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    球磨機在粉磨物料時襯板是主要的消耗材料之一，對襯板的材質(zhì)要求是既要有好的韌性又要有很好的耐磨性。在我國，幾十年來球磨機襯板的材質(zhì)主要以高錳鋼為主，由于其性能穩(wěn)定，安全可靠，故延續(xù)至今。盡管中低合金鋼襯板在中小磨機上有所應用，但因其生產(chǎn)工藝復雜，品質(zhì)不穩(wěn)定，應用十分有限。
    高錳鋼作為一種優(yōu)良的耐磨材料其使用是有條件的，只有在服役時受到足夠沖擊（強力沖擊、強力擠壓）的條件下，高韌性的奧氏體組織會因變形產(chǎn)生冷作硬化，表面硬度由HB170—230迅速增至HB500以上，從而獲得高的耐磨性。當其用作磨機襯板材料時，由于受到的沖擊力有限，表面硬度較低，表現(xiàn)出耐磨性不佳，高錳鋼的潛在能力不能得到充分發(fā)揮。為了改變高錳鋼耐磨性受約于使用條件的情況，幾十年來，材料工作者進行了大量的研究，概括起來有以下幾個方面：①在標準高錳鋼成分基礎上進行合金化，即添加Cr、Mn、V、T、RE等合金元素；②制定新的彌散強化工藝；③進行表面強化（如擠壓表面、強化爆炸、表面強化、表面噴涂、堆焊耐磨合金等）。
中州鋁廠有大小磨機20余臺，襯板消耗量巨大。為了提高襯板的使用壽命．降低消耗，筆者結合自身的設備、工藝狀況，參照國內(nèi)外有關高錳鋼的技術標準，在GMn13的基礎上，通過合金化和改變傳統(tǒng)水韌處理工藝，開發(fā)生產(chǎn)了ZCMn13Cr2RE強韌性高錳鋼襯板。生產(chǎn)實踐表明，該材質(zhì)使用效果良好，經(jīng)濟技術效益顯著。
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1、化學成分的確定
1.1碳。在高錳鋼中C是影響耐磨性的主要因素之一，在其它元素不變的情況下，增加含C量將明顯增加耐磨性；但含C量又會影響奧氏體晶粒中層錯的形成，降低加工硬化能力。考慮襯板的尺寸和受力情況，確定含C量為1.25%—1.35%。1.2錳。Mn是保證得到奧氏體組織的元素，降低Mn量，能使奧氏體層錯能下降，提高高錳鋼的加工硬化能力，取11%～13%Mn。
13鉻。Cr作為合金元素加入高錳鋼中，可置換滲碳體中部分鐵原子，形成鉻合金滲碳體(FeCr)3C。該合金滲碳體比Fe3C滲碳體穩(wěn)定，而且在水韌處理時不易聚集、溶解，并阻礙奧氏體晶粒長大；該合金滲碳體呈晶粒狀、島狀形式，彌散分布在鋼中，是高韌性的奧氏體基體上分布著彌散碳化物硬質(zhì)點，提高耐磨性。另外，Cr原子易偏聚阻礙位錯運動，使鋼受外力時滑移阻力增強，提高加工硬化能力和硬化效果，表面(0.01mm)加工硬化可達HB550以上。當Cr的含量小于2%時，Cr在鋼中起固溶作用，能提高鋼的淬透性和塑性。Cr的原子半徑為1.285A，其結構與Fe原子相近(Fe原子半徑為1.27A)，原子半徑差小于8%，所以說，Cr可以占據(jù)Fe原子的位置，形成連續(xù)性的置換固溶體，使晶格發(fā)生正畸變，導致局部晶格能量上升，明顯提高鋼的綜合力學性能，提高鋼的屈服強度，抗拉強度及抗磨性。鑒于以上分析，Cr含量取1.5%~2.5%。
