一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料及辊面制备方法

摘要

本发明属于矿山机械领域，具体涉及一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料及辊面制备方法。本发明的辊面材料化学成分按重量百分比为：C:1.0~3.0%、V:2.0~10.0%、Mo:2.0~10.0%、Cr:2.0~7.0%、Nb:0.3~6.0、Ti：0.1~3.0%、Si：0.7~1.0%、Mn：0.5~1.0%、Ni：0.1~0.7%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质；制备方法是首先熔炼钢水并采用离心铸造将高合金钢辊面一次浇注成型，待铸件冷却至室温后，对铸件采用热处理工艺，将辊面硬度调整到50HRC左右，采用错位排列的分布方式，在辊面上加工盲孔，最后气氛保护进行热处理，然后将烧结好的碳化钨硬质合金柱钉嵌入盲孔，获得高耐磨的复合辊面。本发明的高压辊磨机辊面材料组织均匀，最终辊面的强度和耐磨性稳定，具有更长的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于矿山机械领域，具体涉及一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料及辊面制备方法。

背景技术

在矿山机械中，由于高压辊磨机具有单机产量高、辊面寿命长、作业率高、可靠性好和单位能耗低等优点，很快受到矿山机械领域的重视并且逐渐作为粉碎矿石的主要手段。但是在高压辊磨机的应用过程中，由于实际工况恶劣，还存在很多亟待解决的问题。其中高压辊是高压辊磨机的关键部件，辊面在工作中承受巨大的法向挤压力和较大的切向摩擦力，容易导致辊面严重磨损，而辊面质量的好坏，直接影响辊磨机的使用寿命。

高压辊磨机辊面技术经过多年的研究和开发，目前主要采用的是高强耐磨材料堆焊辊面，有一字纹、人字纹、棱形纹、锯齿纹、网点花等多种形式，焊接辊面一般每一、二个月补焊一次。更为先进的辊面是采用硬质合金(碳化钨)烧结成柱钉，镶嵌在辊面上，形成复合辊面，使其使用寿命较堆焊辊面有显著提高（使用寿命达8000小时左右）。这种复合辊面材料多采用高铬铸铁或贝氏体球墨铸铁作为基体，但遇到的问题是材料的抗压强度和耐磨性不足，这对高压辊磨机辊面的质量有很大影响。采用高合金钢为辊面材料具有足够的抗压强度和耐磨性，但在大型铸件浇注时容易导致成分不均匀、碳化物易聚集长大，最终辊面的强度、硬度及耐磨性不均匀；另外高合金钢辊面在镶嵌柱钉时，辊面硬度偏高盲孔加工难大、耗时长，严重影响生产效率。因此，目前急需发明出一种硬度可调，同时保持高抗压强度和耐磨性的辊面材料；该辊面既可以提高盲孔加工时的工作效率，又保证了足够的抗压强度和耐磨性，使辊面的使用寿命大幅延长。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料及辊面制备方法，其具有成分偏析小，组织均匀，抗压强度高，耐磨性好，硬度可调，柱钉镶嵌方便和使用寿命长的优点，制备工艺简单。

一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料，其化学成分按重量百分比为：C:1.0~3.0%、V:2.0~10.0%、Mo: 2.0~10.0%、Cr:2.0~7.0%、Nb:0.3~6.0、Ti：0.1~3.0%、Si：0.7~1.0%、Mn：0.5~1.0%、Ni：0.1~0.7%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质;由其制备的高压辊磨机辊面硬度至少为64HRC，抗压强度至少为3500MPa，工作层碳化物总量差为0.45%，使用寿命达20000小时以上。

本发明用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面的制备方法按照以下步骤进行：

（1）用中频炉于1500～1600℃熔炼高合金钢钢水，钢水的化学成分按照重量百分比为： C:1.0~3.0%、V:2.0~10.0%、Mo: 2.0~10.0%、Cr:2.0~7.0%、Nb:0.3~6.0、Ti：0.1~3.0%、Si：0.7~1.0%、Mn：0.5~1.0%、Ni：0.1~0.7%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质，在出炉前加入精炼变质剂对高合金钢钢水进行变质处理；

钢水出炉采用离心铸造，一次浇注成型得到高合金钢辊面铸件，浇注温度1400～1500℃，离心铸造时离心重力倍数100～120G，并保持该重力倍数60min；

（2）待高合金钢辊面铸件冷却至室温后，将其在空气炉中以10~25℃/h的加热速度升至760℃保温10~25h，随炉冷却至室温；

再经空气炉加热淬火，加热速度为10~20℃/h，温度升至800~950℃保温8~20h，然后以80~150℃/h的升温，速度升至1000~1150℃后出炉风冷；

以10~20℃/h的加热速度温度升到500~590℃，保温20~30h，空冷至室温后，最后以15~30℃/h的加热速度升至600~700℃，保温20~30h，空冷至室温，此时辊面硬度为48~55HRC；

