0 引言
 
    我公司的主导产品是油淬中合金钢衬板，该产品是从唐山水泥机械厂引进的国内先进的生产技术工艺。经过多年的生产研究，我们发现该材料硬度适中、冲击韧性较高、生产成本适中，是比较理想的耐磨材料，但该材料用于磨头衬板时，其使用寿命则明显偏低，有时使用寿命只有5-8个月，严重消弱了产品的市场竞争力。研制一种适合大型磨机衬板而又不增加成本适应市场需求的耐磨材料，显得更加迫切。我公司结合生产实际情况研制了油淬低成本中铬合金钢，其主要性能指标：硬度≥HRC55,冲击韧性ak≥50J/cm²，取得了显著成效。

    1 试验操作

    1.1化学成分设计
 
    化学成分是决定材料组织和性能的基本因素，各元素的设计原理及控制范围如下：
 
    碳(C):碳(C)是合金钢中的主要元素。碳在金属组织中,扩大γ相区,降低Ms点 ,提高淬透性[1]。含碳量增加,材料硬度、强度提高；塑性、冲击韧性降低。为了获得一定的冲击韧性又具有足够的硬度强度,选择碳为:ω(C):0.30%-0.50%。
 
    锰(Mn):锰(Mn)使γ相区扩大，与γ-Fe形成无限固溶体、与a -Fe形成有限固溶体强化基体，一部分生成(Fe，Mn)3C型碳化物,Mn降低γ-Fe↔a-Fe的相变温度和Ms点温度,提高淬透性。但Mn是过热敏感元素，加热温度高会引起晶粒粗大,增加回火脆性,增加残余奥氏体量[1]对耐磨性不利。所以选择锰为:ω(Mn)0.6%-1.4%。
 
    硅(Si):硅(Si)固溶在铁素体中提高钢的屈服强度,屈强比和硬度,Si<1.0%不降低韧性；但Si>1.5% 时韧性降低,增加回火脆性,强烈降低钢的导热性,促使晶粒粗大,增加热裂倾向[1]。选择硅为:ω(Si)0.8%-1.8%。
 
    铬(Cr):铬(Cr)是本合金钢的主要元素。 Cr固溶在铁素体中强化基体,提高淬透性,与Si、Mn合理搭配可大幅度提高淬透性[2],铬有较高的回火抗力,使厚截面硬度均匀。铬一部分在钢中与碳形成合金渗碳体(Fe，Cr)3C或(Fe，Cr)7C3,提高耐磨性。选择铬为:ω(Cr)1.8-6.0%。
 
    微量元素：微量元素V、Ti、B、RE作为变质剂加入,细化晶粒, 变质去杂,脱气脱硫,提高韧性和耐磨性能。
 
    化学成分设计要点是为了耐磨把合金元素含量提高到6.0%-8.0%，通过加入多种微量元素提高淬透性、提高硬度和耐磨性。使金相组织为单相中碳针状马氏体+贝氏体复合组织，既耐冲击又耐磨损。化学成分设计范围如表1。

表1. 化学成分 (%)

    1.2 铸造工艺
 
    （1）采用水玻璃石英砂作面砂，二氧化碳硬化法制作φ5×10.5M衬板一套。
 
    （2）采用保温冒口和外冷铁配合提高补缩效率；
 
    （3）制作标准Y型样块（尺寸25×55×200mm[3]）10块，进行热处理工艺试验。Y型样块造型采取立式浇注，确保取样部位无铸造缺陷。

    1.3熔炼工艺

    （1）采用750公斤中频感应电炉熔炼；

    （2）在碱性炉衬炉底加入炉料2%的干石灰以便前期脱磷，并加入0.4%的莹石稀释炉渣；

    （3）炉料加入顺序：先加废钢、铬铁；作为沉淀脱氧剂的高碳锰铁出钢前10分钟加入；

    （4）在钢水熔清后深插铝0.10%终脱氧，另0.05%放在浇包中；出钢温度1600-1650℃；

    （5）将稀土变质剂破碎成3-8毫米，用废纸包好放在浇包中，冲入法溶入钢水中；浇注温度1560-1600℃。

    1.4热处理

    淬火温度的确定：取Y型样块在RX3-11-12的实验电炉中分别进行920℃、950℃、980℃温度加热，保温后油淬，采取320℃保温 6-8小时，空冷回火，用电火花数控线切割机床将试块切成10×10×55mm的冲击试块，进行硬度检测、冲击试验，并在金相显微镜下观察显微组织。

    2 试验结果及分析

    2.1 铬含量对合金钢铸态组织和力学性能的影响

    表2 铬含量对合金钢铸态组织和力学性能的影响

    从表2可以看出，随着铬含量增加，铸态晶间富铬倾向增加，存在成分偏析倾向，随着铬含量增加成分偏析越严重，严重影响材料的铸态冲击韧性，导致铸态硬度上升，冲击韧性下降。这与铬固溶强化基体、与碳形成高硬度高脆性碳化物有着密切关系，随着铬含量的增加，沿晶界分布的合金渗碳体和合金碳化物的数量增加，从而导致硬度增加，韧性下降。

     2.2 铬含量及热处理工艺对产品性能的影响.
 
