左正國(guó)（杭州鋼鐵廠合金鋼鑄造分廠，杭州 310022）

高強(qiáng)度抗磨鑄鋼襯板的研究

左正國(guó)（杭州鋼鐵廠合金鋼鑄造分廠，杭州 310022）

在鑄鋼中加入硼元素，獲得了高強(qiáng)度抗磨高硼鑄鋼。研究了淬火溫度對(duì)高硼鑄鋼襯板顯微組織和硬度的影響。結(jié)果顯示，隨著淬火溫度提高，淬火組織硬度增加，淬火溫度1000℃時(shí)，基體組織全部轉(zhuǎn)變成了強(qiáng)韌性好的板條馬氏體。高硼鑄鋼襯板經(jīng)1000℃淬火后，再在230～240℃進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，具有良好的強(qiáng)韌性和抗磨性，使用中襯板不會(huì)斷裂，其使用壽命比高錳鋼提高180%～200%，且不含貴重合金元素，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便。

高硼鑄鋼；襯板；力學(xué)性能；耐磨性

1 前言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)外已于上世紀(jì)60年代末期就基本淘汰了高錳鋼襯板在許多球磨機(jī)中的應(yīng)用。我國(guó)電力工業(yè)出于安全方面考慮，目前球磨機(jī)襯板還多為高錳鋼材質(zhì)。但是，高錳鋼襯板在使用過程中不能充分加工硬化，殘?bào)w表面硬度低，耐磨性差，且在使用過程中易發(fā)生塑性變形，使得拆卸維修困難[1]。為了適應(yīng)電力工業(yè)發(fā)展，提高易磨損件的壽命，國(guó)內(nèi)外一直在研制合金鑄鐵耐磨襯板，并已經(jīng)在球磨機(jī)上應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣的是高鉻鑄鐵襯板[2]。高鉻鑄鐵的顯微組織為馬氏體+碳化物+殘余奧氏體，馬氏體的硬度較其它基體的硬度高，故其耐磨性能高且沖擊性能也較其他抗磨白口鑄鐵高。高鉻鑄鐵襯板中含有較多脆性碳化物，且基體是高碳馬氏體，脆性大[3]，使用中易剝落甚至斷裂，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。為了提高襯板的耐磨性，國(guó)內(nèi)外還開發(fā)了馬氏體鋼、貝氏體鋼和奧－貝鋼等襯板材料，因硬度低、淬透性差，使用壽命并未獲得明顯提高[4-6]。因此，開發(fā)高強(qiáng)度抗磨鑄鋼襯板滿足電廠球磨機(jī)的安全使用，是一項(xiàng)具有重要意義的工作。最近，我們根據(jù)球磨機(jī)襯板磨損失效特點(diǎn)，開發(fā)成功了一種高強(qiáng)度抗磨高硼鑄鋼襯板，并成功應(yīng)用于電廠磨機(jī)上，獲得了很好的效果。

2 高硼鑄鋼特點(diǎn)以及高硼鑄鋼襯板成分設(shè)計(jì)

2.1 球磨機(jī)襯板的工況及磨損機(jī)理分析

當(dāng)球磨機(jī)以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磨球與煤料緊密混合，在離心力和摩擦力的作用被提升，達(dá)到平衡態(tài)后，以瀑瀉狀態(tài)落下，對(duì)底部料堆層產(chǎn)出沖擊。在整個(gè)工作過程中，磨球、煤料及襯板之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)、滾動(dòng)與沖擊作用，從而使煤料粉碎。襯板處于三體磨損工況，由于襯板與相接觸的磨料產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)和滾動(dòng)，造成襯板表面的切削及犁削磨損，使襯板基體組織及硬質(zhì)相流失，發(fā)生磨料磨損，這是襯板磨損的主要失效形式。其次在工作中，襯板受小能量的連續(xù)沖擊作用，要求其具有一定的韌性。

2.2 高硼鑄鋼特點(diǎn)

