一种混凝土湿喷机衬板材料的研究及应用

摘  要：本文设计出耐磨合金铸钢衬板化学成分和制造工艺，并与高铬铸铁衬板试样进行硬度、耐磨性、韧性、金相对比试验，结果表明，该耐磨合金铸钢综合性能达到设计指标，具有应用价值。

关键词：混凝土湿喷机；衬板；合金铸钢；耐磨性；韧性

0  引言

混凝土湿喷机衬板是用于工作机构转子与结合板之间的一种耐磨板，在工作中主要受系统的振动、冲击及与工作介质相对运动的摩擦剪切力，其失效形式有裂纹、断裂和快速磨损。目前湿喷机衬板的材料主要是高铬铸铁，其组织中含有超过20 %的高硬度共晶碳化物，基体为高碳马氏体［1］，该材料具有优异的耐磨性，但是其合金元素含量高、生产成本高及高温热处理易变形和断裂。据某企业统计数据，高铬合金衬板在生产制造过程的合格品率不到70%。[2-4]

为解决这个问题，设计出一种生产工艺简单、成本低、韧性高、淬透性与淬硬性好耐磨合金铸钢材料，代替目前广泛使用的普通高铬铸铁材料，是一个研究方向。耐磨合金铸钢是一种新型耐磨材料，以铬、钼为主要合金元素，其组织特点是在贝氏体基体上镶嵌有硬度高、热稳定性好的碳化物［1］，确保耐磨合金铸钢在具有优异强韧性的前提下，还具有高的硬度和优良的耐磨性。基于此，笔者设计一种多元合金铸钢制造成衬板，对其各项性能进行了试验研究。

1试件制备与试验方法

1.1衬板的制造

1.1.1 衬板结构说明

混凝土湿喷机衬板是一种圆形板状件，其结构见图1，外圆直径为Ф510mm，厚度为20mm，在Ф350的分度上均匀分布有9个Ф102孔。按照设计要求，衬板上下两个平面粗糙度小于Ra1.6，需要磨削加工。

1.1.2 化学成分设计

高铬铸铁衬板化学成分按照标准GB/T8263-1999抗磨白口铸铁件要求，分别选取KmTBCr8、KmTBCr12、KmTBCr26作为该试样材料的设计牌号。

耐磨合金铸钢衬板的化学成分，见表1。

表1耐磨合金铸钢衬板化学成分（质量分数）

Tab.1 Chemical composition of wear-resistant cast steel(mass）         %

组分 C Si Mn P S Cr Mo V、B、Ti、Re

W 0.4～0.7 0.5～0.7 1.1～1.4 ≤0.04 ≤0.035 2.4～2.8 0.3～0.5 微量

1.1.3 铸造工艺

（1）高铬铸铁

在1t 酸性中频无芯感应电炉中冶炼。按照下紧上松的原则装入少量锰铁、硅铁和大部分钼铁、生铁、废钢及大部分铬铁。炉前调整成分，合格后将温度升至1480~1560℃，加入锰铁、硅铁及铝进行脱氧。铁液在浇包内镇静后浇注，浇注温度在1380~1450℃之间；采用15~25°倾斜浇铸工艺；浇注后8 h，当铸件表面温度不超过400 ℃同时不低于200℃时，开箱脱模，清理浇冒口。铸件进行高温软化退火处理。

（2）耐磨合金铸钢

在1t 酸性中频无芯感应电炉中冶炼。热炉装料，少量硅铁、锰铁以及大部分钼铁和铬铁随料装入。炉前调整成分，合格后将温度升至1600～1640℃，钢水经铝脱氧后出炉，在浇包内预先放置含稀土、钒、硼、钛等的复合变质剂，用冲入法对钢水进行微合金化和变质处理；浇注温度1520～1580℃，采用平作立浇工艺；浇注后8 h，当铸件表面温度不超过400 ℃同时不低于200℃时，开箱脱模，清理浇冒口。铸件进行高温软化退火处理。

1.1.4 机械加工工艺

衬板的机加工工艺为：车外圆、平面、钻镗中心孔→镗9个Ф102孔→钻定位销孔→淬火、回火→磨平面。

1.1.5 热处理工艺

衬板的热处理工艺见图2，分淬火和回火两道工序。

 

