一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物及其热处理方法转让专利
申请号 : CN200810055263.7
文献号 : CN101294256B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 邢玉坤 , 冯建全 , 梁丕祥 , 刘兴东 , 杨文良
申请人 : 河北坤腾泵业有限公司
摘要 :
本发明涉及一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物及其热处理方法，更具体地，涉及一种承受伴有冲击的犁削磨损的立磨辊套和盘衬用的高抗磨GKMCr20铸铁及其热处理方法，该组合物，以质量百分数计，含有C：2.4％-3.2％、Si：0.4％-0.8％、Mn：0.6％-2.0％、Mo：0.5％-1.2％、Cr：18.0％-22.0％、W：0.8％-1.5％、Ni：0.3％-0.6％、Cu：0.8％-1.2％、Nb：0.06％-0.10％、V：0.08％-0.12％、Ti：0.08％-0.12％、RE：0.025％-0.050％，余量由Fe构成，热处理中采用双重回火处理方法，提高了抗磨性和韧性，延长了产品的使用寿命，并且降低了成本。
权利要求 :
1.一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物，其特征在于：以质量百分数计，含有C：2.4％-3.2％、Si：0.4％-0.8％、Mn：0.6％-2.0％、Cr：18.0％-22.0％、Mo：0.5％-1.2％、W：0.8％-1.5％、Ni：0.3％-0.6％、Cu：0.8％-1.2％、Nb：0.06％-0.10％、V：0.08％-0.12％、Ti：0.08％-0.12％、RE：0.025％-0.050％，余量由Fe构成，Cr与C的含量的比Cr/C为6.5-7.5的范围。
2.根据权利要求1所述的一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物，其特征在于：Mn与W的含量的积为1.0-2.5的范围，Cu与Ni的含量的和(Cu+Ni)为1.10-1.60的范围。
3.一种如权利要求1所述的用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物的热处理方法，其特征在于：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到980℃-1020℃，保温6-8h，进行空冷淬火；第二步，进行双重回火处理：第一次加热到425-475℃，保温4-6h后，进行空冷；第二次加热到200-250℃，保温4-6h后，再进行空冷。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物及其热处理方法，更具体地，涉及一种承受伴有冲击的犁削磨损的立磨辊套和盘衬用的高抗磨GKMCr20铸铁及其热处理方法。
背景技术
近年来，我国的水泥，电力等行业，日益广泛采用大型高效节能立式辊磨机粉碎物料，辊套和盘衬是该磨机的核心部件，也是主要易损件，是由铸造成形，经热处理和机械加工而制成的。它们的使用寿命直接影响立式磨机效益的发挥。辊套和盘衬属于厚大断面铸件，尤其是辊套，壁厚在150-300mm的范围，重量高达4-9t，同时对抗磨性，韧性和淬透性等都有很高的技术要求，所以在铸造、热处理和机加工等生产工艺环节具有较高的难度。
目前，国外常用镍硬(Ni-Hard4)铸铁，国内广泛采用KmTBCr20Mo铸铁作为一般立式磨机辊套和盘衬的材质。由于大型立式磨机的辊套和盘衬在碾压破碎物料时，受到更严重的反复多次犁削磨损，承受巨大的周期性的交变压应力和一定的冲击负荷；在大型立式磨机的运行中，物料中时常混有铁块(如断裂的锤头和斗齿等残体)和大块硬质物料，使磨机产生较大振动，所以大型立式磨机的服役条件更为恶劣，辊套和盘衬的磨损更为严重。对于大型立式磨机，镍硬(Ni-Hard4)铸铁和KmTBCr20Mo铸铁生产的辊套和盘衬，已经不能满足生产运行对其抗磨性和韧性的要求。