（3）选用峰角α为140°～160°的钻头，采用错位排列的分布方式在辊面上加工盲孔，待盲孔底部形状接近圆弧形，采用球头铣刀对已经加工的盲孔进行扩孔，保证盲孔周边残余量为0.2-0.5mm，采用螺旋球头铰铣刀对盲孔进行精加工，保证盲孔的加工精度为0-0.02mm；

（4）保护气氛下，将加工完毕的辊面升温至1030~1100℃，保温10~15h后风冷淬火，再在保护气氛下，以15~30℃/h的加热速度温度升至530~570℃，保温20~30h进行一次回火，硬度至少为64HRC，最终得到组织为马氏体＋多组元合金碳化物＋细小弥散的二次碳化物＋少量残余奥氏体的高强耐辊面，最后将碳化钨烧结成的柱钉嵌入孔内，得到高压辊磨机辊面。

所述的添加精炼变质剂为稀土和硅钡合金，添加量为钢水重量的0.3～0.8%

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

（1）本发明的技术方案是通过合理的调整高合金钢中碳与合金元素的含量，使其在凝固过程中形成密度接近钢水的多组元合金碳化物，因此在凝固时成分不易偏析，组织更加均匀，最终辊面的强度和耐磨性也更加稳定；

（2）本发明的高合金钢经热处理后，组织中大量的合金碳化物均匀弥散的分布在马氏体基体上，其中合金碳化物主要为MC和M₂C，这两种碳化物作为主要的耐磨相硬度高(MC：2600-3000HV、M₂C：1500HV)、分布均匀；其中MC晶内生长，并且与马氏体基体为共格界面，结合牢固，在磨损过程中不易脱落；细小弥散的二次碳化物具有弥散强化和提高耐磨性的作用。所以高合金钢与其他耐磨材料相比其耐磨性大幅提高；

（3）本发明在不改变高合金钢中耐磨相分布及耐磨性的前提下，经热处理将其硬度调到左右50HRC，提高了柱钉镶嵌的工作效率；柱钉镶嵌后采用气氛保护经行热处理将辊面硬度调至64HRC以上，热处理后强度、硬度提高的同时并具有一定的韧性。因此，高合金钢作为辊面材料具有更长的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1的高压辊磨机辊面的压缩试验的应力-应变曲线；

图2是本发明实施例1的高压辊磨机辊面的铸态金相组织；

图3是本发明实施例1的镶嵌有硬质合金柱钉的高合金钢复合辊面照片；

图中：1：柱钉；2：高合金钢辊面。

具体实施方式

实施例1

一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料，其化学成分按重量百分比为：C:3.0%、V:10.0%、Mo:2.0%、Cr:2.0%、Nb:3.0%、Ti：3.0%、Si：0.7%、Mn：0.5%、Ni：0.1%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面的制备方法按照以下步骤进行：

（1）用中频炉于1600℃熔炼高合金钢钢水，钢水的化学成分重量百分比：C:3.0%、V:10.0%、Mo:2.0%、Cr:2.0%、Nb:3.0%、Ti：3.0%、Si：0.7%、Mn：0.5%、Ni：0.1%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质，在出炉前加入精炼变质剂稀土和硅钡，添加量为钢水重量的0.7%，对高合金钢钢水进行变质处理；

钢水出炉采用离心铸造，一次浇注成型得到高合金钢辊面铸件，浇注温度1500℃，离心铸造时离心重力倍数120G，并保持该重力倍数60min；

（2）待高合金钢辊面铸件冷却至室温后，将其在空气炉中以20℃/h的加热速度升至760℃保温25h，随炉冷却至室温；

再经空气炉加热淬火，加热速度为15℃/h，温度升至900℃保温15h，然后以120℃/h的升温，速度升至1050℃后出炉风冷；

以15℃/h的加热速度温度升到550℃，保温25h，空冷至室温后，最后以20℃/h的加热速度升至650℃，保温20h，空冷至室温，此时辊面硬度为51.2HRC；

（3）选用峰角α为150°的钻头，采用错位排列的分布方式在辊面上加工盲孔，待盲孔底部形状接近圆弧形，采用球头铣刀对已经加工的盲孔进行扩孔，保证盲孔周边残余量为0.2-0.5mm，采用螺旋球头铰铣刀对盲孔进行精加工，保证盲孔的加工精度为0-0.02mm；

