CN112853200B - 一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢磨套及制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢磨套及制造工艺。主要用于制造世界一流水平的日产(4000‑5000)吨生料或带温熟料大型立磨机之核心件磨套及高温重载强挤压、强磨损仍属世界各国尚未完全解决的轧钢厂之热轧辊等高难装备件；本发明的主要性能：Бb≥2600N/mm2，HRC＝60‑65，αku＝10‑18J/cm2]，任一截面金相组织为韧性马氏体，晶粒度(6‑9)级；较德国莱歇公司同类产品强度提高27.14％，硬度提升了15.74％；应用工温提升了330度；而莱歇公司产品为硬脆无韧之高铬铸铁件；使用寿命为进品产品的2倍多；若出口1万吨按日本或德国产品价(12‑16)万元/T下降50％，则可为国家创汇1亿美元；产品生产企业可获利4亿元(RMB)。

Description

一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢磨套及制造工艺
技术领域
本发明涉及一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢磨套及制造工艺，主要用于矿山、建材、冶金、电力、机械等行业。它是滚压破碎、研磨、细化各种矿石原料或其半成品的立式旋转磨机(亦称立磨)，如：原料磨(生料磨)、熟料磨(水泥磨)、矿渣磨等设备中的关键部件。本发明还涉及一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢磨套及制造工艺。
技术背景
在世界现代化的中、大型水泥厂里和日产3000T、4000T、5000T熟料配套的大型立磨之磨套(每套4件，每件净重5-8吨，外径在1.9m-2.4m，内外径均系球面，壁厚180-260mm，上下总高650-900mm不等)；随着生产应用的需要入磨风温由250℃-300℃提升到270℃-320℃，磨腔随立磨旋转，而磨套和磨辊轴由进口轴承固联，在磨腔内做差速旋转，实现对入磨物料(熟料、矿渣或金属矿等)的滚压、破碎、研磨、均化的生产工艺过程。磨套表面对物料而言，主要承受的是强烈的滚压性相对磨损；它和物料、碟形盘及磨腔周壁必然会产生较大的碰撞冲击和研磨热，致使磨腔内温度同步升高，且随转速增高，而研磨热加大。对磨套而言，沿周向又承受着巨大的由滚压磨擦力而产生的巨大切向拉力，目前国内有不少厂家和设计研究院所研制的磨套，都是采用于200℃-300℃回火后硬度HRC＝53-55高铬耐磨铸铁制成，其实际工作寿命不足3000小时，每吨价格为2.8万元-3.2万元，不少磨套在使用中出现破裂，而被迫停产更换；而进口磨套产品号称使用寿命为8000-10000小时，每吨价格为12-14万元(人民币)；而实际使用寿命约(七-九)个月，不足6500小时。严重地影响了相关企业的生产和经济效益及社会综合效益。现将当代主要相关的耐热耐磨套之金属材料化学成份，回火温度和主要性能及不耐磨原因分析汇列如下：
Figure GDA0003786961810000021
针对上表所列数据经认真分析、研究并结合现场应用实践可得出以下结论：
1、上述序号1、2两类均为所含合金元素高达22％以上的高铬铸铁件，除配炉成本高之外，而它们的最终回火温度仅在200℃-300℃，而硬度HRC＝53-55，但应用工温却在270℃-320℃，则势必造成过热降硬的效应；
2、上述序号1、2两类高铬铸铁热处理后的最终金相组织均为：硬脆而无韧和易于破裂的共晶碳化物[(Cr.Fe]7C3+(Fe.Cr)3C)+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体，所以它们仅适合常温下，对煤钎石、孔雀石等松软物料有一定的耐磨性；
3、中国的KmTBCr9Ni5Si2之NiCr合金耐磨铸铁之化学成份组比包容了德国莱歇公司GCR9Ni5Si2合金耐磨铸铁的化学成份；这种合金材料均含有贵重的铬(Cr)9％，镍(Ni)5％；经加热至750℃-825℃，保温4-10h(依截面尺寸而定)后，出炉空冷实现淬火，其硬度HRC≥55；其组织共晶碳化物[(Cr.Fe]7C3+(Fe.Cr)3C)+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体，再加热250℃-300℃，并保温4-16h后出炉，空冷实现回火处理。以消除淬火内应力，降低脆性。经上述处理后，其表面于现场测试硬度HRC＝52-54和德国莱歇公司声称的硬度HRC＝55相差不大。