目前，国外常用镍硬(Ni-Hard4)铸铁，国内广泛采用KmTBCr20Mo铸铁作为一般立式磨机辊套和盘衬的材质。由于大型立式磨机的辊套和盘衬在碾压破碎物料时，受到更严重的反复多次犁削磨损，承受巨大的周期性的交变压应力和一定的冲击负荷；在大型立式磨机的运行中，物料中时常混有铁块(如断裂的锤头和斗齿等残体)和大块硬质物料，使磨机产生较大振动，所以大型立式磨机的服役条件更为恶劣，辊套和盘衬的磨损更为严重。对于大型立式磨机，镍硬(Ni-Hard4)铸铁和KmTBCr20Mo铸铁生产的辊套和盘衬，已经不能满足生产运行对其抗磨性和韧性的要求。
发明内容
本发明提供了一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨性和韧性的GKMCr20铸铁组合物，同时还提供了该铸铁组合物的热处理方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物，以质量百分数计，含有C：2.4％-3.2％、Si：0.4％-0.8％、Mn：0.6％-2.0％、Cr：18.0％-22.0％、Mo：0.5％-1.2％、W：0.8％-1.5％、Ni：0.3％-0.6％、Cu：0.8％-1.2％、Nb：0.06％-0.10％、V：0.08％-0.12％、Ti：0.08％-0.12％、RE：0.025％-0.050％，余量由Fe构成。
所述的一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物，Cr与C的含量的比Cr/C为6.5-7.5的范围，Mn与W的含量的积为1.0-2.5的范围，Cu与Ni的含量的和(Cu+Ni)为1.10-1.60的范围。
一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到980℃-1020℃，保温6-8h，进行空冷淬火；第二步，进行双重回火处理：第一次加热到425-475℃，保温4-6h后，进行空冷；第二次加热到200-250℃，保温4-6h后，再进行空冷。
该铸铁组合物具有以下优点：
(1)充分利用Mo、Cu、Ni和Mo、W、Mn这两组合金元素对提高GKMCr20铸铁淬透性的交互作用，通过多元合金化，提高淬透性，降低生产成本。
(2)为了保证GKMCr20铸铁具有抗磨性和韧性的良好配合，控制碳化物体积分数为30％左右，选择Cr与C的含量比Cr/C为6.5-7.5的范围。
(3)在GKMCr20铸铁中，Nb、V、Ti都是细化共晶组织很有效的合金元素，组织的细化可提高抗磨性和韧性，而且这三种元素组合加入效果更好。
(4)在GKMCr20铸铁中，共晶碳化物的形貌及分布是影响抗磨性和韧性的重要因素。RE变质处理可使长条状共晶碳化物碎化，变短，而且分布均匀，提高抗磨性和韧性。RE含量范围为0.025％-0.050％。
(5)在GKMCr20铸铁的显微组织中，当残余奥氏体量大于20％时，在严重反复受力和冲击条件下，辊套会先剥落后断裂。空冷淬火后，在425-475℃进行回火处理，可使大部分不稳定的奥氏体转变为马氏体，然后，在200-250℃再进行一次低温回火，使残余奥氏体转变的马氏体也得到回火。热处理后的显微组织为：共晶碳化物M7C3+二次碳化物+马氏体+残留奥氏体，残余奥氏体的体积率在15％以下。经过双重回火处理，不但减少了残余奥氏体量，提高了硬度，而且消除了残留应力，改善了韧性。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物，以质量百分数计，含有C：2.4％-3.2％、Si：0.4％-0.8％、Mn：0.6％-2.0％、Cr：18.0％-22.0％、Mo：0.5％-1.2％、W：0.8％-1.5％、Ni：0.3％-0.6％、Cu：0.8％-1.2％、Nb：0.06％-0.10％、V：0.08％-0.12％、Ti：0.08％-0.12％、RE：0.025％-0.050％，余量由Fe构成。
所述的一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物，Cr与C的含量的比Cr/C为6.5-7.5的范围，Mn与W的含量的积为1.0-2.5的范围，Cu与Ni的含量的和(Cu+Ni)为1.10-1.60的范围。
一种用于生产辊套和盘衬的高抗磨GKMCr20铸铁组合物的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到980℃-1020℃，保温6-8h，进行空冷淬火；第二步，进行双重回火处理：第一次加热到425-475℃，保温4-6h后，进行空冷；第二次加热到200-250℃，保温4-6h后，再进行空冷。
