CN110358980A - 一种超高锰铸钢衬板及其制备方法 - Google Patents

一种超高锰铸钢衬板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 18.25‑28.57％、C 1.34‑1.55％、Cr 3.68‑5.20％、Mo 1.03‑1.34％，Si 0.10‑0.53％、S 0.01‑0.08％、P 0.01‑0.05％、W 0.24‑0.38％、V 0.15‑0.21％、其余为铁Fe及不可避免的杂质，制备方法包括熔炼、浇铸、正火、淬火和回火，正火温度为910℃，淬火温度为1050℃，回火温度为350‑450℃，本发明超高锰铸钢衬板，通过调节合金中Mn、C、Cr等成分的含量，并添加W、V元素，改变的高锰钢的性能，同时对铸钢衬板铸造时淬火和回火条件的设定，使获得超高锰铸钢衬板具有高硬度、高韧性的特点。

Description

一种超高锰铸钢衬板及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料生产技术领域，具体涉及一种超高锰铸钢衬板及其制备方法。
背景技术
球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。这种类型磨矿机是在其筒体内装入一定数量的钢球作为研磨介质。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。衬板是球磨机用来保护筒体，使筒体免受研磨体和物料直接冲击和磨擦，同时也可利用不同形式的衬板来调整研磨体的运动状态，以增强研磨体对物料的粉碎作用，有助于提高磨机的粉磨效率，增加产量，降低金属消耗。衬板荣誉磨损，是更换数量及消耗量最大的备件，在容易损坏的攻坚耗费中，其耗费量达60％。根据不同的工况需求，衬板可采用不同的材质制造，大部分矿山、选矿厂的研磨机械普遍采用高锰钢(ZGMn13)作为耐磨衬板材料。
高锰钢是指含锰量在10％以上的合金钢。高锰钢依其用途的不同可分为耐磨钢和无磁钢两大类，其中耐磨钢用量较多，常用来制作挖掘机的铲齿、圆锥式破碎机的轧面壁和破碎壁、颚式破碎机岔板、球磨机衬板、铁路辙岔、板锤、锤头等。高锰钢的铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体所组成，有时还含有少量的磷共晶。碳化物数量多时，常在晶界上呈网状出现。因此铸态组织的高锰钢很脆，无法使用，通常使用的热处理方法是固溶处理，即将钢加热到1050-1100℃，保温消除铸态组织，得到单相奥氏体组织，然后水淬，使此种组织保持到常温。热处理后钢的强度、塑性和韧性均大幅度提高。中国常用的高锰钢的牌号及其适用范围是：ZGMn13-1(C1.10-1.50)用于低冲击件，ZGMn13-2(C1.00-1.40％)用于普通件，ZGMn13-3(C0.90-1.30％)用于复杂件，ZGMn13-4(C0.90-1.20％)用于高冲击件。以上4种牌号钢的锰含量均为11.0-14.0％。
由于现代工业的迅速发展，普通高锰钢不管是在生产技术上还是性能使用上都越来越难满足现在工业发展对设备的要求，在生产过程中因磨料磨损而造成大量的零部件报废已经严重影响到了生产和经济效益，如何改善高锰钢使其具有良好的耐磨性和耐冲击性，可达到大型设备的抗磨性，能够在强冲击、高应力的工作条件下使用，是亟需解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供了一种超高锰铸钢衬板及其制备方法，加入多种合金元素及稀土元素，阻碍奥氏晶体长大，细化晶粒尺寸，使其处于应力状态时增加位错密度，提高加工切削性能。
为实现上述目的，本发明通过以下方案予以实现：
本发明提供了一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn18.25-28.57％、C 1.34-1.55％、Cr 3.68-5.20％、Mo 1.03-1.34％、Si 0.10-0.53％、S0.01-0.08％、P 0.01-0.05％、W 0.24-0.38％、 V 0.15-0.21％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
优选地，一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 26％、C1.45％、Cr4.18％、Mo 1.23％、Si 0.33％、S 0.05％、P 0.02％、W 0.31％、V 0.18％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
本发明还提供了一种超高锰铸钢衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
