一種混凝土濕噴機(jī)襯板材料的研究及應(yīng)用

摘要：本文設(shè)計(jì)出耐磨合金鑄鋼襯板化學(xué)成分和制造工藝，并與高鉻鑄鐵襯板試樣進(jìn)行硬度、耐磨性、韌性、金相對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，該耐磨合金鑄鋼綜合性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：混凝土濕噴機(jī) 襯板 合金鑄鋼 耐磨性 韌性

引言

混凝土濕噴機(jī)襯板是用于工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子與結(jié)合板之間的一種耐磨板，在工作中主要受系統(tǒng)的振動(dòng)、沖擊及與工作介質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦剪切力，其失效形式有裂紋、斷裂和快速磨損。目前濕噴機(jī)襯板的材料主要是高鉻鑄鐵，其組織中含有超過20 %的高硬度共晶碳化物，基體為高碳馬氏體[1]，該材料具有優(yōu)異的耐磨性，但是其合金元素含量高、生產(chǎn)成本高及高溫?zé)崽幚硪鬃冃魏蛿嗔选?jù)某企業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，高鉻合金襯板在生產(chǎn)制造過程的合格品率不到70%。[2-4]

為解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)出一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、韌性高、淬透性與淬硬性好耐磨合金鑄鋼材料，代替目前廣泛使用的普通高鉻鑄鐵材料，是一個(gè)研究方向。耐磨合金鑄鋼是一種新型耐磨材料，以鉻、鉬為主要合金元素，其組織特點(diǎn)是在貝氏體基體上鑲嵌有硬度高、熱穩(wěn)定性好的碳化物[1]，確保耐磨合金鑄鋼在具有優(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。基于此，筆者設(shè)計(jì)一種多元合金鑄鋼制造成襯板，對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1試件制備與試驗(yàn)方法

1.1襯板的制造

1.1.1.襯板結(jié)構(gòu)說明

混凝土濕噴機(jī)襯板是一種圓形板狀件，其結(jié)構(gòu)見圖1，外圓直徑為Ф510mm，厚度為20mm，在Ф350的分度上均勻分布有9個(gè)Ф102孔。按照設(shè)計(jì)要求，襯板上下兩個(gè)平面粗糙度小于Ra1.6，需要磨削加工。

1.1.2.化學(xué)成分設(shè)計(jì)

高鉻鑄鐵襯板化學(xué)成分按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T8263-1999抗磨白口鑄鐵件要求，分別選取KmTBCr8、KmTBCr12、KmTBCr26作為該試樣材料的設(shè)計(jì)牌號(hào)。

1.1.3.鑄造工藝

（1）高鉻鑄鐵

在1t 酸性中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐中冶煉。按照下緊上松的原則裝入少量錳鐵、硅鐵和大部分鉬鐵、生鐵、廢鋼及大部分鉻鐵。爐前調(diào)整成分，合格后將溫度升至1480～1560℃，加入錳鐵、硅鐵及鋁進(jìn)行脫氧。鐵液在澆包內(nèi)鎮(zhèn)靜后澆注，澆注溫度在1380～1450℃之間；采用15～25°傾斜澆鑄工藝；澆注后8 h，當(dāng)鑄件表面溫度不超過400 ℃同時(shí)不低于200℃時(shí)，開箱脫模，清理澆冒口。鑄件進(jìn)行高溫軟化退火處理。

（2）耐磨合金鑄鋼

在1t 酸性中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐中冶煉。熱爐裝料，少量硅鐵、錳鐵以及大部分鉬鐵和鉻鐵隨料裝入。爐前調(diào)整成分，合格后將溫度升至1600～1640℃，鋼水經(jīng)鋁脫氧后出爐，在澆包內(nèi)預(yù)先放置含稀土、釩、硼、鈦等的復(fù)合變質(zhì)劑，用沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行微合金化和變質(zhì)處理；澆注溫度1520～1580℃，采用平作立澆工藝；澆注后8 h，當(dāng)鑄件表面溫度不超過400 ℃同時(shí)不低于200℃時(shí)，開箱脫模，清理澆冒口。鑄件進(jìn)行高溫軟化退火處理。

1.1.4.機(jī)械加工工藝

襯板的機(jī)加工工藝為：車外圓、平面、鉆鏜中心孔→鏜9個(gè)Ф102孔→鉆定位銷孔→淬火、回火→磨平面。

1.1.5.熱處理工藝

襯板的熱處理工藝見圖2，分淬火和回火兩道工序。

如圖所示，高鉻鑄鐵用鹽浴爐加熱保溫，需要控制其升溫速度不高于80℃/h，襯板在油中淬火時(shí)間不少于30分鐘；合金鑄鋼升溫至880～920℃，保溫2h后進(jìn)行等溫鹽浴淬火，淬火溫度為180～220℃，鹽浴保溫1h后空冷，選擇此淬火工藝是為了減少淬火變形，同時(shí)獲得馬氏體和下貝氏體的復(fù)合組織；另外，為盡量消除淬火應(yīng)力，還增加回火工序，回火溫度控制在220～270℃。