4、中国的KmTBCr15Mo2-GT耐磨高铬合金铸铁化学成份组比同样包容了莱歇公司的GCr15Mo2的元素组比，经加热920℃-1000℃保温2-6小时出炉空冷，其表面硬度HRC≥58；金相组织为：共晶碳化物[(Cr.Fe]7C3+(Fe.Cr)3C)+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体，再加热200℃-300℃并保温2-8小时，出炉空冷，表面硬度HRC≥54-56并需承受中等冲击磨损，它和莱歇公司产品表面硬度HRC＝55接近。
上述结果表明：对立磨磨套采用所谓的耐磨高铬镍合金铸铁件已表现出严重的不适应性，致使企业制造和使用成本高；当应用国外产品时，进口价格昂贵(12-14)万元/T甚至高达24万元/T，再加上设备用电、人工工资，设备折旧和损耗，则使用成本会更高；所以寻求新的耐热、耐磨材料制造立磨之磨套已迫在眉睫、势在必行！
发明内容
本发明的目的是提供一种高硬耐磨耐蚀耐高温的合金铸钢磨套，它具有无气孔、无裂纹、无夹砂等铸造性缺陷，负重载运转平稳，使用寿命长，制造和使用成本低的特点，充分地满足现代大型立磨磨套广泛使用的要求。
本发明的另一个目的是提供一种高硬耐磨耐蚀耐高温的合金铸钢磨套的制造工艺。
本发明选用的是以C、Si、Mn、Cr、Mo为主加元素，辅加少量V、Nb、W、N、Zr、Ti、RE元素；它属中碳中合金有兼故性的多功能特钢，所以它具有良好的铸造性、补焊性、热处理和加工性及耐蚀性。
这正是避免或减少磨套毛坯铸造性缺陷，提高毛坯合格率，降低制造成本的技术关键。立磨磨套毛坏经退火粗加工后再经淬火并经回火处理，其显微组织为均匀细密的高硬度韧性马氏体其内弥散着点状之C化物和N化物。它表现出极高的强度、硬度和耐磨性并具有良好的冲击韧性及耐蚀和耐热性。到目前为止，国内外还尚未发现有比它更加合适地用来制造立磨磨套的材料。本发明铸钢的组配元素质量百分比为：
碳(C)：0.45-0.75；硅(Si)：0.30-0.60；锰(Mn)：0.35-0.75；铬(Cr)：2.6-3.7；钨(W)：0.5-0.8；钼(Mo)：1.5-2.0；V：0.8-1.3；铌(Nb)：0.3-0.52；氮(N)≤0.15；钛(Ti)≤0.15；锆(Zr)≤0.15；稀土元素(RE)≤0.15；磷(P)≤0.02；硫(S)S≤0.02；铁(Fe)：88.94-92.56；
以及上述成份中的氮(N)、钛(T)、锆(Zr)、稀土元素(RE)四种元素至少其中一种不为零的配比组合，其余为Fe的化学成份技术特征。
本发明中的碳(C)，C是决定金属材料之强度、硬度、耐磨性的主元素，这是由于钢中含C量之多少，它不仅决定了钢经淬火后马氏体的数量，形态及硬度，而且还决定了马氏体开始转变到中止转变的温度带(即Ms℃和Mf℃区域)；它在原则确定冷却方式的同时，也就确定了经淬火获取马氏体后，其残余奥氏体的百分比含量；无疑，它也确定了取得回火马氏体的温度Mx℃和马氏体完全分解的最低温度Mt℃。从这个意义上讲，原所有教材、手册中确定低温回火(150℃-250℃)，其所获组织为回火马氏体之说，已不再具有普遍意义。严格地说，将淬火所获马氏体之钢件又加热到其马氏体不可分解之温度的最大值，经保温，再出炉经油冷或空冷，这一过程叫低温回火处理，所获组织为回火马氏体+残余奥氏体；一般硬度HRC＝55-67。本发明中的碳(C)一部分在固溶于α-Fe中形成铁素固溶体和Fe形成渗碳体(Fe3C)，C还和固溶于铁素体中的多余合金元素形成硬度大、耐热、耐磨的合金碳化物：VC、NbC、TiC、ZrC、Mo2C、Mn7C3、Cr7C3；同时碳还和溶于渗碳体(Fe3C)合金元素共同形成晶格复杂的合金渗碳体：(Fe·Cr)3C、(Fe·Mn)3C、(Fe·Mo)3C、(Fe·W)3C、(Fe·Cr)23C6、(Fe·Mo)23C6、(Fe·W)23C6、(Fe·V)3C、(Fe·V)23C6等；这些均匀弥散的碳化物一方面强烈地阻碍着高温奥氏体晶粒的长大，促进热处理后的晶粒最细；另一方面它们存在于奥氏体中又为淬火、回火大幅提升了合金钢的强度、硬度及耐磨性；在经高温淬火和二次回火后，除获均匀马氏体组织外，残余奥氏体≤5％。马氏体硬度HRC＝60-65；为使热处理后晶粒最细：晶粒度20≤um2，既要有足够的强度，硬度，又要有良好的抗冲击韧性，其含碳量在本发明中控制在0.45％-0.75％之间。