该铸铁组合物具有以下优点：
(1)充分利用Mo、Cu、Ni和Mo、W、Mn这两组合金元素对提高GKMCr20铸铁淬透性的交互作用，通过多元合金化，提高淬透性，降低生产成本。
(2)为了保证GKMCr20铸铁具有抗磨性和韧性的良好配合，控制碳化物体积分数为30％左右，选择Cr与C的含量比Cr/C为6.5-7.5的范围。
(3)在GKMCr20铸铁中，Nb、V、Ti都是细化共晶组织很有效的合金元素，组织的细化可提高抗磨性和韧性，而且这三种元素组合加入效果更好。
(4)在GKMCr20铸铁中，共晶碳化物的形貌及分布是影响抗磨性和韧性的重要因素。RE变质处理可使长条状共晶碳化物碎化，变短，而且分布均匀，提高抗磨性和韧性。RE含量范围为0.025％-0.050％。
(5)在GKMCr20铸铁的显微组织中，当残余奥氏体量大于20％时，在严重反复受力和冲击条件下，辊套会先剥落后断裂。空冷淬火后，在425-475℃进行回火处理，可使大部分不稳定的奥氏体转变为马氏体，然后，在200-250℃再进行一次低温回火，使残余奥氏体转变的马氏体也得到回火。热处理后的显微组织为：共晶碳化物M7C3+二次碳化物+马氏体+残留奥氏体，残余奥氏体的体积率在15％以下。经过双重回火处理，不但减少了残余奥氏体量，提高了硬度，而且消除了残留应力，改善了韧性。
附图说明
本发明的上述方面和其他特征将在以下结合附图的描述中解释；其中：
图1为本发明实施例的显微照片。
图2为本发明实施例的显微照片
图3为比较例的显微照片。
图4为比较例的显微照片。
图5为本发明实施例与比较例抗磨性试验结果图。
图1为本发明实施例的显微照片。
图2为本发明实施例的显微照片
图3为比较例的显微照片。
图4为比较例的显微照片。
图5为本发明实施例与比较例抗磨性试验结果图。
具体实施方式
在下文中，参考附图和图表详细描述本发明的实施例。
一般来说，国内广泛采用KmTBCr20Mo铸铁作为一般立式磨机辊套和盘衬的材质，因此把KmTBCr20Mo铸铁为比较例。用德国Ac/V型直读式光谱仪分析产品的化学成分。KmTBCr20Mo铸铁的化学成分见表1，本发明GKMCr20铸铁的化学成分见表2。
表1
比较例 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu 1 2.89 0.61 0.81 0.049 0.040 20.5 1.99 0.65 0.71 2 2.88 0.51 0.79 0.051 0.047 20.3 1.95 0.69 0.64 3 2.85 0.55 0.75 0.039 0.048 19.8 2.06 0.67 0.68
表2
实 施 例 C Si Mn P S Cr Mo W Ni Cu Nb V Ti RE 1-1 2.86 0.57 1.50 0.047 0.021 20.1 0.75 1.05 0.41 1.05 0.081 0.090 0.081 0.031 1-2 2.88 0.62 1.54 0.049 0.025 19.8 0.78 1.04 0.44 1.02 0.078 0.085 0.084 0.035 1-3 2.85 0.51 1.51 0.046 0.020 19.5 0.74 1.02 0.43 1.04 0.075 0.087 0.090 0.033
抗磨性和韧性同KmTBCr20Mo铸铁相比，虽然GKMCr20铸铁增添了W、Nb、V、Ti、RE等合金元素，但减了价格昂贵的Mo元素的加入量，以目前金属炉料的市场价格计算，GKMCr20铸铁辊套和盘衬的生产成本比KmTBCr20铸铁每吨降低1000元左右。
Nb、V、Ti都是细化共晶组织很有效的合金元素，组织的细化可提高，RE变质处理可使长条状共晶碳化物碎化，变短，而且分布均匀，提高抗磨性和韧性。
实施例2-1，GKMCr20铸铁化学成分含量如实施例1-1的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到980℃，保温8h，进行空冷淬火。第二步，进行双重回火处理：第一次加热到450℃，保温5h后，进行空冷；第二次加热到200℃，保温6h后，再进行空冷。