A、熔炼：将废钢、生铁加入中频感应炉内熔炼，待钢液熔清后加入符合上述超高锰钢的化学成分的质量分数要求的锰铁、铬铁、钼铁、钨铁和硅铁，完全熔化后向铸钢水表面覆盖造渣材料，将温度升高至 1580-1630℃，炉内铸钢液达到要求温度后停电镇静，使铸钢液均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣材料结合，除渣，再加入铝块脱氧，在浇注包的底部预先加入占钢液质量为1.00-1.20％的稀土和 0.35-0.45％的钒铁，将浇包烘烤到400℃以上，采用包内冲入法对钢液进行复合变质处理制得钢液；
B、浇铸：当步骤A中制备的钢液温度降至1350-1550℃时，采用 V法铸造，将钢液浇注到型模中并保温1-2h，清砂打磨衬板铸件；
C、正火：在热处理炉温度为400℃的状态下，将步骤B中制备的衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1-1.5h，继续升温，当温度升至900-950℃时，保温2-4h后，出炉风冷衬板铸件至室温；
D、淬火：在热处理炉温度为400℃的状态下，再次将衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1-1.5h，继续升温，当温度升至900-1100℃时，保温2-4h后，再把衬板铸件淬入淬火液中并冷却至室温；
E、回火：将衬板铸件放入回火炉保温4-6h即可。
优选地，淬火液为聚乙烯醇(PVA)、聚亚烷基乙二醇(PAG)、聚氧乙烯乙二醇(GLY)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的水基淬火液中的一种，淬火液的质量浓度为0.2％-0.5％。
优选地，回火温度为350-450℃。
优选地，所述正火温度为910℃，淬火温度为1050℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明超高锰铸钢衬板进一步提高了高锰钢中Mn的含量，同时添加了W和V元素，可以强化碳化物形成，钨的碳化物具有高的硬度、耐磨性和难熔性，微量的W、V可以细化晶粒，起到细晶强化作用，得到的衬板硬度高，抗拉强度、屈服强度明显提升；
2、本发明超高锰铸钢衬板浇注完成后先加热至900-950℃，保温 2-4h后，使之完全奥氏体化，出炉风冷衬板铸件至室温，细化钢的组织，使其强度增加，然后在950-1100℃温度水韧处理，获得马氏体或贝氏体组织，最后在350-450℃保温4-6h进行回火，使淬火或正火后得到的不稳定组织转变为稳定组织，消除淬火或正火应力以及提高铸钢的塑性和韧性，衬板的机体组织为完全奥氏体组织，超高锰铸钢衬板硬度增加，拉伸性能较普通衬板明显提高，抗冲击性能明显提高。
综上诉述，本发明超高锰铸钢衬板，通过调节合金中Mn、C、Cr 等成分的含量，并添加W、V元素，改变的高锰钢的性能，同时对铸钢衬板铸造时淬火和回火条件的设定，使获得超高锰铸钢衬板具有高硬度、高韧性的特点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 26％、C 1.45％、Cr4.18％、Mo 1.23％、Si 0.33％、S 0.05％、P 0.02％、 W 0.31％、V 0.18％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
超高锰铸钢衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
A、熔炼：将废钢、生铁加入中频感应炉内熔炼，待钢液熔清后加入符合上述超高锰钢的化学成分的质量分数要求的锰铁、铬铁、钼铁、钨铁和硅铁，完全融化后向铸钢水表面覆盖造渣材料，将温度升高至 1600℃，炉内铸钢液达到要求温度后停电镇静，使铸钢液均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣材料结合，除渣，加入铝块脱氧，在浇注包的底部预先加入占钢液质量为1.00％的稀土和0.35％的钒铁，将浇包烘烤到400℃以上，采用包内冲入法对钢液进行复合变质处理制得钢液；
B、浇铸：当步骤A中制备的钢液温度降至1350℃时，采用V法铸造，将钢液浇注到型模中并保温2h，清砂打磨衬板铸件；
C、正火：在热处理炉温度为400℃的状态下，将步骤B中制备的衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1.5h，继续升温，当温度升至950℃时，保温4h后，出炉风冷衬板铸件至室温；
D、淬火：在热处理炉温度为400℃的状态下，再次将衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1.5h，继续升温，当温度升至1080℃时，保温4h后，再把衬板铸件淬入淬火液中并冷却至室温，淬火液为0.5％聚乙烯醇(PVA)水基淬火液；
E、回火：将衬板铸件放入回火炉保温6h即可，回火温度为400℃。
实施例2：
一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 18.25％、C 1.34％、Cr 3.68％、Mo 1.03％、Si 0.1％、S 0.01％、P 0.01％、 W 0.24％、V 0.15％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