高硼鑄鋼是一種新的抗磨材料，以廉價(jià)的硼為主要合金元素，不含價(jià)格昂貴的鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，其組織特點(diǎn)是在低碳馬氏體基體上鑲嵌有硬度高、熱穩(wěn)定性好的硼化物，可以確保高硼鑄鋼在具有優(yōu)異強(qiáng)韌性的前提下，還具有高的硬度和優(yōu)良的耐磨性[7-9]，可以克服目前廣泛應(yīng)用的以碳化物為主要耐磨硬質(zhì)相的鐵基耐磨合金（如高鉻鑄鐵、鎳硬鑄鐵等）脆性大，使用中易斷裂和剝落的不足，也可以克服無耐磨硬質(zhì)相的鐵基合金（如高錳鋼、低碳合金鋼）硬度低，淬透性與耐磨性差的不足，在球磨機(jī)襯板上發(fā)揮其優(yōu)異的耐磨性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

2.3 高硼鑄鋼襯板成分設(shè)計(jì)

高硼抗磨鑄鋼襯板成分見表1。其中碳含量控制在0.35%以下，主要是為了在淬火處理后獲得強(qiáng)度高、韌性好的板條馬氏體基體。碳含量過高，淬火組織中易出現(xiàn)脆性大的高碳馬氏體，降低高硼鑄鋼的強(qiáng)韌性。硼是高硼鑄鋼中的主要合金元素，鋼中加入硼主要是為了獲得一定數(shù)量的高硬度硼化物，改善鑄鋼耐磨性。部分硼溶于基體，可以改善基體的淬透性和淬硬性。硼加入量過少，形成的高硬度硼化物數(shù)量少，鑄鋼耐磨性差；加入量過多，硼化物數(shù)量多，且成粗大的連續(xù)網(wǎng)狀分布，使鑄鋼的強(qiáng)度和韌性降低，使用安全性下降。因此將硼含量控制在0.8%～1.2%。另外，在高硼鑄鋼中加入鈦和稀土，有利于細(xì)化凝固組織，提高高硼鑄鋼強(qiáng)度。加入適量鉻、銅和錳，有利于改善高硼鑄鋼襯板的淬透性。

表1 高硼鑄鋼襯板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3 高硼鑄鋼襯板的制造

3.1 高硼鑄鋼襯板的鑄造生產(chǎn)

高硼鑄鋼襯板采用500kg中頻感應(yīng)電爐熔煉，爐料為生鐵、廢鋼、硼鐵（含22.3%B）、硅鐵（含75.7%Si）、錳鐵（含 62.6%Mn）、鉻鐵（含 60.9%Cr）和鈦鐵（含29.5%Ti）。待鋼液過熱至1560～1580℃時(shí)，經(jīng)造渣、扒渣、硅鈣合金預(yù)脫氧和鋁終脫氧后，加入硼鐵和鈦鐵。澆包內(nèi)加入0.50%稀土硅鐵。采用水玻璃砂造型，鑄件收縮率1.9%。鋼液澆注溫度1450～1480℃，澆注時(shí)先小流，中間要快，后期慢澆使鑄件充分補(bǔ)縮，并點(diǎn)冒口1～2次。

3.2 高硼鑄鋼襯板的鑄態(tài)組織和性能

圖1是高硼鑄鋼襯板的鑄態(tài)顯微組織，其中圖1（a）是金相照片，圖1（b）是掃描電鏡照片。鑄態(tài)基體組織主要是珠光體和鐵素體組成，在晶界上連續(xù)分布有硼化物。由于基體由珠光體和鐵素體組成，硬度低，鑄態(tài)宏觀硬度只有32～35HRC，不能直接使用，高硼鑄鋼襯板使用前必須進(jìn)行提高其硬度的淬火處理。