1.4稀土。RE加入高錳鋼中能有效地改善力學性能，增強抗磨性，延長使用壽命。RE有優(yōu)良的脫氣作用。RE在高溫下與氮形成氮化物，有良好的固氮脫氣作用。RE與氧的親和力非常強，超過了鋁，僅次于鈣，極易與氧合成高熔點的氧化物。RE對鋼有脫硫除渣，凈化鋼液作用。RE不僅直接與S化合，而且又能奪取FeS或其它硫化物中的硫，當鋼液中RE達0.1%后，(MnFe)S基本消除。RE能改善鋼晶粒組織，有消除柱狀晶，細化晶粒作用，減輕裂紋傾向。RE加入鋼液中，起激冷作用，形成晶核，導致晶粒細化，消除鑄態(tài)中柱狀晶。另外RE能降低鋼液與晶體的表面張力，是鋼的表面活性物質(zhì)，促使晶核形成，并阻礙晶粒長大，縮短柱狀晶，消除穿晶，對消除奧氏體高錳鋼柱狀晶組織有特殊作用。再者，隨著鋼中RE的增加，碳化物數(shù)量不斷減少，同時網(wǎng)狀碳化物逐漸變成條狀和球狀呈孤立島狀，從而也促進了組織細化。除此之外，RE還易于晶界低熔點雜質(zhì)作用，并積聚于晶界中對P產(chǎn)生排斥作用，能減輕和消除P造成的沿晶斷裂，從而降低高錳鋼的熱裂傾向。RE能減緩和阻止高錳鋼在時效沉淀硬化處理時奧氏體中二次碳化物和鉻相的析出和粗化。固溶于鋼中的RE會有限偏聚與晶界位錯處，在時效過程中會有效的阻止奧氏體中碳鉻沿界晶析出和長大。一般認為，RE殘留量應控制在0.08%～0.1%之間。1．S硫、磷。S、P作為有害物質(zhì)應嚴格控制，S<0.05%．P<0.08%。1.6綜合以上，我們確定了強韌性高錳鋼的化學成分為：1.25%—1.35%C,0.3% -0.8% Si,11%~13%Mn,1.5%—2.5%Cr,0.08%～0.1%RE.《0.05%S ,<0.08%P.
2、水韌處理工藝的確定
2.1 ZMn13的鑄態(tài)組織
    鑄態(tài)高錳鋼的組織為A+K+P少，因澆注冷卻過程中(FeMn)3C沿奧氏體晶界析出，導致力學性能惡化，塑性低，脆性大；而且高錳鋼在鑄態(tài)冷凝結晶時易產(chǎn)生粗大柱狀晶粒，其碳化物易成網(wǎng)狀和塊狀，碳化物大量析出與聚集，降低奧氏體中碳濃度。因此，鑄態(tài)高錳鋼未經(jīng)水韌處理不能使用。
    高錳鋼鑄件經(jīng)不同溫度加熱，組織會發(fā)生如下轉變：<400℃無碳化物析出，加熱至500℃析出少量細粒碳化物；至600℃接近下臨界溫度ACl(ZGMn13為650—690℃)時析出大量細小粒狀和片狀碳化物，形成大量屈氏體組織；至720℃全部被溶解；至800℃大部分鑄態(tài)粗網(wǎng)碳化物溶解，但晶界上殘留細粒團、片狀屈氏體；加熱至900～950℃時，鑄態(tài)粗條狀，網(wǎng)狀碳化物全部溶解；加熱至950—1100℃時僅殘留一些高熔點的碳化物未溶解。總之，加熱至400℃以上AC，臨界點以下范圍內(nèi)，溫度愈高，析出次生脆性相碳化物愈多，至接近AC．點時，析出細小片狀碳化物組成的屈氏體愈多，熱裂傾向增加，在AC．以上保溫，溫度愈高碳化物脆性相溶解愈多，塑性較高，降低熱應力和組織應力，降低淬裂傾向。高錳鋼鑄件重新加熱與隨后水韌處理冷卻速度快慢可形成多相和單相組織，多相組織不適合襯板的性能要求和使用技術條件，將ZGMn13加熱至AC3上臨界溫度以上充分保溫后快冷（水冷）可獲得單一奧氏體組織。
2.2水韌工藝對ZGMn13組織性能的影響
    ZGMn13采用不同水韌溫度，不同加熱保溫時間，不同冷卻速度，將嚴重影響ZGMn13的組織和性能。
    永韌加熱溫度過低，碳化物溶解不充分，淬火后基體組織有碳化物；水韌溫度過高，引起奧氏體晶粒長大，降低鋼的強韌性且易導致氧化、脫碳、脫錳，一般選取105℃左右為宜。
    永韌處理應有足夠的保溫時間，ZGMn13組織較粗，導熱性差，碳化物在不同溫度有一定的溶解度，只有足夠的保溫時間才能使較粗的碳化物充分溶解，保溫時間應視鑄件大小而定。
