高碳中铬合金耐磨钢 本发明涉及一种用于受冲击不太大的高强度耐磨钢，尤指高碳中铬合金耐磨钢。
在背景技术中，火电厂筒式钢球磨煤机的衬板，包括水泥磨、矿石磨的衬板等所用材料都是英国人哈特菲尔德(Hadfield)于1882年发明的高锰钢，即我国的牌号ZGMn13(参阅GB5680-85)，其主要化学成分为Mn：10～14％，C：0.9～1.4％，余为Fe。这种钢一般经水韧处理后使用，组织为单一奥氏体，原始布氏硬度HB≤229，冲击韧性可达αk≥147J/cm2，在受较强烈冲击作用下，其钢表面发生加工硬化，硬度HB≥450，具有较好的耐磨性，故这种ZGMn13钢是用于受冲击载荷较强烈，对韧性要求又很高的工矿下工作的一种理想耐磨材料。但是用于球磨机衬板(特别是水泥磨和矿石磨)因不能充分加工硬化，用后硬度HB350以下，使钢耐磨性潜力难以发挥，造成工作中这种高锰钢不耐磨，使用寿命短。对于火电厂磨煤球磨机，因输送及干燥煤粉的热风作用，有相当部分煤粒处于悬浮及半悬浮状态，故磨球直接撞击到衬板的几率大大增加，经我们测试，在这种磨机中工作的ZGMn13衬板，用后其工作表面的硬度可达HB450～500，但其硬化层很薄，仅100～150μm，而且硬度衰减剧烈，故也不能充分发挥其耐磨性潜力，此外其钢屈服强度δs≤500N/mm2，抗拉强度δb≥637N/mm2，使用过程中极易变形，使拆卸维修困难，甚至剪断或拉断螺栓，发生反变形而脱落，造成早期失效，最短的使用寿命仅半年左右，当磨球硬度较高时，这种现象更为严重，给电厂的安全生产及正常生产带来威胁，并造成钢材的极大浪费，目前我国电力行业全国有球磨机1300余台，年需衬板一万余吨，约7000余万元，如算上其他行业的球磨机衬板，每年消耗的衬板价值估计在2～3亿元人民币，可见钢材浪费之大。为解决上述问题，国外从六十年代初开始研究新的耐磨衬板材料，国内于七十年代后期也开始了这方面的研究。现常用的有高铬铸铁(如：GB8263-87中的KmTBCr15Mo2)、镍硬铸铁(如：GB8263-87中的KmTBCr9Ni5Si2)、高铬钢(含Cr量大于10～20％)、合金化高锰钢或中锰钢(如：在ZGMn13或ZGMn7或ZGMn9中加入Cr、V、Ti、Mo、W等)、中、高碳多元低合金钢(如：ZGCoCrMnMoBRe、ZG35Cr2MnSiMoRe、ZG40CrMnSiMoRe、ZG40CrMnSi2MoV、ZG60CrMnSiMoCuRe等)以及高铬铸铁-低碳钢双金属复合衬板。高铬铸铁、镍硬铸铁及高铬钢因含铬量高，含镍、钼量高，以及含碳量高(含碳量在1％～3％)，故淬透性好，热处理一般采用奥氏体化保温后空冷，再经低温(200～300℃)回火去除应力及稳定组织后使用，其余相组织多为回火马氏体+M7C3型共晶碳化物(HV1200～1800)+粒状二次碳化物+残余奥氏体，这种组织硬度高(一般HRC≥55～58)，耐磨性好，但韧性低(一般αk≈4～7J/cm2)，故主要用于直径较小，受冲击不大的水泥或矿石磨的衬板，而在火电厂磨煤用球磨机的衬板上因受冲击较大，易碎裂而极少使用。合金化高锰钢或中锰钢的设计指导思想是加入少量碳(氮)化物形成元素以在组织中形成高硬度地碳(氮)化物硬质点(HV1000～1800)，增加耐磨性及降低水韧处理后奥氏体的稳定性，提高Ms点，以期望在使用过程中在组织中形成应变马氏体，提高加工硬化后的硬度，从而增加耐磨性，但我们曾进行的试验表明其效果并不理想，耐磨性仅较ZGMn13提高20％左右，且其奥氏体基体组织仍使屈服强度较低σs≈600N/mm2左右)，变形现象仍较为严重。