 

（a）高铬铸铁

 

（b）耐磨合金铸钢

图2热处理工艺曲线

Fig.2 Curve of heat treatment process: (a) high chromium iron (b) wear-resistant cast steel

如图所示，高铬铸铁用盐浴炉加热保温，需要控制其升温速度不高于80℃/h，衬板在油中淬火时间不少于30分钟；合金铸钢升温至880～920℃，保温2h后进行等温盐浴淬火，淬火温度为180～220℃，盐浴保温1h后空冷，选择此淬火工艺是为了减少淬火变形，同时获得马氏体和下贝氏体的复合组织；另外，为尽量消除淬火应力，还增加回火工序，回火温度控制在220～270℃。

1.2试验方法

高铬铸铁衬板按照牌号KmTBCr9、KmTBCr12、KmTBCr26分别制造出3种衬板。

按照设计的耐磨合金铸钢化学成分，在其范围内调整各元素的比例，制造出3种衬板。

采用电火花线切割机在材料分别为高铬铸铁、耐磨合金铸钢的衬板本体上9个孔部边缘切取试样，将其制作成蝶形试样和边长15mm的立方体试样。

采用光电发射光谱分析方法分析试样的化学成分；采用洛氏硬度仪测试其硬度；按GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行试样冲击韧性试验；按国家标准《GB/T12444.1-1990金属磨损试验方法MM型磨损试验》的规定，在M-2000型磨损试验机上对蝶形试样进行滑动摩擦纯磨损试验，条件：磨擦副材料为硬质合金（Ф外=40mm，HV0.1=1380），轴转速200rpm，载荷为40N，采用失重法测定磨损量，称量天平的精度为0.0001g；在金相试验仪上对立方体试件进行金相分析。

2 试验结果与讨论

2.1 化学成分分析

将高铬铸铁和耐磨合金铸钢两种材料分别取3组试样的分析其化学成分，结果见表2。

表2  各试样的化学成分(质量分数)

Tab.2 Chemical composition of the sample(mass）                     %

试样材料 编号 C Si Mn P S Cr Mo Ni V Cu Ti B

高铬铸铁 1 2.219 0.673 0.968 0.042 0.042 9.0 0.315 0.083 0.060 0.458 0.005 0.0018

2 2.790 0.881 1.28 0.021 0.016 13.560 0.61 0.050 0.049 0.65 0.011 0.0017

3 2.6 0.4 0.4 0.022 0.023 24.012 0.311 - - 0.12 - -

耐磨合金铸钢 1 0.401 0.614 0.974 0.027 0.0216 1.794 0.201 0.024 0.012 0.040 0.0028 0.0019

2 0.451 0.573 1.23 0.022 0.035 1.990 0.25 0.030 0.013 0.041 0.0020 0.0022

3 0.517 0.717 1.357 0.036 0.0322 2.224 0.373 0.034 0.020 0.076 0.0023 0.0034

由表2可见，高铬铸铁试样的成分特点为高碳高铬，其中试样3的铬含量较试样1高；耐磨合金铸钢试样的成分特点是中碳低铬，其中试样3的碳、锰、铬、钼含量均较1试样高。

2.2 硬度、耐磨性和冲击韧性

试样洛氏硬度值和冲击韧性结果见表3。

表3  各试样硬度和冲击功

Tab.3 Hardness and impact energy of different samples

试样材料 编号 洛氏硬度值∕HRC 冲击功∕J

高铬铸铁 1 60.1 2.6

2 61.0 0.2

3 60.7 0

耐磨合金铸钢 1 51.9 20

2 51.4 18

3 51.9 22

根据测试结果拟合计算得到磨损曲线和磨损率，见图3和表4。

 

图3 磨损曲线

Fig.3 The abrasive wear curve

表4  铸钢、铸铁衬板耐磨性

Tab.4 The abrasive resistance of cast iron and cast steel

试样材料 编号 磨损率∕mg/h

高铬铸铁 1 9.8

2 6.4

3 5.3

耐磨合金铸钢 1 11.8

2 10.8

3 10.0

金属材料表面宏观硬度与其耐磨性的一般规律是，表面硬度越高，相对耐磨性越好。从表3可以看出，高铬铸铁的硬度明显高于耐磨合金铸钢，理论上的耐磨性会强于耐磨合金铸钢；从图1和表3的试验数据验证了高铬铸铁的实验室耐磨性略高于耐磨合金铸钢。