    冷卻速度愈快，水溫愈低，碳化物不易從奧氏體中析出，愈不易產(chǎn)生淬火裂紋；反之，會獲得性能較差的雙相組織。一般采用冷水淬火，并且水要流動，水溫不超過48℃。
2.3強韌性高錳鋼水韌處理工藝的確定
    強韌性高錳鋼中由于鉻的存在，鑄態(tài)組織中碳化物數(shù)量增多，且往往在晶界形成連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，若按一般水韌加熱溫度進行處理，含Cr的碳化物難以溶解，需在常規(guī)的處理溫度上提高30—50℃或增加保溫時間。
    在升溫速度上，為避免較大熱應力，應低溫入爐，以≤100℃/h的加熱速度直接升至水韌加熱溫度，取消650—700℃保溫段，因為這個溫度預熱保溫易沿奧氏體晶界析出脆性碳化物，惡化水韌處理后組織韌性．。
3試驗結果及分析
3.1試驗用鋼在0.5t中頻爐中熔煉，爐前用RE變質(zhì)。RE的化學成分見表1，試驗用鋼的具體成分見表2。
3.2水韌處理工藝對組織性能影響的試驗
試驗試樣為基爾試樣，性能及組織按照高錳鋼
3.3金相組織
    從水韌處理工藝性試驗的過程中，通過顯微組織的觀察，強韌性高錳鋼經(jīng)過l0OO—llO0℃之間水韌處理后，組織中非金屬夾雜物均不超過2A，組織中均未發(fā)現(xiàn)過熱碳化物。
3.4結果分析
    從表3中可以得出，改良后的合金化高錳鋼奧氏體鋼的力學性能。和HB值均有明顯增加，且奧氏體組織中保存有高熔點，難溶解呈彌散性分布的硬質(zhì)點，有效的提高了鑄件的起始硬度，耐磨性好韌性顯著提高，這是Cr和RE共同作用的結果。從試驗結果看，合金成分是合理的，水韌處理工藝采用1050—1100℃水韌加熱溫度是合適的。
4、襯板的生產(chǎn)及工業(yè)試驗
4.1襯板的生產(chǎn)
    試驗襯板為中鋁∮2600mmx13000mm管磨中的1倉襯板，襯板的生產(chǎn)在500kg中頻爐中進行，冶煉工藝同試驗冶煉工藝，爐前包內(nèi)沖入0.2%RE，RE用前加熱處理(200～300℃)除去水分，粒度控制在5~10mm．出爐溫度控制在1460—1480℃，澆注溫度1380—1400℃。襯板造型用水玻璃砂，吹C02氣體硬化，涂鎂砂粉醇基涂料，鑄件冷卻至200℃以下打箱落砂，對無缺陷的襯板進行熱處理，工藝如圖l。
4.2工業(yè)試驗
    襯板的工業(yè)試驗2003年10月28日在中鋁氧化鋁二車間的2號∮2600mmx13000mm原料磨的1倉中試驗，礦石為鋁礬土礦，研磨體為低鉻合金磨球，2004年9月27日結束，歷時近一年，實際運轉近5500h，比襯板的歷史平均壽命3600h提高1900多小時，壽命提高了50%以上，這樣不僅節(jié)約了材料費用，而且減少了更換襯板次數(shù)和費用，經(jīng)濟技術效益顯著。
5、結論
    (1)在ZCMn13中加入Cr、RE等合金元素能有效的改善高錳鋼的組織，提高高錳鋼的起始硬度，增加耐磨性，增強屈服強度，充分發(fā)揮高錳鋼耐磨潛力，在各種應力作用下均有優(yōu)良耐磨性。
    (2)在高錳鋼的水韌工藝中取消650～700℃保溫過程，緩慢升溫，充分保溫，足夠水韌加熱溫度和快的冷卻速度是保證水韌處理品質(zhì)的重要因素。
    (3)用強韌性高錳鋼制作襯板，特別是大型磨機的襯板壽命是原來的1.5倍，而且安全可靠，經(jīng)濟技術效益是十分明顯的。