    表3列出了铬含量及热处理工艺对产品性能的影响。

    表3 铬含量及热处理工艺与产品性能对照表

    从表3中试验数据可以看出，含铬量在4.0%以下，硬度变化不明显，4.0%以上硬度提高明显，冲击韧性随铬含量增加逐渐升高，5.0%时达到最高，以后逐渐降低，这主要与铬在钢的作用有关，铬是缩小奥氏体化元素，在热处理高温保温时能有效阻碍奥氏体晶粒长大，是细化晶粒元素，随含铬量增加铬与碳形成的碳化物在热处理冷却过程中能溶解于马氏体基体中，从而提高钢的硬度。
 
    从表3数据可以看出920℃淬火时，淬火硬度偏低，这主要与形成碳化物的合金元素未完全溶入奥氏体基体中有关；980℃淬火加热时硬度值最高，950℃淬火硬度较为合适，说明950-980℃淬火加热时合金元素已充分奥氏体化，且冷却转变过程中能充分形成马氏体和贝氏体组织，980℃加热时晶粒度略显粗大。从冲击韧性值可以说明：920℃加热奥氏体晶界上有未溶的脆性碳化物相，是导致韧性值偏低的原因；950℃加热时奥氏体晶粒适中，晶界无未溶碳化物相，是韧性值最高的原因；980℃奥氏体晶粒稍显粗大，冲击韧性值少低。
  
    综合上述分析并考虑热处理生产成本，我们选择950℃作为淬火加热温度。
 
    950℃油淬金相组织见图1。

图1 中铬合金钢950℃油淬+320℃回火金相组织 500x

    3 工业试验
 
    我公司按上述工艺生产的中铬衬板，目前已成功在和益太行水泥有限公司φ5.0×10.5m生料磨安装使用9个月，磨头衬板磨损仅10mm左右，按磨损情况推断还能使用12个月，远远超过原油淬中合金钢5个月的使用寿命，新型油淬中铬合金钢衬板耐磨性是油淬中合金钢的2-3倍。

    4 经济效益分析

    4.1 熔炼金属材料成本

    (1)熔炼每吨中铬合金钢主要金属材料成本概算

    高碳铬铁C7Cr65  配30公斤，30公斤×12元/公斤=360元；
    低碳铬铁C0.2Cr60  配50公斤，55公斤×16元/公斤=880元；
    废钢  配1000公斤,1000×2.4元/公斤=2400元；
    高碳锰铁C7Mn65  配10公斤(脱氧用),10公斤×12元/公斤=120元；
    硅铁75Si  配10公斤，10×7.5元/公斤=750元；
    重稀土  配4公斤×15元/公斤=60元。
    脱氧铝  配1.5公斤×15元/公斤=22.5元。
   
    合计金属材料成本：4592.5元/吨

    (2)熔炼每吨中合金钢主要金属材料成本概算

    高碳铬铁C7Cr65  配20公斤,20公斤×12元/公斤=240元；
    低碳铬铁C0.2Cr60  配20公斤，20公斤×16元/公斤=320元；
    废钢  配1000公斤,1000×2.4元/公斤=2400元；
    高碳锰铁C7Mn65  配5公斤(脱氧用),5公斤×12元/公斤=60元；
    钼铁Mo50  配10公斤，10x160元/公斤=1600元；
    硅铁75Si  配20公斤，价格：20×7.5元/公斤=150元；
    稀土  配4公斤×15元/公斤=60
    脱氧铝  配1.5公斤×15元/公斤=22.5元。

    合计金属材料成本： 4852.5元/吨
 
    (3)比较两种合金钢直接生产成本可看出：油淬中铬合金钢较中合金钢吨生产成本节约近260元，使用寿命却增加2倍，并能做到磨头衬板与筒体衬板寿命同步，公司产品竞争力明显提高。

    5 结束语

    （1）通过技术经济数据分析得知：①我公司研制的中铬油淬合金钢衬板充分显示出高耐磨的优良机械性能；②具有良好的性价比；③经过性能检测及工业试验证实完全可以替代油淬中合金钢；④综合效益显著，市场潜力巨大。

    （2）耐磨材料使用寿命与产品工矿关系很大，没有万能的材料，只有万变的工矿。企业要在竞争激烈的市场中生存，只有勇于创新，研制适合不同工矿的材料，才能始终走在行业的前列，当好行业领头人。

    参考文献

    [1] 耐磨材料应用手册. [M]机械工业出版社P157.
    [2] 耐磨铸钢及熔炼. [M]机械工业出版社P193
    [3]姚启均.金属机械性能试验常用数据手册（第二版）. [M]机械工业出版社1985.9：279