实施例2-2，GKMCr20铸铁化学成分含量如实施例1-1的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到1000℃，保温7h，进行空冷淬火。第二步，进行双重回火处理：第一次加热到425℃，保温5h后，进行空冷；第二次加热到225℃，保温5h后，再进行空冷。
实施例2-3，GKMCr20铸铁化学成分含量如实施例1-1的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到1020℃，保温6h，进行空冷淬火。第二步，进行双重回火处理：第一次加热到475℃，保温4h后，进行空冷；第二次加热到200℃，保温4h后，再进行空冷。
依照实施例2-1所得的GKMCr20铸铁的物理性能如下：
参照图1、图2、图3、图4中，是用XJP-3C型双目金相显微镜观察和分析纤维组织。KmTBCr20Mo铸铁和本发明的显微组织均为：共晶碳化物M7C3+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体。但是，KmTBCr20Mo铸铁中，先共晶奥氏体的树枝晶较粗大，共晶碳化物大部分呈长条状和不连续网状，分布不均匀。而在GKMCr20铸铁中，由于Nb、V、Ti微合金化和RE变质作用，先共晶奥氏体的树枝晶显著细化，长条状共晶碳化物碎化，变短，趋于形成孤立块状，而且分布均匀。
表3为KmTBCr20Mo铸铁与GKMCr20铸铁的在HR-150A型洛氏硬度计上检测试样硬度HRC实验结果对比表，从表中可得出GKMCr20铸铁的硬度高于KmTBCr20Mo铸铁的。
表3
试样编号 1 2 3 4 5 平均值 KmTBCr20Mo 58.2 58.5 59.1 59.5 58.1 58.7 GKMCr20 61.2 60.8 62.1 61.7 62.5 61.7
在JB-300型冲击试验机上测定KmTBCr20Mo铸铁与GKMCr20铸铁的冲击韧度，试块尺寸为150X150X20mm无缺口，其实验结果对比见表4，GKMCr20铸铁的冲击韧度比KmTBCr20Mo铸铁的高。
表4
试样编号 1 2 3 4 5 平均值 KmTBCr20Mo 5.12 5.94 5.25 5.51 5.89 5.54 GKMCr20 9.06 9.11 8.79 8.86 9.22 9.00
参照图5，抗磨试验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行，上试样尺寸为10X10X30mm，下试样材料为35CrMnMo，HRC58-60，磨料为40-70目石英砂，流量12kg/h，冲击次数50次/分，冲击功1.5J。试验前试样跑合5分钟，运行2小时后测量失重值，磨损数据取三个试样的平均值。得出GKMCr20铸铁的抗磨性比KmTBCr20Mo铸铁的高。
将生产的KmTBCr20Mo铸铁和GKMCr20铸铁辊套产品，在水泥厂的大型立式磨机上进行了现场装机生产试验，GKMCr20铸铁辊套的平均使用寿命比KmTBCr20Mo铸铁增加了656小时。完全满足了大型立式磨机，对辊套使用寿命达到8000小时以上的要求。其实验结果见表5。
表5
注：粉磨原料综合水分5％-6％，易磨损指标TMF＞0.9
一般来说，国内广泛采用KmTBCr20Mo铸铁作为一般立式磨机辊套和盘衬的材质，因此把KmTBCr20Mo铸铁为比较例。用德国Ac/V型直读式光谱仪分析产品的化学成分。KmTBCr20Mo铸铁的化学成分见表1，本发明GKMCr20铸铁的化学成分见表2。
表1
比较例 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu 1 2.89 0.61 0.81 0.049 0.040 20.5 1.99 0.65 0.71 2 2.88 0.51 0.79 0.051 0.047 20.3 1.95 0.69 0.64 3 2.85 0.55 0.75 0.039 0.048 19.8 2.06 0.67 0.68
表2
实 施 例 C Si Mn P S Cr Mo W Ni Cu Nb V Ti RE 1-1 2.86 0.57 1.50 0.047 0.021 20.1 0.75 1.05 0.41 1.05 0.081 0.090 0.081 0.031 1-2 2.88 0.62 1.54 0.049 0.025 19.8 0.78 1.04 0.44 1.02 0.078 0.085 0.084 0.035 1-3 2.85 0.51 1.51 0.046 0.020 19.5 0.74 1.02 0.43 1.04 0.075 0.087 0.090 0.033