硅(Si)，Si常以脱氧剂配入，当含量≤0.85％时，全部固溶于铁素体内，强烈地提高铁素体之强度、硬度，其韧性变化甚小；当含量>0.85％时，其韧性显著下降；但Si除提高回火稳定性外，并有增加钢水流动性，改善铸造性能的作用。故本发明中Si之含量控制在0.3％-0.6％之间。
锰(Mn)是溶于铁素体形成合金铁素体α-Fe(Mn)和形成合金碳化物Mn7C3与合金渗碳体(Fe·Mn)3C提高淬透性，均化组织，提高强度、硬度和韧性的重要元素；此外，Mn能和杂质S形成MnS以熔渣形式自除，故Mn有净化钢水和自动除杂之功能。同时，Mn也是很好的脱氧剂，降低钢的脆性，改善钢的品质。因Mn含时在<0.9％时，钢之强度、硬度是随其含量增加而增大，而抗冲击韧性在此范围内变化甚微；但当Mn含量>0.9％时，其抗冲击韧性急剧下降。为既达到强化效果，又不使韧性下降，故本发明中含Mn量控制在0.35％-0.75％之间。
铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)它们一部分溶于铁素体，形成合金铁素体α-Fe(Cr)、α-Fe(Mo)、α-Fe(W)；另一部分形成细粒、分散的稳定合金碳化物；Cr7C3、Mo2C、WC；还有一部分溶于渗碳体(Fe3C)内，同样以细微、分散、弥漫稳定合金渗碳体：(Fe·Cr)3C、(Fe·Mo)3C、(Fe·Cr)23C6、(Fe·W)3C、(Fe·W)23C6等状态存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，除阻碍奥氏体晶粒长大之外，并为淬火和回火后获取均匀细晶粒马氏体组织奠定了良好的基础，从而显著地提高其强度、硬度和耐磨性及高温抗氧化性；同时Cr、Mo、W的合理组配也有使C曲线右移而显著提高淬透性的作用，并提升了回火稳定性、强度、硬度及耐磨性；而Mo、W的加入又降低了回火脆性；Cr元素含量在≤1％时，其强度、硬度和冲击韧性是随含Cr的增加而增大，但当含量1％<Cr≤2％时，钢的冲击韧性值略有下降，当Cr含时>2％时，强度和冲击韧性明显下降，为既达到耐高温和二次强化效果，而韧性又下降不大的目的，故本发明中Cr含量控制在2.6％-3.7％之间；而Mo含≤7％时，钢的强度和硬度随含Mo量的增加而增大，但钢的韧性却会随含Mo量的增加而由245J/cm2急剧下降至68.6J/cm2，特别是当钢中含Mo量>1.7％时，其韧性下降特别显著；另Mo的配入提高回火稳定性，避免高温回火脆性，同时Mo、Zr、RE的加入，不仅提升了钢的热锻性，而且大幅提升钢的耐热强度；所以Mo之含量应控制在1.5％-2.0％之间。
钨(W)，当含W<3％时，其钢之强度、硬度均随含W的增加而增大，但韧性却因W的增加而由245J/cm2下降到49J/cm2；特别是W>1.2％时，韧性下降十分明显，故本发明中含W量控制在0.5％-0.8％范围内。
钒(V)、铌(Nb)，V、Nb在奥氏体合金钢中以分散、细小的碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)状态存在于奥氏体的晶界内和晶界间，强烈地阻碍着奥氏体晶粒的长大；V、Nb的微量加入有助于大幅提高成材的高温强度、回火稳定性、二次强化效果并增加了抗冲击韧性及耐低温韧性。为综合考虑全部元素组比及所需强度、韧性和耐低温性，本发明确认V之含量为：0.8％-1.3％；Nb之含量为：0.3％-0.52％。
锆(Zr)、钛(Ti)，Zr、Ti均和C以分散、细小碳化锆(ZrC)和碳化钛(TiC)存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，有力地阻碍着晶粒的长大，并增强了淬透性、回火稳定性、成材的可焊性和耐高温强度。为获取细晶粒高强度的回火马氏体或索氏体并具有较高耐热性及冲击韧性，本发明确认Zr之含量为≤0.15％，Ti含量≤0.15％。
氮(N)，N在α-Fe和γ-Fe中的溶量分别达0.1％和2.8％，它在高温奥氏体中，其中一部份N和C去争抢部份合金元素：如：V、Nb、Zr、Ti、Mo等形成耐热而又很难分解的氮化物：VN、NbN、Nb2N、ZrN、TiN、Cr2N等，以微粒、弥散于奥氏体的晶界内和晶界间，强烈阻碍着奥氏体晶粒的长大；除极大地提升成材的耐高温强度，及最终所获组织马氏体的硬度和耐磨性。N的加入减少了不利焊接的C元素含量；由于N使Ms温度点下移，所以又提高了奥氏体合金钢淬透性及强度；从而使所获奥氏体具有良好韧性、耐低温性和可焊性。但过多的N，会使铸坯产生气孔，故本发明中N含量确认为：≤0.15％.
