汽車加強(qiáng)襯板—球磨機(jī)襯板材料的研究進(jìn)展

機(jī)械磨損涉及的方面很多，其中磨料磨損占全部工業(yè)磨損的50%以上。德國、英國等******每年因磨料磨損而造成的損失達(dá)數(shù)十億美元，澳大利亞的礦產(chǎn)業(yè)每年因磨料磨損的損失占礦產(chǎn)品銷售額的2%。而磨料磨損中，球磨機(jī)襯板的磨損占了相當(dāng)比重。解決途徑有兩個方面：一是從材料方面來提高材料的耐磨性；二是從工藝方面來改善磨損的環(huán)境。研究主要從材料方面來闡述。 

傳統(tǒng)材料ZGMn13用作球磨機(jī)襯板是不恰當(dāng)?shù)?

ZGMn13屬高錳鋼，是由英國人Hadfild于1882年發(fā)明的，它是在鋼中加入13%左右的Mn元素，利用Mn元素使鋼S曲線的“鼻尖”右移及Ms、Mf線下移的特性，通過1000~1050℃長時間保溫后強(qiáng)制冷卻而獲得的全奧氏體組織，這種全奧氏體組織具有加工硬化的性能。它用作球磨機(jī)襯板，旨在通過磨球及磨料對襯板的撞擊來達(dá)到其加工硬化的效果。然而，在球磨機(jī)的工作過程中，磨球及磨料隨著筒體的轉(zhuǎn)動而被帶到高處后呈瀑布狀拋下。從高處瀉落的磨球和磨料只對料堆根部的磨球及磨料進(jìn)行直接沖擊，而對襯板則是通過磨球及磨料堆積層進(jìn)行間接沖擊，這樣，沖擊的強(qiáng)度較小，加工硬化的效果不顯著。實(shí)踐證明，在電廠的磨煤機(jī)中，奧氏體高錳鋼加工硬化的硬度在HB230~250之間，在選礦廠的磨機(jī)中也不會超過HB300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高錳鋼的加工硬化極限HB500的水平。所以，用高錳鋼來制造球磨機(jī)襯板因其不能發(fā)揮高錳鋼的耐磨特性是不恰當(dāng)?shù)摹?

襯板材料的發(fā)展?fàn)顩r

鑒于ZGMn13材料在球磨機(jī)襯板上應(yīng)用的不恰當(dāng)，世界冶鑄工作者從20世紀(jì)60年代開始研究新型的襯板材料，取得了很多成果。

（1）ZGMn13的新發(fā)展

研究者們通過向ZGMn13中加入Cr、Mo、V等元素，形成穩(wěn)定的彌散分布的粒狀、島狀高硬合金碳化物(FeCr)3C、VC等，阻礙水韌處理時奧氏體晶粒長大，得到彌散分布著碳化物硬質(zhì)點(diǎn)的奧氏體組織，從而提高了材料的加工硬化能力和硬化效果。

美國在普通高錳鋼中加入1.5%~2.5%的Cr生產(chǎn)牌號為C的標(biāo)準(zhǔn)鑄造高錳鋼；加入0.9%~1.2%或1.8%~2.1%的Mo生產(chǎn)牌號為E-1、E-2的標(biāo)準(zhǔn)鑄造高錳鋼。

日本在普通高錳鋼中加入1.5%~2.5%的Cr生產(chǎn)牌號為SCMnH11的標(biāo)準(zhǔn)鑄造高錳鋼，加入2.0%~3.0%的Cr和0.4%~0.7%的V生產(chǎn)牌號為SCMnH12的標(biāo)準(zhǔn)鑄造高錳鋼。內(nèi)蒙古鑄鍛廠鑄造研究所研制出含1.5%~2.5%Cr的含鉻高錳鋼，并用RE對鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理。這種含鉻高錳鋼表層(0.01mm)在球磨機(jī)中加工硬化硬度可達(dá)HB390，是普通高錳鋼的1.5倍，其工作壽命是普通高錳鋼的1.5~2倍。

（2）合金白口鐵

①15Cr-3Mo白口鐵及其發(fā)展。高錳鋼襯板替代材料更具代表性的就是含15%Cr+3%Mo的馬氏體白口鐵。這種材料是在馬氏體基體中分布著不連續(xù)的共晶鐵鉻碳化物(Cr，F(xiàn)e)7C3和富鉻的二次碳化物，碳化物的體積約占總體積的40%~50%。這些鉻的碳化物有著很高的硬度，均在HV1200~1800以上，足以抵抗一般磨料的磨損，然而，馬氏體基體的硬度在HRC50上下，軟于某些磨料的硬度，將被磨損，其上的碳化物可能被挖下來，因此，碳化物突出的抗磨性只有部分被利用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在改善15Cr-3Mo高鉻白口鐵性能方面也作了大量的工作，他們采用K、Na、Mg、Ca的鹽類和合金對15Cr-3Mo鑄鐵進(jìn)行噴射變質(zhì)處理，消除了碳化物的原網(wǎng)狀分布狀態(tài)，使之呈蠕蟲狀或團(tuán)塊狀分布，而且碳化物尺寸有所減少，這樣就大大提高了材料的韌性和抗磨性。研究指出，經(jīng)不同變質(zhì)元素處理的15Cr-3Mo高鉻白口鐵的磨損量都較未變質(zhì)的低，其中以鉀變質(zhì)的15Cr-3Mo高鉻白口鐵，其平均磨損量比未變質(zhì)處理的低63.2%，而更佳方案的磨損量比未變質(zhì)處理的低74.4%。