抗磨性和韧性同KmTBCr20Mo铸铁相比，虽然GKMCr20铸铁增添了W、Nb、V、Ti、RE等合金元素，但减了价格昂贵的Mo元素的加入量，以目前金属炉料的市场价格计算，GKMCr20铸铁辊套和盘衬的生产成本比KmTBCr20铸铁每吨降低1000元左右。
Nb、V、Ti都是细化共晶组织很有效的合金元素，组织的细化可提高，RE变质处理可使长条状共晶碳化物碎化，变短，而且分布均匀，提高抗磨性和韧性。
实施例2-1，GKMCr20铸铁化学成分含量如实施例1-1的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到980℃，保温8h，进行空冷淬火。第二步，进行双重回火处理：第一次加热到450℃，保温5h后，进行空冷；第二次加热到200℃，保温6h后，再进行空冷。
实施例2-2，GKMCr20铸铁化学成分含量如实施例1-1的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到1000℃，保温7h，进行空冷淬火。第二步，进行双重回火处理：第一次加热到425℃，保温5h后，进行空冷；第二次加热到225℃，保温5h后，再进行空冷。
实施例2-3，GKMCr20铸铁化学成分含量如实施例1-1的热处理方法：第一步：将铸铁组合物放入电阻炉内，加热到1020℃，保温6h，进行空冷淬火。第二步，进行双重回火处理：第一次加热到475℃，保温4h后，进行空冷；第二次加热到200℃，保温4h后，再进行空冷。
依照实施例2-1所得的GKMCr20铸铁的物理性能如下：
参照图1、图2、图3、图4中，是用XJP-3C型双目金相显微镜观察和分析纤维组织。KmTBCr20Mo铸铁和本发明的显微组织均为：共晶碳化物M7C3+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体。但是，KmTBCr20Mo铸铁中，先共晶奥氏体的树枝晶较粗大，共晶碳化物大部分呈长条状和不连续网状，分布不均匀。而在GKMCr20铸铁中，由于Nb、V、Ti微合金化和RE变质作用，先共晶奥氏体的树枝晶显著细化，长条状共晶碳化物碎化，变短，趋于形成孤立块状，而且分布均匀。
表3为KmTBCr20Mo铸铁与GKMCr20铸铁的在HR-150A型洛氏硬度计上检测试样硬度HRC实验结果对比表，从表中可得出GKMCr20铸铁的硬度高于KmTBCr20Mo铸铁的。
表3
试样编号 1 2 3 4 5 平均值 KmTBCr20Mo 58.2 58.5 59.1 59.5 58.1 58.7 GKMCr20 61.2 60.8 62.1 61.7 62.5 61.7
在JB-300型冲击试验机上测定KmTBCr20Mo铸铁与GKMCr20铸铁的冲击韧度，试块尺寸为150X150X20mm无缺口，其实验结果对比见表4，GKMCr20铸铁的冲击韧度比KmTBCr20Mo铸铁的高。
表4
试样编号 1 2 3 4 5 平均值 KmTBCr20Mo 5.12 5.94 5.25 5.51 5.89 5.54 GKMCr20 9.06 9.11 8.79 8.86 9.22 9.00
参照图5，抗磨试验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行，上试样尺寸为10X10X30mm，下试样材料为35CrMnMo，HRC58-60，磨料为40-70目石英砂，流量12kg/h，冲击次数50次/分，冲击功1.5J。试验前试样跑合5分钟，运行2小时后测量失重值，磨损数据取三个试样的平均值。得出GKMCr20铸铁的抗磨性比KmTBCr20Mo铸铁的高。
将生产的KmTBCr20Mo铸铁和GKMCr20铸铁辊套产品，在水泥厂的大型立式磨机上进行了现场装机生产试验，GKMCr20铸铁辊套的平均使用寿命比KmTBCr20Mo铸铁增加了656小时。完全满足了大型立式磨机，对辊套使用寿命达到8000小时以上的要求。其实验结果见表5。
表5
注：粉磨原料综合水分5％-6％，易磨损指标TMF＞0.9