（4）保护气氛下，将加工完毕的辊面升温至1100℃，保温10h后风冷淬火，再在保护气氛下，以30℃/h的加热速度温度升至530℃，保温20h进行一次回火，最终得到组织为马氏体＋多组元合金碳化物＋细小弥散的二次碳化物＋少量残余奥氏体的高强耐磨辊面，其铸态金相组织图如图2所示；

最后将碳化钨烧结成的柱钉嵌入孔内，得到用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面，如图3所示。

最终辊面力学性能指标为：硬度65HRC±0.2，抗压强度3825±10MPa，抗弯强度1230±10MPa，工作层碳化物总量差0.45%，其压缩试验的应力-应变曲线如图1所示，从图1中可以看出其在3500~4000MPa的压力的应变为25%左右，具有一定的韧性，力学性能优异。该辊面在矿石粉碎企业进行了测试，其使用寿命达20000小时以上，远远超过现有的高铬铸铁或贝氏体球墨铸铁辊面。

 

实施例2

一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料，其化学成分按重量百分比为：C:1.0%、V:2.0%、Mo:5.0%、Cr:3.0%、Nb:1.0%、Ti：3.0%、Si：1.0%、Mn：1.0%、Ni：0.7%、P: 0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面的制备方法按照以下步骤进行：

（1）采用中频炉于1500℃熔炼高合金钢钢水，钢水的化学成分重量百分比为：C:1.0%、V:2.0%、Mo:5.0%、Cr:3.0%、Nb:1.0%、Ti：3.0%、Si：1.0%、Mn：1.0%、Ni：0.7%、P: 0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质，在出炉前加入精炼变质剂稀土和硅钡，添加量为钢水重量的0.3%，对高合金钢钢水进行变质处理；

钢水出炉采用离心铸造，一次浇注成型得到高合金钢辊面铸件，浇注温度1450℃，离心铸造时离心重力倍数100G，并保持该重力倍数60min；

（2）待高合金钢辊面铸件冷却至室温后，将其在空气炉中以10℃/h的加热速度升至760℃保温10h，随炉冷却至室温；

再经空气炉加热淬火，加热速度为10℃/h，温度升至800℃保温8h，然后以80℃/h的升温，速度升至1000℃后出炉风冷；

以10℃/h的加热速度温度升到500℃，保温30h，空冷至室温后，最后以30℃/h的加热速度升至600℃，保温20h，空冷至室温，此时辊面硬度为55HRC；

（3）选用峰角α为160°的钻头，采用错位排列的分布方式在辊面上加工盲孔，待盲孔底部形状接近圆弧形，采用球头铣刀对已经加工的盲孔进行扩孔，保证盲孔周边残余量为0.2-0.5mm，采用螺旋球头铰铣刀对盲孔进行精加工，保证盲孔的加工精度为0-0.02mm；

（4）保护气氛下，将加工完毕的辊面升温至1030℃，保温15h后风冷淬火，再在保护气氛下，以30℃/h的加热速度温度升至570℃，保温30h进行一次回火，硬度至少为64HRC，最终得到组织为马氏体＋多组元合金碳化物＋细小弥散的二次碳化物＋少量残余奥氏体的高强耐磨辊面，最后将碳化钨烧结成的柱钉嵌入孔内，得到用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面。辊面硬度64HRC±0.2，抗压强度3500±10MPa。

实施例3

一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料，其化学成分按重量百分比为：C:1.3%、V:4%、Mo: 10.0%、Cr: 7.0%、Nb:1.5%、Ti：0.1%、Si：0.8%、Mn：0.6%、Ni：0.5%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面的制备方法按照以下步骤进行：

（1）采用中频炉于1550℃熔炼高合金钢钢水，钢水的化学成分重量百分比为：C:1.3%、V:4%、Mo: 10.0%、Cr: 7.0%、Nb:1.5%、Ti：0.1%、Si：0.8%、Mn：0.6%、Ni：0.5%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质，在出炉前加入精炼变质剂稀土和硅钡，添加量为钢水重量的0.8%，对高合金钢钢水进行变质处理；

钢水出炉采用离心铸造，一次浇注成型得到高合金钢辊面铸件，浇注温度1480℃，离心铸造时离心重力倍数110G，并保持该重力倍数60min；

（2）待高合金钢辊面铸件冷却至室温后，将其在空气炉中以25℃/h的加热速度升至760℃保温10h，随炉冷却至室温；

再经空气炉加热淬火，加热速度为20℃/h，温度升至950℃保温20h，然后以150℃/h的升温，速度升至1150℃后出炉风冷；

以20℃/h的加热速度温度升到590℃，保温20h，空冷至室温后，最后以30℃/h的加热速度升至700℃，保温30h，空冷至室温，此时辊面硬度为48.4HRC；

（3）选用峰角α为140°的钻头，采用错位排列的分布方式在辊面上加工盲孔，待盲孔底部形状接近圆弧形，采用球头铣刀对已经加工的盲孔进行扩孔，保证盲孔周边残余量为0.2-0.5mm，采用螺旋球头铰铣刀对盲孔进行精加工，保证盲孔的加工精度为0-0.02mm；

