1  前言

　　目前我国的球磨机衬板主要以高锰钢为主，其代表钢种为ZGMnl3。由于其具有加工硬化的特性，可借助磨球及物料的撞击达到硬化的效果，但是球磨机衬板受到的主要是从高处下落的磨球和物料对堆积层进行的间接冲击^[1]，较小的冲击强度导致强化效果不明显，因而高锰钢在作为衬板使用时会产生筒体变形开裂等问题^[2]。除高锰钢外，使用较为广泛的球磨机衬板材料还有低中碳合金耐磨钢和高铬铸铁等^[3]。低中碳合金耐磨钢往往淬透性不足；高铬铸铁的生产成本高且高温热处理后易发生变形开裂^[4]。因此，研发生产工艺简单、成本低、强韧性高且淬透性与淬硬性好的球磨机衬板材料非常必要^[5]。
　　基于衬板材料的服役条件，在进行材料选择时，首先考虑材料的强度，在组织上希望得到细小的马氏体和适量的碳化物；另一方面材料应具有较好的耐磨性，同时需要一定的冲击性能，以保证材料在使用过程中不会产生断裂失效。本文对球磨机衬板用中碳铬钼合金钢进行了研究，通过加入碳化物形成元素Cr、Mo、Mn和非碳化物形成元素Si^[4]来增加钢中碳化物含量，使其具有足够的淬透性；经热处理后获得马氏体+碳化物+残余奥氏体组织，达到硬度和韧性的良好匹配。

2  化学成分设计

　　碳是保证钢铁材料硬度和耐磨性的重要元素，但对淬火、回火钢而言，碳含量过高时淬火后会得到粗大的马氏体组织，导致脆性增大，因此，本文控制碳含量在中、低碳范围。硅在合金钢中的主要作用是固溶强化，但硅会降低钢的韧性^[6]。锰可以提高钢的淬透性，是耐磨钢中不可缺少的主要合金元素之一，但其含量过高时会增加材料的回火脆性，对淬火、回火钢的性能影响很大^[7]。铬在钢铁材料中可部分形成多种碳化物，起弥散强化作用，另一部分固溶于基体中，固溶强化同时细化晶粒，但成本较高，并会增大回火脆性^[8]。钼能显著提高材料的淬透性，固溶强化基体，细化晶粒，单独加入时能增加钢的回火脆性，但与Cr、Mn混合使用时能减少回火脆性，增强材料的韧性和抗疲劳能力。
　　因此，本实验选用中碳铬钼合金钢作为试验钢种，其化学成分范围如表1所示。

表1  钢种的化学成分（wt%）  Table 1  Chemical compositions of the material (wt%)

C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Re	P S
0.4-0.5	0.5-0.8	0.8-1.2	2.0-2.5	0.4-0.6	微量	微量	≤0.04

　　试验钢采用1吨感应冶炼炉熔炼，热炉装料，硅铁、锰铁和铬铁随料装入，出钢温度达1620℃，经最终加铝脱氧后出炉，浇注温度为1550℃，经砂型铸造后，对其进行等温退火处理，以消除组织和成分的偏析，使合金元素析出与球化。

3  热处理工艺设计

3.1  淬火温度的确定

　　为掌握奥氏体化温度对试验钢的硬度、冲击韧性等的影响，必须确定试验钢合适的奥氏体化温度，本文采用热膨胀法来测量。通过测量，试验结果见表2。

表2  钢种的临界相变点  Table 2  The critical transition temperatures of the material

AC1（℃）	AC3（℃）	Ar1（℃）	Ar3（℃）
817	854	708	741

　　根据表2结果，本试验钢的淬火温度范围应为Ac3+50~100℃，即904℃~954℃。对退火态的试样在880℃、920℃、960℃三个温度下进行淬火，然后分别在200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃和550℃进行回火，最后测其洛氏硬度，图1为所得硬度结果。

图1 不同热处理对应的硬度曲线

Fig.1 Hardness of the samples after different heat treatment
　　回火可降低或消除淬火引起的残余内应力，提高淬火钢的塑韧性，但是往往不可避免的会降低其强度和硬度。图1反映了回火温度的提高导致硬度的降低，但是在960℃时产生了二次强化，硬度出现异常升高。这是由于试验钢中含有碳化物形成元素Cr、V、Mo等造成的，在960℃淬火后，马氏体中的碳和合金元素的过饱和度增大，回火时析出碳化物的数量相应增加，因而造成了试验钢硬度的提高，在工业上二次强化具有重要意义。但是强化会带来一定的脆性，导致韧性的降低，对于衬板材料，不希望出现二次强化。
　　比较分析880℃与920℃淬火后回火的两条曲线，880℃淬火后回火的硬度曲线上可以发现，硬度在回火温度大于450℃后急剧下降，而在920℃淬火后回火的硬度曲线上硬度在回火温度大于500℃后急剧下降，说明在880℃淬火时，该组织在加热过程中未完全奥氏体化，所以该材料的淬火温度应大于880℃；920℃时硬度较高，满足要求；960℃硬度也能满足要求，但是在回火过程中出现了二次硬化，导致材料脆性增加，韧性不足。所以选定920℃作为淬火温度。