3.3 淬火溫度對(duì)高硼鑄鋼襯板的顯微組織和性能的影響

淬火溫度對(duì)高硼鑄鋼襯板的顯微組織和硬度的影響分別見圖2和圖3。隨著淬火溫度提高，高硼鑄鋼基體組織中溶解鉻、錳、硼、碳等元素增加，淬透性增加，淬火溫度低于1000℃，淬火組織中還殘存少量珠光體，淬火后襯板硬度較低。淬火溫度為1000℃時(shí)，淬火基體組織為單一的板條馬氏體，見圖2。圖4的X射線衍射分析結(jié)果也證實(shí)，基體組織為單一馬氏體組織，硼化物以Fe2B為主，襯板硬度較高。隨著淬火溫度的繼續(xù)升高，高溫奧氏體中固溶硼量增加，使淬火基體中出現(xiàn)了少量針狀馬氏體，形成了混合馬氏體組織，導(dǎo)致高硼鑄鋼襯板硬度進(jìn)一步提高。

3.4 高硼鑄鋼襯板的工業(yè)應(yīng)用

上述鑄造高硼鑄鋼襯板經(jīng)1000℃淬火后，在230～240℃進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，在襯板本體上直接測(cè)量硬度，其硬度值大于55 HRC。另外，從襯板本體上加工 ?15mm×130mm 和 15mm×15mm×90mm 試樣，分別測(cè)量拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性，三個(gè)試樣的拉伸強(qiáng)度超過950MPa，平均沖擊韌性達(dá)到18.2J/cm2。而高鉻鑄鐵襯板的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性值分別為750～820MPa和 7.3～9.2J/cm2。目前，高硼鑄鋼襯板已在火電廠球磨機(jī)上進(jìn)行了裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，襯板強(qiáng)度和硬度高，韌性和耐磨性好，使用中不斷裂，使用壽命比高錳鋼襯板提高180～200%，且不含貴重合金元素，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，生產(chǎn)成本與高錳鋼襯板相當(dāng)，推廣使用可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

（1）以硼為主要合金元素，開發(fā)了一種含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 的高硼鑄鋼襯板，具有良好的強(qiáng)韌性和耐磨性。

（2）隨著淬火溫度提高，高硼鑄鋼襯板硬度增加，淬火溫度為1000℃時(shí)，淬火基體組織為單一的板條馬氏體。

（3）高硼鑄鋼襯板硬度大于55HRC，抗拉強(qiáng)度超過900MPa，平均沖擊韌性達(dá)到18.2J/cm2，在火電廠球磨機(jī)上使用安全、可靠，使用中不斷裂、不剝落，使用壽命比高錳鋼襯板提高180%～200%。

（4）高硼鑄鋼襯板不含貴重合金元素，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，生產(chǎn)成本與高錳鋼襯板相當(dāng)，推廣使用可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]呂素芬.ZG40CrMnSiMoV鋼作為襯板材料的研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，1991（9）:7～11.

[2]蔣海育.D－10D雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)襯板高鉻鑄鐵材質(zhì)的研究 [J].水利電力機(jī)械，2001，23（2）:38～42.

[3]郝石堅(jiān).高鉻耐磨鑄鐵[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

[4]Tyagi R，Nath S K and Ray S.Development of wear resistant medium carbon dual phase steels and their mechanical properties[J].Materials Science and Technology，2004，20（5）:645－652.

[5]Caballero F G，Miller M K，and Babu S S，et al.Atomic scale observations of bainite transformation in a high carbon high silicon steel[J].Acta Materialia，2007，55:381－390.

[6]Zhang M X，Kelly P M.Crystallography of carbide－free bainite in a hard bainitic steel [J].Materials Science and Engineering A，2006，438:272－275.

[7]Nevar，N.F.，Belskii，E.I.High －boron alloy steel for casting[P].SU1，581，771，1990.

[8]Nevar，N.F.，Belskii E.I.High－boron steel of high strength and toughness[P].SU1，447，926，1988.

[9]趙國(guó)榮，黎振華，蔣業(yè)華，等.鑄造Fe－C－B合金組織與性能研究[J].鑄造，2008，57（5）:451－453.

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

左正國(guó)（1968-），男，工程師，主要從事鑄造和合金鋼技術(shù)工作