超高锰铸钢衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
A、将废钢、生铁加入中频感应炉内熔炼，待钢液熔清后加入符合上述超高锰钢的化学成分的质量分数要求的锰铁、铬铁、钼铁、钨铁和硅铁，完全融化后向铸钢水表面覆盖造渣材料，将温度升高至 1580℃，炉内铸钢液达到要求温度后停电镇静，使铸钢液均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣材料结合，除渣，加入铝块脱氧，在浇注包的底部预先加入占钢液质量为1.00％的稀土和0.35％的钒铁，将浇包烘烤到400℃以上，采用包内冲入法对钢液进行复合变质处理制得钢液；
B、浇铸：当步骤A中制备的钢液温度降至1350℃时，采用V法铸造，将钢液浇注到型模中并保温1h，清砂打磨衬板铸件；
C、正火：在热处理炉温度为400℃的状态下，将步骤B中制备的衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1h，继续升温，当温度升至900℃时，保温2h后，出炉风冷衬板铸件至室温；
D、淬火：在热处理炉温度为400℃的状态下，再次将衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1h，继续升温，当温度升至900℃时，保温2h后，再把衬板铸件淬入淬火液中并冷却至室温，淬火液为0.2％聚乙烯醇(PVA)水基淬火液；
E、回火：将衬板铸件放入回火炉保温4h即可，回火温度为350℃。
实施例3：
一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分： Mn28.57％、C 1.55％、Cr 5.20％、Mo 1.34％、Si 0.53％、S 0.08％、P 0.05％、 W 0.38％、V 0.24％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
超高锰铸钢衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
A、将废钢、生铁加入中频感应炉内熔炼，待钢液熔清后加入符合上述超高锰钢的化学成分的质量分数要求的锰铁、铬铁、钼铁、钨铁和硅铁，完全融化后向铸钢水表面覆盖造渣材料，将温度升高至 1630℃，炉内铸钢液达到要求温度后停电镇静，使铸钢液均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣材料结合，除渣，加入铝块脱氧，在浇注包的底部预先加入占钢液质量为1.20％的稀土和0.45％的钒铁，将浇包烘烤到400℃以上，采用包内冲入法对钢液进行复合变质处理制得钢液；
B、浇铸：当步骤A中制备的钢液温度降至1550℃时，采用V法铸造，将钢液浇注到型模中并保温2h，清砂打磨衬板铸件；
C、正火：在热处理炉温度为400℃的状态下，将步骤B中制备的衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1.5h，继续升温，当温度升至950℃时，保温4h后，出炉风冷衬板铸件至室温；
D、淬火：在热处理炉温度为400℃的状态下，再次将衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1.5h，继续升温，当温度升至1100℃时，保温4h后，再把衬板铸件淬入淬火液中并冷却至室温，淬火液为0.5％聚乙烯醇(PVA)水基淬火液；
E、回火：将衬板铸件放入回火炉保温6h即可，回火温度为450℃。
实施例4：
一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分： Mn28.57％、C 1.55％、Cr 5.20％、Mo 1.34％、Si 0.53％、S 0.08％、P 0.05％、W 0.38％、V 0.24％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
超高锰铸钢衬板的制备方法同实施例2。
实施例5：
一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 18.25％、C 1.34％、Cr 3.68％、Mo 1.03％、Si 0.1％、S 0.01％、P 0.01％、 W 0.24％、V 0.15％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
超高锰铸钢衬板的制备方法同实施例1。
实施例6：
一种超高锰铸钢衬板，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 26％、C 1.45％、Cr4.18％、Mo 1.23％、Si 0.33％、S 0.05％、P 0.02％、 W 0.31％、V 0.18％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