中高碳多元低合金钢是基于减少合金元素含量以减低成本，通过多种元素的共同作用达到强化钢中碳化物(使之成为合金渗碳体M3C型，HV800～1100)，提高其硬度，并增加钢的淬透性以使热处理(淬火)后获得马氏体或(马氏体+贝氏体)组织，具有较高硬度，从而达到提高耐磨性的指导思想而发展的，但加入元素种类的增多使熔炼中需要控制的因素增多，熔炼工艺难度增加，质量不稳定的因素也趋于增多，同时合金元素的总量也将近达到中合金钢水平，加之热处理中淬火介质多采用油，实际成本并没有明显比一元中合金钢减低，油淬也给热处理带来较差的工作环境，同时淬火时机控制不好很容易使工件开裂而报废。中碳多元低合金钢一般采用淬火(介质多为油或其他有机溶液)+低温回火热处理，其组织多为板条状回火马氏体(低碳马氏体)十二次碳化物，具有较好的综合机械性能(HRC≥45～48，αk＝20～40J/cm2)，但在磨料较硬的工况下，特别是火电厂磨煤球磨机中冲击较大，即使ZGMn13衬板也有一定程度的加工硬化的情况下，其使用效果并不理想，如我们曾在陕西霸桥热电厂试验过的ZG35Cr2MnSiMoRe比ZGMn13衬板耐磨性及使用寿命就无明显提高，仅使变形现象有较大改善。高碳多元低合金钢一般亦采用淬火+低温回火工艺(介质一般为机油，因采用空冷仍不能淬透)，热处理后组织为针状回火马氏体(高碳马氏体)十二次碳化物+残余奥氏体组织，这种组织具有较高硬度(HRC≥50)，但韧性要比中碳多元低合金钢低，耐磨性较好，但批量生产仍存在工艺难以稳定，淬火易开裂的问题，特别是使用过程中因难以发现的微裂纹等缺陷较多，常发生衬板的断裂。高铬铸铁-低碳钢双金属复合衬板不失为优良的耐磨性与良好的韧性相结合的典范，但其合金含量仍较高，生产工艺较复杂仍使成本较高，特别是大批量生产时，尤其对于形状较复杂的耐磨件，高铬铸铁与低碳钢的结合质量难稳定地得到保证。总之基于上述衬板材料的研究现状，球磨机的衬板特别是火电厂磨煤球磨机的衬板目前仍主要使用高锰钢或合金化高锰钢。其他衬板材料目前均还处于试验阶段。
本发明的目的是为了克服上述背景技术中的不足之处，根据原能源部科技司和中电联科技工作部，以技计(89)78号文B892030项“磨煤机耐磨材料研究”下达给西安电力机械厂的任务，在对现有衬板材料的优缺点进行分析，并吸取曾进行的试验失败的经验的基础上，从综合经济效益的提高及工艺性能的改善，耐磨性的提高(在组织中出现(FeCr)7C3型碳化物，继承高路铸铁耐磨性好的优点，再淬火使基体组织为M，继承中、高碳多元低合金钢耐磨性好的优点，但使韧性高于高铬、镍铸铁，以保证安全性)出发，在中合金钢范畴开发研制出高碳中铬合金耐磨钢，其成本与ZGMn13相当或略低，而用于球磨机衬板耐磨性比ZGMn13提高55％以上，理论计算及实践表明其具有保证安全运行足够的韧性，且裂纹敏感性小，因而能在保证安全运行的条件下，延长衬板的使用寿命，减少停机，减低材料和检修费用，增加生产率，达到获得更好的经济效益和社会效益。这种高碳中铬合金耐磨钢不仅适用于火电厂煤球磨机的衬板，而且也适用于水泥磨、矿石磨的衬板及类似工况下的耐磨件。
本发明的技术解决方案如下：