3.2  回火温度的确定

　　对920℃淬火后不同回火温度处理的试样采用JB-30B型冲击试验机在常温下进行U型缺口冲击试验，所得韧性结果如图2所示。

 

图2 回火温度对920℃淬火试样冲击韧性的影响

Fig.2 The influence of temperatures on the toughness for the 920℃ quenched sample
　　从图中可以看出，随回火温度的升高，材料的韧性出现一定的波动，在420℃回火时的韧性最低，此后随着回火温度的增加，韧性提高。综合考虑淬火+回火后的硬度和韧性，920℃淬火后350℃回火时的韧性最佳，硬度也较高，300℃和420℃回火时会出现回火脆性，而在高温（500~600℃）回火时，虽然韧性较好，但是强度低，会影响材料的耐磨性，不能满足材料所要求的综合性能。因此，取最佳回火温度为350℃。如图1，经920℃淬火和350℃回火后的硬度为HRC54，能满足衬板的硬度要求^[1]。

4  组织与淬透性分析

　　图3分别为920℃淬火+不同温度回火试样的显微组织，回火温度依次是：200℃、350℃、400℃、550℃。
 

     

图3 920℃淬火+回火试样的显微组织

Fig.3 The microstructure of the samples after 920℃ quenching and tempering
　　回火过程中，钢淬火后的不稳定组织会向着稳定组织自发转变，伴随着微观组织的变化，其性能不可避免的会发生相应的改变。如图3，200℃回火后得到回火马氏体，形状以针状为主，碳化物很细小，因此硬度较好；350℃回火后针状马氏体进一步分解，但仍保持针状，同时碳化物析出明显增多，并依附在其他组织上面，形状多为球状和短杆状，使得钢的韧性提高。马氏体部分分解造成硬度降低，但是由残余奥氏体分解带来的硬度升高所补充，钢的硬度下降不大。400℃回火后，出现回火屈氏体，碳化物聚集长大，且碳化物多在界面处析出，因此造成了韧性的大幅度下降。随着回火温度的进一步提高，550℃回火后回火组织变成为回火索氏体，碳化物形成独立单位，因此硬度较低，不能满足衬板要求。
　　对试验钢进行顶端淬火实验，以确定钢种的淬透性。试样经加热至920℃后的淬透性曲线结果如图4所示。

 

图4 920℃的淬透性曲线

Fig.4 The hardenability curve of the sample quenched at 920℃
　　从图中可以看出随距底端的距离增大，试样的硬度值有一定的下降，但距底端80mm处的硬度值仍然有HRC50，足以满足球磨机衬板材料的要求。淬硬层是指淬火试样表面M区到内部半M区的距离，而文献[9]指出：C含量在0.45%~0.5%的钢，半M区的硬度值约为HRC46~48。以HRC50为界，如图可以得出材料至少可以淬到距离表面75mm处，即能够淬透的有效深度约为150mm，所以可确定对厚度小于150mm的衬板而言，此材料具有足够的淬透性，可以保证表面和心部的组织一致，从而有效避免回火后强韧性不均的现象。

5  结论

1) 在中碳钢中加入Cr、Mn、Si、Mo等合金元素后，试验钢组织均匀，淬透性好，可以淬透的有效深度约为150mm。

2) 通过测定试验钢的相变临界点和热处理后的硬度，选取其最佳淬火温度为920℃，再依据淬火+回火后材料的冲击韧性，确定其最佳回火温度是350℃。

3) 试验钢经退火+淬火+回火处理后，能得到理想的硬度和韧性搭配，此时的组织为针状马氏体、弥散分布的短杆状或点球状的碳化物和残余奥氏体。

参考文献

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[2] 曹瑜强，雷百战，邓宏远.中碳多元稀土合金耐磨钢衬板的研制[J].热加工工艺，2003，(5)：48-49．
[3] 邓月声，吕振林，等.中铬铸铁及其在湿式磨机衬板上的应用[J].热加工工艺，1995，(7)：46-50．
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[6] 许利民.中碳低合金耐磨钢衬板的研制[J].热加工工艺，2005,(7)：47-49．
[7] 孙国栋，刘长华，等．锰含量对衬板中低碳高合金钢组织和性能的影响[J].热加工工艺，2007，36(22): 1-4．
[8] 谢敬佩，等．耐磨铸钢及其熔炼[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[9] 胡光立，谢希文.钢的热处理-原理和工艺(1993年修订版)[M]．西安：西北工业大学出版社，1993：180． 
 
作者：鲁修宇　刘静　高新平　光正国
作者简介：鲁修宇（1988-），男，湖北荆门人，武汉科技大学硕士生，主要研究方向：管线钢组织及强韧化机理。