1.2.試驗(yàn)方法

高鉻鑄鐵襯板按照牌號(hào)KmTBCr9、KmTBCr12、KmTBCr26分別制造出3種襯板。

按照設(shè)計(jì)的耐磨合金鑄鋼化學(xué)成分，在其范圍內(nèi)調(diào)整各元素的比例，制造出3種襯板。

采用電火花線切割機(jī)在材料分別為高鉻鑄鐵、耐磨合金鑄鋼的襯板本體上9個(gè)孔部邊緣切取試樣，將其制作成蝶形試樣和邊長(zhǎng)15mm的立方體試樣。

采用光電發(fā)射光譜分析方法分析試樣的化學(xué)成分；采用洛氏硬度儀測(cè)試其硬度；按GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行試樣沖擊韌性試驗(yàn)；按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T12444.1-1990金屬磨損試驗(yàn)方法MM型磨損試驗(yàn)》的規(guī)定，在M-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)蝶形試樣進(jìn)行滑動(dòng)摩擦純磨損試驗(yàn)，條件：磨擦副材料為硬質(zhì)合金（Ф外=40mm，HV0.1=1380），軸轉(zhuǎn)速200rpm，載荷為40N，采用失重法測(cè)定磨損量，稱量天平的精度為0.0001g；在金相試驗(yàn)儀上對(duì)立方體試件進(jìn)行金相分析。

1.3.試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1.化學(xué)成分分析

將高鉻鑄鐵和耐磨合金鑄鋼兩種材料分別取3組試樣的分析其化學(xué)成分，結(jié)果見表2。

由表2可見，高鉻鑄鐵試樣的成分特點(diǎn)為高碳高鉻，其中試樣3的鉻含量較試樣1高；耐磨合金鑄鋼試樣的成分特點(diǎn)是中碳低鉻，其中試樣3的碳、錳、鉻、鉬含量均較1試樣高。

2.2.硬度、耐磨性和沖擊韌性

試樣洛氏硬度值和沖擊韌性結(jié)果見表3。

金屬材料表面宏觀硬度與其耐磨性的一般規(guī)律是，表面硬度越高，相對(duì)耐磨性越好。從表3可以看出，高鉻鑄鐵的硬度明顯高于耐磨合金鑄鋼，理論上的耐磨性會(huì)強(qiáng)于耐磨合金鑄鋼；從圖1和表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了高鉻鑄鐵的實(shí)驗(yàn)室耐磨性略高于耐磨合金鑄鋼。

另一方面，高鉻鑄鐵的沖擊韌性基本為0，接近于脆性材料，因此在生產(chǎn)制造和使用過程中出現(xiàn)裂紋，是一種普遍現(xiàn)象。

2.3.金相組織

由圖4可見，高鉻鑄鐵試樣的組織為珠光體+萊氏體，為亞共晶白口鑄鐵；由圖5可見，耐磨合金鑄鋼試樣為馬氏體和貝氏體組織。

由圖6可見，耐磨合金鑄鋼試樣中均勻分布細(xì)小白色的碳化物顆粒，由圖7試樣1和3的同倍數(shù)電鏡照片對(duì)比可以看出，試樣3中細(xì)小白色的碳化物顆粒多于試樣1，其洛氏硬度檢測(cè)相同，但其耐磨性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)好于試樣1，說明組織中的白色的碳化物是耐磨合金鑄鋼耐磨性的重要表征，在下文中的工程應(yīng)用中也得到了驗(yàn)證。

3.工程應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證耐磨合金鑄鋼材料的工藝性能，將耐磨合金鑄鋼進(jìn)行噴射混凝土應(yīng)用試驗(yàn)。其具體應(yīng)用數(shù)據(jù)和失效狀態(tài)見表5和圖8～9。

由表5可看出，高鉻鑄鐵襯板平均壽命450 m3/件，而耐磨合金鑄鋼襯板的平均壽命為766m3/件，雖然高鉻鑄鐵磨損失效的使用壽命高于合金鑄鋼，但是其大部分失效為斷裂，直接影響設(shè)備正常使用，而耐磨合金鑄鋼失效形式均為磨損。

4.結(jié)論

4.1.用于制造襯板類特殊零件，耐磨合金鑄鋼的耐磨性略低于高鉻鑄鐵，但其綜合使用壽命遠(yuǎn)高于高鉻鑄鐵，可以代替高鉻鑄鐵應(yīng)用于有高耐磨性要求的工況下，具有應(yīng)用價(jià)值。

4.2.從耐磨合金鑄鋼與高鉻鑄鐵的化學(xué)成分可以看出，在耐磨合金鑄鋼的鉻含量遠(yuǎn)低于高鉻鑄鐵，其機(jī)械加工性能和合格品率優(yōu)于高鉻鑄鐵，生產(chǎn)成本具有較大優(yōu)勢(shì)。

4.3.耐磨合金鑄鋼抗沖擊性能優(yōu)于高鉻鑄鐵，滿足濕噴機(jī)襯板的應(yīng)用要求。

4.4.以上化學(xué)成分微調(diào)試件的金相組織、耐磨性對(duì)比試驗(yàn)表明，耐磨合金鑄鋼因其合金元素含量上的差異，其金相組織和耐磨性顯著不同。

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