适当提高含碳量，控制在C：0.50％～0.75％，以提高热处理淬火后钢中马氏体的硬度，增加钢的耐磨性，并保证一定的韧性。提高含铬量，控制在Cr：4.5％～7.5％，在组织中出现M7C3型碳化物(FeCr)7C3，硬度高达HV1200～1800，高于中高碳多元低合金钢中的合金渗碳体(M3C)，其硬度HV800～1100，进一步提高钢的耐磨性，此外，铬和铁能形成连续固溶体，强化基体，提高强度和硬度而不减低韧性。铬还能提高钢的回火稳定性及淬透性，并由于残奥的分解产生二次硬化，有利于提高耐磨性。铬还能在钢的表面形成Cr2O3膜，改善钢的抗氧化性，提高钢的抗腐蚀能力。另外适当加入钼(或镍)元素，增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性，降低回火脆性，进一步简化热处理工艺(空淬即可达到淬透)。适当加入稀土元素，进一步脱硫、去气，改善钢的冶金质量，提高钢的塑性和韧性。为了降低成本，不考虑加入其它钒V、钨W、钛Ti、镍Ni、铜Cu、硼B等较贵重元素。
本发明的组成(重量百分比)如下：
碳C：0.50～0.75％，锰Mn：0.60～1.5％，硅Si：0.40～1.0％，铬Cr：4.5～7.5％，磷P：≤0.04％，硫S：≤0.04％，余为铁Fe。
本发明的组成还可以是：
加入钼Mo：0.30～0.60％。
按钢水量加入稀土Re：0.20％。
锰Mn：可扩至0.60～2％。
按上述组成经冶炼铸造生产的铸钢件的成型钢，进行热处理，其工艺方法是，加热淬火温度为AC3+40℃～80℃，(AC3为钢加热时组织全部转变为奥氏体的终了温度，即上临介点)待组织全部转变为奥氏体后，保温一段时间以均化组织，采用空冷或风冷，当冷却到室温后，再采用加热至220～450℃，保温后炉冷或空冷的回火工艺，最后得到钢的金相组织为：回火马氏体+弥散分布粒状二次碳化物+少量残余奥氏体，并允许组织中存在个别少量块状碳化物。
本发明的附图说明如下：
图1是ZG60Cr6MoR高碳中铬钢经热处理后的金相组织。
图2是热处理工艺图。
图1中标号：1-极少量的块状碳化物，2-隐针状马氏体+颗粒状二次碳化物+少量残余奥氏体。
下面是本发明的实施例：
实施例1：在钢的冶炼炉中，加入碳、锰、硅、铬、钼，控制碳C：0.50～0.75％，锰Mn：0.60～1.5％，硅Si：0.40～0.80％，铬Cr：4.5～7.5％，钼Mo：0.30～0.60％，为进一步提高冶金质量，则可按钢水量加入0.20％的稀土Re，磷P：≤0.04％，硫S：≤0.04％，余为铁Fe。经冶炼铸造后得到的成型铸钢件，再进行热处理，见图2所示，其工艺是，将钢加热至AC3+40℃～80℃，待组织全部转变为奥氏体并保温后，采用空冷或风冷，冷却至室温，再低温回火，得到钢的金相组织为：回火马氏体+弥散分布粒状二次碳化物+少量残余奥氏体。参见附图1，其组织为极少量的块状碳化物1和(隐针状马氏体+颗粒状二次碳化物+少量残余奥氏体)2，其组成的化学成分为：(见化验报告)牌号是高碳中铬钢ZG60Cr6MoR，碳C：0.60％，锰Mn：1.12％，硅Si：0.84％，硫S：0.022％，磷P：0.027％，铬Cr：5.97％，钼Mo：0.61％，稀土Re：0.0073％，经化验，其强度σb≥1300N/mm2，σ0.2≥1000～1200N/mm2，整体硬度高，原始硬度为HRC50～58，使用后达60左右，韧性适中αk≥15J/cm2，。
实施例2：其组织成分基本同实施例1，不同之处是通过控制各组织成分，使其经过上述热处理，得到牌号为：ZG55Cr6MnMoRE、ZG60Cr5MnMoRE、ZG60Cr6MoRE、ZG65Cr7MnMoRE、ZG70Cr7MnMoRE、ZG75Cr7MnMoRE、ZG60Cr5Mn2MoRE、ZG55Cr5Mn2MoRE、ZG65Cr5Mn2MoRE等。
本发明的优点和效果如下：
