重要意义的工作。最近，我们根据球磨机衬板磨损失效特点，开发成功了一种高强度抗磨高硼铸钢衬板，并成功应用于电厂磨机上，获得了很好的效果。

2 高硼铸钢特点以及高硼铸钢衬板成分设计

2.1 球磨机衬板的工况及磨损机理分析

当球磨机以一定转速转动时，磨球与煤料紧密混合，在离心力和摩擦力的作用被提升，达到平衡态后，以瀑泻状态落下，对底部料堆层产出冲击。在整个工作过程中，磨球、煤料及衬板之间产生相对滑动、滚动与冲击作用，从而使煤料粉碎。衬板处于三体磨损工况，由于衬板与相接触的磨料产生的相对滑动和滚动，造成衬板表面的切削及犁削磨损，使衬板基体组织及硬质相流失，发生磨料磨损，这是衬板磨损的主要失效形式。其次在工作中，衬板受小能量的连续冲击作用，要求其具有一定的韧性。

2.2 高硼铸钢特点

高硼铸钢是一种新的抗磨材料，以廉价的硼为主要合金元素，不含价格昂贵的镍、钼、钨、钒等合金元素，其组织特点是在低碳马氏体基体上镶嵌有硬度高、热稳定性好的硼化物，可以确保高硼铸钢在具有优异强韧性的前提下，还具有高的硬度和优良的耐磨性[7-9]，可以克服目前广泛应用的以碳化物为主要耐磨硬质相的铁基耐磨合金（如高铬铸铁、镍硬铸铁等）脆性大，使用中易断裂和剥落的不足，也可以克服无耐磨硬质相的铁基合金（如高锰钢、低碳合金钢）硬度低，淬透性与耐磨性差的不足，在球磨机衬板上发挥其优异的耐磨性能，延长其使用寿命。

2.3 高硼铸钢衬板成分设计

高硼抗磨铸钢衬板成分见表1。其中碳含量控制在0.35%以下，主要是为了在淬火处理后获得强度高、韧性好的板条马氏体基体。碳含量过高，淬火组织中易出现脆性大的高碳马氏体，降低高硼铸钢的强韧性。硼是高硼铸钢中的主要合金元素，钢中加入硼主要是为了获得一定数量的高硬度硼化物，改善铸钢耐磨性。部分硼溶于基体，可以改善基体的淬透性和淬硬性。硼加入量过少，形成的高硬度硼化物数量少，铸钢耐磨性差；加入量过多，硼化物数量多，且成粗大的连续网状分布，使铸钢的强度和韧性降低，使用安全性下降。因此将硼含量控制在0.8%～1.2%。另外，在高硼铸钢中加入钛和稀土，有利于细化凝固组织，提高高硼铸钢强度。加入适量铬、铜和锰，有利于改善高硼铸钢衬板的淬透性。

表1 高硼铸钢衬板的化学成分（质量分数，%）

3 高硼铸钢衬板的制造

3.1 高硼铸钢衬板的铸造生产

高硼铸钢衬板采用500kg中频感应电炉熔炼，炉料为生铁、废钢、硼铁（含22.3%B）、硅铁（含75.7%Si）、锰铁（含 62.6%Mn）、铬铁（含 60.9%Cr）和钛铁（含29.5%Ti）。待钢液过热至1560～1580℃时，经造渣、扒渣、硅钙合金预脱氧和铝终脱氧后，加入硼铁和钛铁。浇包内加入0.50%稀土硅铁。采用水玻璃砂造型，铸件收缩率1.9%。钢液浇注温度1450～1480℃，浇注时先小流，中间要快，后期慢浇使铸件充分补缩，并点冒口1～2次。

3.2 高硼铸钢衬板的铸态组织和性能

图1是高硼铸钢衬板的铸态显微组织，其中图1（a）是金相照片，图1（b）是扫描电镜照片。铸态基体组织主要是珠光体和铁素体组成，在晶界上连续分布有硼化物。由于基体由珠光体和铁素体组成，硬度低，铸态宏观硬度只有32～35HRC，不能直接使用，高硼铸钢衬板使用前必须进行提高其硬度的淬火处理。

3.3 淬火温度对高硼铸钢衬板的显微组织和性能的影响

淬火温度对高硼铸钢衬板的显微组织和硬度的影响分别见图2和图3。随着淬火温度提高，高硼铸钢基体组织中溶解铬、锰、硼、碳等元素增加，淬透性增加，淬火温度低于1000℃，淬火组织中还残存少量珠光体，淬火后衬板硬度较低。淬火温度为1000℃时，淬火基体组织为单一的板条马氏体，见图2。图4的X射线衍射分析结果也证实，基体组织为单一马氏体组织，硼化物以Fe2B为主，衬板硬度较高。随着淬火温度的继续升高，高温奥氏体中固溶硼量增加，使淬火基体中出现了少量针状马氏体，形成了混合马氏体组织，导致高硼铸钢衬板硬度进一步提高。

3.4 高硼铸钢衬板的工业应用

上述铸造高硼铸钢衬板经1000℃淬火后，在230～240℃进行去应力回火处理，在衬板本体上直接测量硬度，其硬度值大于55 HRC。另外，从衬板本体上加工 ø15mm×130mm 和 15mm×15mm×90mm 试样，分别测量拉伸强度和冲击韧性，三个试样的拉伸强度超过950MPa，平均冲击韧性达到18.2J/cm2。而高铬铸铁衬板的拉伸强度和冲击韧性值分别为750～820MPa和 7.3～9.2J/cm2。目前，高硼铸钢衬板已在火电厂球磨机上进行了装机运行试验，结果显示，衬板强度和硬度高，韧性和耐磨性好，使用中不断裂，使用寿命比高锰钢衬板提高180～200%，且不含贵重合金元素，生产工艺简便，生产成本与高锰钢衬板相当，推广使用可产生显著的经济和社会效益。

4 结论

（1）以硼为主要合金元素，开发了一种含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 的高硼铸钢衬板，具有良好的强韧性和耐磨性。

（2）随着淬火温度提高，高硼铸钢衬板硬度增加，淬火温度为1000℃时，淬火基体组织为单一的板条马氏体。

（3）高硼铸钢衬板硬度大于55HRC，抗拉强度超过900MPa，平均冲击韧性达到18.2J/cm2，在火电厂球磨机上使用安全、可靠，使用中不断裂、不剥落，使用寿命比高锰钢衬板提高180%～200%。

（4）高硼铸钢衬板不含贵重合金元素，生产工艺简便，生产成本与高锰钢衬板相当，推广使用可产生显著的经济和社会效益。

[1]吕素芬.ZG40CrMnSiMoV钢作为衬板材料的研究[J].兵器材料科学与工程，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

左正国（1968-），男，工程师，主要从事铸造和合金钢技术工作