另一方面，高铬铸铁的冲击韧性基本为0，接近于脆性材料，因此在生产制造和使用过程中出现裂纹，是一种普遍现象。

2.3 金相组织

部分试样的金相组织见图4～图8。

  

（a）低倍                       （b）高倍

图4  高铬铸铁试样显微组织          

Fig.4 Microstructure of high chromium iron samples: (a) low magnification (b) high magnification

  

（a）低倍                       （b）高倍

图5  耐磨合金铸钢试样显微组织

Fig.5 Microstructure of wear-resistant cast steel samples: (a) low magnification (b) high magnification

  

（a）低倍                       （b）高倍

图6 耐磨合金铸钢试样电镜照片

Fig.6 SEM photos of wear-resistant cast steel samples: (a) low magnification (b) high magnification

  

图7 耐磨合金铸钢1#、3#试样碳化物对比

Fig.7 Comparison of cast steel No.1 & No.3

由图4可见，高铬铸铁试样的组织为珠光体+莱氏体，为亚共晶白口铸铁；由图5可见，耐磨合金铸钢试样为马氏体和贝氏体组织。

由图6可见，耐磨合金铸钢试样中均匀分布细小白色的碳化物颗粒，由图7试样1和3的同倍数电镜照片对比可以看出，试样3中细小白色的碳化物颗粒多于试样1，其洛氏硬度检测相同，但其耐磨性实验数据好于试样1，说明组织中的白色的碳化物是耐磨合金铸钢耐磨性的重要表征，在下文中的工程应用中也得到了验证。

3工程应用

为进一步验证耐磨合金铸钢材料的工艺性能，将耐磨合金铸钢进行喷射混凝土应用试验。其具体应用数据和失效状态见表5和图8～9。

表5  铸钢、铸铁衬板工程应用数据

Tab.5 The engineering application of cast iron and cast steel

试样材料 编号 混凝土喷射量∕m3/件 磨损量∕mm 失效形式

高铬铸铁 1 900 6 磨损

2 120 1 断裂

3 330 3 裂纹

耐磨合金铸钢 1 720 6 磨损

2 760 6 磨损

3 820 6 磨损

由表5可看出，高铬铸铁衬板平均寿命450 m3/件，而耐磨合金铸钢衬板的平均寿命为766m3/件，虽然高铬铸铁磨损失效的使用寿命高于合金铸钢，但是其大部分失效为断裂，直接影响设备正常使用，而耐磨合金铸钢失效形式均为磨损。

      

图8 磨损失效                     图9 断裂失效

Fig.8 Wear out failure               Fig.9 Fracture failure

4结论

（1）用于制造衬板类特殊零件，耐磨合金铸钢的耐磨性略低于高铬铸铁，但其综合使用寿命远高于高铬铸铁，可以代替高铬铸铁应用于有高耐磨性要求的工况下，具有应用价值。

（2）从耐磨合金铸钢与高铬铸铁的化学成分可以看出，在耐磨合金铸钢的铬含量远低于高铬铸铁，其机械加工性能和合格品率优于高铬铸铁，生产成本具有较大优势。

（3）耐磨合金铸钢抗冲击性能优于高铬铸铁，满足湿喷机衬板的应用要求。

（4）以上化学成分微调试件的金相组织、耐磨性对比试验表明，耐磨合金铸钢因其合金元素含量上的差异，其金相组织和耐磨性显著不同。

 

参考文献：

[1] 张伯明，陆文华. 铸造手册[M] .北京：机械工业出版社，2002.

[2] 郑朝保.混凝土喷射机振动喂料系统的研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2005：2.

[3] 秦雪花，张海涛.混凝土喷射机橡胶密封板和旋转衬板的维护与修复[J].矿山机械，2009，16.

[4] 陈恢翰.提高转子式混凝土喷射机结合板和衬板使用寿命技术途径[J].建井技术，1998，19(2)：36-38.

[5]侯增寿，樊东黎. 热处理手册[M] .北京：机械工业出版社，2006.


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