一、经陕西宝鸡发电厂和陕西韩城发电厂试运行，下面将几种衬板材料对比如下：项目 中锰合金钢 ZGMn13 稀土耐磨钢(中高碳 高碳中铬合金
多元低合金钢之一) 耐磨钢
C：1.10～1.20 C：0.9～1.4 C：0.6～0.65 C：0.5～0.75主要 Si：0.30～0.80 Si：0.3～1.0 Si：0.4～0.6 Si：0.5～1.0成分 Mn：8.00～9.50 Mn：11.0～14.0 Mn：1.0～1.3 Mn：0.6～1.2(％) Cr：1.50～2.50 Mo：0.3～0.5 Mo：0.30～0.6
Cr：2.9～3.8 Cr：4.5～7.5热 Ni：1.3～1.8 Re：0.2(加入量)处 工 水韧处理 水韧处理 不详 空淬+回火理 艺 组织 奥氏体+少量碳化物 奥氏体 粗针状马氏体+残奥 细回火马氏体十二次
碳化物+少量残奥
σb≥700N/mm2 σb≥650N/mm2 σb≥1300N/mm2性能 αk≥120J/cm2 αk≥147J/cm2 αk≈8～10J/cm2 αk≥15J/cm2
HB＝200～230 HB≤229 HRC 55～59 HRC 50～58
1.2 1 因碎裂严重无法称重 1.55～1.66
计算变形情况 变形较严重 变形较严重 无变形 无变形碎裂情况 无碎裂 无碎裂 碎裂严重(早期失效) 无碎裂使用寿命 较长，有时 较长，有时 较ZGMn13短，主要因碎 理想状态寿命较
变形严重会 变形严重会 裂严重而脱落造成失效。 ZGMn13延长55～66％，
早期失效 早期失效 无裂纹和变形，拆卸
维修较ZGMn13方便。安 全 性 较安全(不 较安全(不 不安全(断裂严重) 安全(正常运行无断裂)
会断裂) 会断裂)经 济 性 生产简便， 与ZGMn13比成本较高， 成本与ZGMn13相当或略低，
成本较低。 生产工艺不详。 生产工艺比ZGMn13略复杂。出 处 见陕西省韩 见陕西省韩 见陕西省韩城发电厂 见陕西省韩城发电厂运行
城发电厂运 城发电厂运 运行报告 报告
行报告 行报告
注：因工况如煤质，磨机结构等对使用者寿命等技术指标影响较大，故相互比较只能在相同工况下进行。
经上述指标对比，可见①提高铬Cr含量至4％以上，使组织中出现(FeCr)7C3型高硬度(HV1200～1800)硬质点相，以进一步增加耐磨性。②由于Cr含量增高，增加了淬透性，使空淬获得马氏体组织，简化热处理工艺，实现批量生产，质量稳定。本发明与现用的ZGMn13衬板比较，具有强度高，不变形、拆卸维修方便，耐磨性提高0.5～1倍，使用寿命长，韧性适中，不碎裂，可保证安全运行等优点。本发明与中高碳低合金钢衬板及高铬铸铁复合双金属衬板比较，具有工艺性能好，生产工艺简便易行，质量易于控制，成品率高，易于实现批量生产，成本相当或略低等优点(耐磨性优于一般中、高碳低合金钢)。
2、经多次试验，高碳中铬钢合金元素含量仅是ZGMn13的一半，耐磨性和使用时间按提高50％计，ZGMn13的平均寿命为4年，则高碳中铬钢为6年，以及能耗、检修、材料和人工等费用的降低，全国矿山、建材等系统有数万台磨，年需衬板20万吨，若全部改用高碳中铬钢，则能节约一亿四千万元，若再考虑少停机多发电，少烧油等因素，则能创造出更大的经济效益和社会效益。
3、经对本发明在试验室的各种试验和两家电厂大中型磨机的装机试运行，中国电力工业部科学技术司于1994年4月对高碳中铬钢球磨机衬板组织会议鉴定，鉴定委员会一致认为本发明具有良好的综合机械性能，安全可靠，又发挥了材料的耐磨性潜力；具有明显的经济效益；该技术居国内领先水平。