②含Cu合金白口鐵。山東新汶工具廠研制成功的這種合金白口鐵，通過爐前加入1.0%Cu和0.9%的稀土硅鐵合金變質(zhì)和孕育，而后進(jìn)行950℃正火及600℃回火處理，得到彌散、細(xì)小、均勻分布的碳化物。裝機(jī)試驗(yàn)表明，在L1.83m×6.4m水泥磨機(jī)中稀土含Cu合金白口鐵襯板與高錳鋼襯板的相對耐磨性是2.4。

（3）中低合金鋼

盡管采用加入某些合金元素的高錳鋼或合金白口鐵球磨機(jī)襯板比普通高錳鋼襯板的抗磨性有很大提高，但是，這些材料因含有大量的Cr、Ni、Mo等貴重金屬而使成本增加，并且在生產(chǎn)和使用過程中容易產(chǎn)生裂紋，甚至破碎?；谶@些原因，我國冶鑄工作者從我國的國情出發(fā)，開始了用中低合金鋼來制作球磨機(jī)襯板的研究，并取得了可喜的成果。

①Cr、Mo、Cu中碳低合金耐磨鋼。由沈陽工業(yè)大學(xué)研究的含Cr、Mo、Cu并

圖1 沖擊功與耐磨性的關(guān)系

圖1 沖擊功與耐磨性的關(guān)系

輔以RE處理的中碳低合金耐磨鋼，經(jīng)950℃空淬和250℃回火后，硬度達(dá)到HRC50以上，沖擊值為25~60J/cm2。其基體為回火馬氏體，經(jīng)掃描電鏡觀察為一束束板狀馬氏體組織。在透射高倍觀察下，可清楚地看到其組織為位錯馬氏體與少量孿晶馬氏體的混合物，且在馬氏體板條間有不連續(xù)薄膜狀殘余奧氏體分布，這種形狀和分布的奧氏體改善了鋼的沖擊韌性和相對耐磨性。這種鋼在不同沖擊功下的耐磨性與高錳鋼形成了鮮明的對比，如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著沖擊功的增加，高錳鋼的耐沖擊磨損性能明顯提高，而新研究的Cr、Mo、Cu鋼的耐磨性能卻是下降。但在對比試驗(yàn)選取的各沖擊功條件下，新鋼種的耐磨性均高于高錳鋼。經(jīng)河北遷安縣鐵礦在L1.83m×3m球磨機(jī)上使用，這種材料的襯板壽命達(dá)到了10~12個月，而ZGMn13襯板的壽命僅為3~5個月。

②Cr-Mo-V-Ti中碳多元合金鋼。合肥水泥研究設(shè)計院研究的含Cr、Mo及微量V、Ti、Nb的中碳多元合金鋼，用RE處理及一定的熱處理后得到彌散分布著碳化物硬質(zhì)相的回火馬氏體+少量下貝氏體基體。試驗(yàn)表明，這種組織的襯板硬度高，抗磨料磨損性好，且有較高的沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度，壽命是普通高錳鋼的3倍以上。在淮海水泥

　　廠L4.2m×12m、昆明水泥廠L3.5m×11m、四川渡口水泥廠L2.2m×13m等磨機(jī)上使用，一倉平均磨損率為3.16g/t，二倉平均磨損率為1.53g/t；而高錳鋼襯板的平均磨損率為13g/t水泥。

③高碳中鉻合金鋼。由合肥水泥研究設(shè)計院研究的另一種含4.5%~5.5%Cr、0.3%~0.7%Mo，并用RE孕育處理的高碳中鉻合金鋼襯板在水泥球磨機(jī)上應(yīng)用也很成功。

④Cr-Ti中錳鋼。生產(chǎn)的含Mn5.5%~8.0%，Cr1.5%~2.0%，Ti0.05

表1 RE中錳鋼與高錳鋼加工硬化前后硬度對比

表1 RE中錳鋼與高錳鋼加工硬化前后硬度對比

%~0.1%并用0.02%~0.05%RE處理的中錳鋼，通過1100±30℃的水淬處理，獲得了晶粒比普通高錳鋼進(jìn)一步細(xì)化的單一奧氏體組織。這種材料的襯板應(yīng)用于通化鋼廠板石溝鐵礦及通化銅礦球磨機(jī)上取得了較好的效果，在粉磨磁鐵礦時其相對耐磨性是高錳鋼的1.64倍；在粉磨銅礦石時其相對耐磨性是高錳鋼的1.48倍。這種材料耐磨性提高的主要原因在于它在球磨機(jī)中比普通高錳鋼有更好的加工硬化性能，見表1。

⑤Cr-Mo多相低合金鋼。研究的含3%Cr及0.4%Mo的多相低合金耐磨鋼襯板，經(jīng)等淬熱處理得到貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體組織。該材料具有高韌性，高硬度，從而具有良好抗沖擊、抗疲勞、抗變形、抗磨損等特性。這種襯板經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，使用壽命比普通高錳鋼提高1~2倍。