汽車加強襯板—球磨機襯板材料的研究進展

機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，球磨機襯板的磨損占了相當比重。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用作球磨機襯板是不恰當?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。它用作球磨機襯板，旨在通過磨球及磨料對襯板的撞擊來達到其加工硬化的效果。然而，在球磨機的工作過程中，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行直接沖擊，而對襯板則是通過磨球及磨料堆積層進行間接沖擊，這樣，沖擊的強度較小，加工硬化的效果不顯著。實踐證明，在電廠的磨煤機中，奧氏體高錳鋼加工硬化的硬度在HB230~250之間，在選礦廠的磨機中也不會超過HB300，遠遠達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襯板因其不能發(fā)揮高錳鋼的耐磨特性是不恰當?shù)摹?

襯板材料的發(fā)展狀況

鑒于ZGMn13材料在球磨機襯板上應用的不恰當，世界冶鑄工作者從20世紀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的標準鑄造高錳鋼；加入0.9%~1.2%或1.8%~2.1%的Mo生產(chǎn)牌號為E-1、E-2的標準鑄造高錳鋼。

日本在普通高錳鋼中加入1.5%~2.5%的Cr生產(chǎn)牌號為SCMnH11的標準鑄造高錳鋼，加入2.0%~3.0%的Cr和0.4%~0.7%的V生產(chǎn)牌號為SCMnH12的標準鑄造高錳鋼。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對鋼水進行變質(zhì)處理。這種含鉻高錳鋼表層(0.01mm)在球磨機中加工硬化硬度可達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，而后進行950℃正火及600℃回火處理，得到彌散、細小、均勻分布的碳化物。裝機試驗表明，在L1.83m×6.4m水泥磨機中稀土含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)大學研究的含Cr、Mo、Cu并

圖1 沖擊功與耐磨性的關系

圖1 沖擊功與耐磨性的關系

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球磨機上使用，這種材料的襯板壽命達到了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上應用也很成功。

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一步細化的單一奧氏體組織。這種材料的襯板應用于通化鋼廠板石溝鐵礦及通化銅礦球磨機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)場應用表明，使用壽命比普通高錳鋼提高1~2倍。