稀土元素(RE)的微量加入，提高韧性和可焊性并有脱硫(S)去气、消除有害杂质的作用。本发明中确认：RE含量≤0.15％.
磷(P)、硫(S)，P、S存在奥氏体钢中有很多相同的害处：促进C、Mn元素产生偏析，S在奥氏体合金钢中以FeS和MnS形式存在，在MnS进入炉渣；但FeS和Fe可生存低熔点共晶体，分布于晶界上，削弱了晶界间的结合力，使钢在热态受力时，极易裂、损；此外，P还有促使奥氏体晶粒长大之倾向，故本发明中P、S含量均确认为：≤0.02％。
本发明中的耐蚀性十分明显，如：Cr、Ti、Nb的加入就有良好的抗大气耐海水腐蚀能力；V、Ti、Nb的加入又有明显的耐晶间腐蚀能力；而Cr、Nb、V、Ti、Si、RE的加入使合金钢具有十分明显抗高温氧化能力……。
本发明所述的一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金钢的立磨磨套，采用电弧炉冶炼；按2:1的石灰粉和氟化粉造渣；炼钢原料为废钢和铁合金；炉料加入顺序为：废钢、铬铁、钨铁；待熔化除渣后加入锰铁、钼铁；在还原期加入Si，利用Mn、Si进行初脱氧；再加入钒铁、铌铁和FeN(氮化铬)，经除渣后间隔5-10分钟，依次加入Zr、Ti再加入稀土(RE)；浇铸前按每吨钢水加入两性氧化物铝(A1)1KG进行最终脱氧处理，出钢温度为：1600℃-1570℃，待炉前经光谱分析仪检测确认其化学成份符合本发明要求，当钢液温度为1560℃-1490℃可进行浇铸。其具体生产工艺如下：
1、毛坯的浇铸：出钢温度为1600℃-1570℃，浇铸温度为1560℃-1490℃，铸件应在260℃-300℃开箱，开箱后应清砂，切割浇冒口温度应≥220℃，
2、退火处理：将清整后的毛坯进炉加热至670℃-720℃，保温8-12小时随炉冷到≤250℃出炉空冷；
3、机械加工：
(1)划线：将退火后的毛坯吊上平台按工件中心线垂直于平台找正，按单边均留1.5mm-2.0mm进行划线。
(2)粗车：将已划线好的毛坯磨套按线找正夹紧后粗车上端面、止口、斜面和外径；翻面找正，粗车另一端；
(3)铸造缺陷的处理：对经粗车后的半成品进行100％超探，对内在或可见缺陷采用整体进炉预热至240℃-280℃进行挖补施焊，焊缝应连续、平整；
(4)淬火、回火与精加工：将超探合格的半成品磨套整体进炉加热至980℃-1130℃，并保温5-8小时后油冷；再将它加热至360℃-390℃，并保温3-5小时油冷或空冷；后再温升到530℃-590℃，保温3-5小时油冷，再依图纸尺寸加工成形。
本发明所及一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢的立磨磨套，和世界发达国家相比，其强度(Бb)提高27.14％，抗冲击韧性(αku)提高了200％，硬度提升了15.74％，耐磨寿命提高2倍多。它从根本上全面、彻底地解决了矿山、冶金、建材、电力、机械、军械等行业在剧烈冷或热碰撞挤压和强烈磨损条件下长期存在的各种合金铸铁或铸钢磨套易断裂、强度低、不耐磨、寿命短、更换频繁、制造或使用成本高的经济技术难题。
按进品德国红宝公司和日本产品价格(12-24万元/吨，最低折合：24000美元/T)，使用周期以4个月计算，全国所及大型国企为375家(台)计算；每台立磨所及磨套24吨；弧形衬板12吨，碟形衬板约9吨，共计45吨，那么4个月可为国家节汇：B＝375家·(台)×45吨/(台)·家×2.4万元/吨(U$)＝40500万元(U$)；如果年出口1.2万吨，并按现进口最低价(12万元/T)下降50％，即6万元/T(RMB)，则每年至少可为国家创收入(1.2万吨×6万元/T＝7.2)亿元(RMB)；折合美元大约：1.108亿元。