超高锰铸钢衬板的制备方法同实施例3。
实施例1-6制备的超高锰铸钢衬板进行如下性能测试：
(1)硬度性能测试：在HRS-150洛氏硬度计上进行硬度测试，试验加载力为150kg，试验力保荷时间为8s，将所要检测的试样利用线切割加工成10cm×10cm×10cm的试样。
(2)拉伸性能测试：按照GBT 228.1-2010《金属材料拉伸试验》加工成拉伸试样，在UTM5105万能拉伸试验机上进行拉伸试验，实验时的拉伸速度为2mm/min，因伸计为Y25/5-N型，精度等级0.5。
(3)冲击性能测试：通过线切割机将试样制备成标准冲击试样，试样尺寸偏差应该根据GB/T229-1994规定，严格控制形状、尺寸和表面粗糙度，尺寸为10mm×10mm×55mm，根据GB/T229-2007规定，使用JB-300B型摆锤式冲击试验机对试样进行冲击。
检测结果如下表1所示。
表1性能测试数据
由表1可以看出，本发明制备的超高锰铸钢衬板洛氏硬度在 30.6-32.8HRC之间，具有较高的硬度，同时抗拉强度在873-967MPa 之间，屈服强度在500-522Mpa之间，冲击功在142-162J之间，具有较高的韧性，与现有衬板相比，无论是硬度还是韧性都有明显的提升，说明本发明超高锰铸钢衬板通过提高Mn的含量，并通过添加W和V 的改性，使衬板具有高硬度和高韧性。
从表1中还可以看出实施例1和实施例6中制备的超高锰铸钢衬板综合性能优于其他实施例，说明实施例1和实施例6中超高锰钢铸衬板的成分比例为较优选择。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种超高锰铸钢衬板，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 18.25-28.57％、C 1.34-1.55％、Cr 3.68-5.20％、Mo 1.03-1.34％、Si 0.10-0.53％、S 0.01-0.08％、P 0.01-0.05％、W 0.24-0.38％、V 0.15-0.21％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超高锰铸钢衬板，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下成分：Mn 26％、C 1.45％、Cr 4.18％、Mo 1.23％、Si 0.33％、S 0.05％、P 0.02％、W0.31％、V 0.18％、其余为铁Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的超高锰铸钢衬板，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
A、熔炼：将废钢、生铁加入中频感应炉内熔炼，待钢液熔清后加入符合上述超高锰钢的化学成分的质量分数要求的锰铁、铬铁、钼铁、钨铁和硅铁，完全熔化后向铸钢水表面覆盖造渣材料，将温度升高至1580-1630℃，炉内铸钢液达到要求温度后停电镇静，使铸钢液均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣材料结合，除渣，再加入铝块脱氧，在浇注包的底部预先加入占钢液质量为1.00-1.20％的稀土和0.35-0.45％的钒铁，将浇包烘烤到400℃以上，采用包内冲入法对钢液进行复合变质处理制得钢液；
B、浇铸：当步骤A中制备的钢液温度降至1350-1550℃时，采用V法铸造，将钢液浇注到型模中并保温1-2h，清砂打磨衬板铸件；
C、正火：在热处理炉温度为400℃的状态下，将步骤B中制备的衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1-1.5h，继续升温，当温度升至900-950℃时，保温2-4h后，出炉风冷衬板铸件至室温；
D、淬火：在热处理炉温度为400℃的状态下，再次将衬板铸件放入热处理炉中，当热处理炉温度升至650℃时，保温1-1.5h，继续升温，当温度升至900-1100℃时，保温2-4h后，再把衬板铸件淬入淬火液中并冷却至室温；
E、回火：将衬板铸件放入回火炉保温4-6h即可。
4.根据权利要求3所述的超高锰铸钢衬板的制备方法，其特征在于：所述淬火液为聚乙烯醇、聚亚烷基乙二醇、聚氧乙烯乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮的水基淬火液中的一种，淬火液的浓度为0.2％-0.5％。
5.根据权利要求3所述的超高锰铸钢衬板的制备方法，其特征在于：所述回火温度为350-450℃。
6.根据权利要求3所述的超高锰铸钢衬板的制备方法，其特征在于：所述正火温度为910℃，淬火温度为1050℃。
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