获知：采用50CrMnMo、60CrMnMo和50CrNiMo三种材质经调质(850℃淬火/630℃回火)所做热轧辊；产品主要问题是不耐磨，常出现辊面崩块或龟裂；每热轧一次就要停产换辊或修辊，严重影响公司生产和产品质量与公司经济效益……，这是多年一直未能解决的技术难题。经反复考察分析：这三种材质既不耐高温更不耐热磨，其于630℃调质状，在热轧960℃-1120℃钢坯早已失效退火，何以耐磨；而热轧过程，对轧辊而言是一个冷热瞬时交变的过程，而50CrMnMo等三种材质于调质后的轧辊均不具备良好的冷热疲劳性，何以不裂？
如果将本发明钢(011-18)制成热轧辊辊套或制成锻钢做热轧辊，其年降耗、增产之综合经济效益至少达数千亿元以上。
因此，本发明具有广泛实用价值和推广价值，从而可获取显著企业效益和巨大的社会综合经济效益。
具体实施方式
现将本发明钢在具体实施四例中对所铸钢磨套产品(主尺寸：外球R950、内球R750，止口Ф1500，高650，止口斜角13.5°)相应检测数据及工艺执行温度分别列表如下：
实施本发明钢四炉的化学成份(％)
Figure GDA0003786961810000111
实施四炉本发明铸钢生产过程的工艺温度和检测性能[单位：摄氏度(T℃)]
Figure GDA0003786961810000112
具体实施过程如下：按照本发明钢成分，采用5吨电弧炉(8吨钢水)冶炼了四炉本发明钢，出钢温度分别为：1600℃、1580℃、1570℃、1590℃；浇铸温度依次对应为：1560℃、1540℃、1500℃、1490℃；磨套铸钢毛坯开箱温度对应为：290℃、280℃、300℃、260℃带温T℃≥220℃切割了浇冒口并打磨，每炉铸钢毛坯分别为：670℃、680℃、720℃、700℃进行了退火，其保温时间t＝12小时，随炉冷到230℃之后出炉空冷，再按图尺寸单边留1.75mm进行数控粗车。后分别专炉加热温度对应为：980℃、1050℃、1100℃、1130℃；对应保温时间：均为8小时，后速急入油均冷；出油分别于360℃、370℃、390℃、380℃进行回火，保温时间均为4.5小时后油冷，再逐件分别加热到530℃、560℃、570℃、590℃均保温4小时后油冷。

Claims (1)

1.一种高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢磨套，其特征在于，各元素的百分比为：
C：0.57；Si：0.30；Mn：0.63；Cr：3.4；W：0.68；Mo：1.92；V：0.96； N：0.075;RE：0.12；P：0.015；S：0.017；Fe：91.313；
其中，所述高硬耐磨耐蚀耐高温合金铸钢磨套的制造工艺包括下列步骤：
（1）毛坯的浇铸：出钢温度1590℃，浇铸温度为1490℃，铸件在260℃开箱进行清砂，切割浇冒口温度应为≥220℃；
（2）退火处理：将清整后的毛坯整体进炉，加热至700℃并保温8-12小时随炉冷到≤250℃后出炉空冷；
（3）机械加工：
①划线：将退火后的毛坯吊上平台按工件中心线垂直于平台找正，按单边均留1.5mm-2.0mm进行划线；
②粗车：将已划线好的毛坯磨套，按线找正夹紧后粗车上端面、止口、配合斜面和外径，再翻面找正，粗车另一端；
③铸造缺陷的处理：对经粗车后的半成品进行100%超探，对内在或可见缺陷采用整体进炉预热至240℃-280℃进行挖补施焊，焊缝应连续、平整；
④淬火、回火与精加工：将超探合格的半成品磨套整体进炉加热至1130℃，保温4-8小时后油冷；再将它加热至380℃，保温3-5小时油冷或空冷；后再温升到590℃，保温3-5小时油冷后依图纸尺寸精加工到位。
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