（4）保护气氛下，将加工完毕的辊面升温至1060℃，保温12h后风冷淬火，再在保护气氛下，以15℃/h的加热速度温度升至560℃，保温20h进行一次回火，硬度至少为64HRC，最终得到组织为马氏体＋多组元合金碳化物＋细小弥散的二次碳化物＋少量残余奥氏体的高强耐磨辊面，最后将碳化钨烧结成的柱钉嵌入孔内，得到用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面。辊面硬度65HRC±0.2，抗压强度3550±10MPa。

实施例4

一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料，其化学成分按重量百分比为：C:2.8%、V:10.0%、Mo:6.0%、Cr:4.5%、Nb:6.0%、Ti：0.2%、Si：0.9%、Mn：0.7%、Ni：0.4%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面的制备方法按照以下步骤进行：

（1）采用中频炉于1550℃熔炼高合金钢钢水，钢水的化学成分重量百分比为：C:2.8%、V:10.0%、Mo:6.0%、Cr:4.5%、Nb:6.0%、Ti：0.2%、Si：0.9%、Mn：0.7%、Ni：0.4%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质，在出炉前加入精炼变质剂稀土和硅钡，添加量为钢水重量的0.5%，对高合金钢钢水进行变质处理；

钢水出炉采用离心铸造，一次浇注成型得到高合金钢辊面铸件，浇注温度1400℃，离心铸造时离心重力倍数120G，并保持该重力倍数60min；

（2）待高合金钢辊面铸件冷却至室温后，将其在空气炉中以16℃/h的加热速度升至760℃保温18h，随炉冷却至室温；

再经空气炉加热淬火，加热速度为15℃/h，温度升至920℃保温12h，然后以100℃/h的升温，速度升至1130℃后出炉风冷；

以14℃/h的加热速度温度升到560℃，保温24h，空冷至室温后，最后以20℃/h的加热速度升至660℃，保温20h，空冷至室温，此时辊面硬度为50.5HRC；

（3）选用峰角α为155°的钻头，采用错位排列的分布方式在辊面上加工盲孔，待盲孔底部形状接近圆弧形，采用球头铣刀对已经加工的盲孔进行扩孔，保证盲孔周边残余量为0.2-0.5mm，采用螺旋球头铰铣刀对盲孔进行精加工，保证盲孔的加工精度为0-0.02mm；

（4）保护气氛下，将加工完毕的辊面升温至1050℃，保温15h后风冷淬火，再在保护气氛下，以30℃/h的加热速度温度升至550℃，保温30h进行一次回火，硬度至少为64HRC，最终得到组织为马氏体＋多组元合金碳化物＋细小弥散的二次碳化物＋少量残余奥氏体的高强耐磨辊面，最后将碳化钨烧结成的柱钉嵌入孔内，得到用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面。辊面硬度66HRC±0.2，抗压强度3700±10MPa。

实施例5

一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料，其化学成分按重量百分比为：C:1.5%、V:6%、Mo:4%、Cr:6%、Nb:0.3%、Ti：1.0%、Si：0.8%、Mn：0.5%、Ni：0.4%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面的制备方法按照以下步骤进行：

（1）采用中频炉于1530℃熔炼高合金钢钢水，钢水的化学成分重量百分比为：C:1.5%、V:6%、Mo:4%、Cr:6%、Nb:0.3%、Ti：1.0%、Si：0.8%、Mn：0.5%、Ni：0.4%、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质，在出炉前加入精炼变质剂稀土和硅钡，添加量为钢水重量的0.4%，对高合金钢钢水进行变质处理；

钢水出炉采用离心铸造，一次浇注成型得到高合金钢辊面铸件，浇注温度1420℃，离心铸造时离心重力倍数105G，并保持该重力倍数60min；

（2）待高合金钢辊面铸件冷却至室温后，将其在空气炉中以15℃/h的加热速度升至760℃保温17h，随炉冷却至室温；

再经空气炉加热淬火，加热速度为10℃/h，温度升至850℃保温16h，然后以110℃/h的升温，速度升至1030℃后出炉风冷；

以14℃/h的加热速度温度升到590℃，保温24h，空冷至室温后，最后以20℃/h的加热速度升至680℃，保温24h，空冷至室温，此时辊面硬度为50.2HRC；

（3）选用峰角α为160°的钻头，采用错位排列的分布方式在辊面上加工盲孔，待盲孔底部形状接近圆弧形，采用球头铣刀对已经加工的盲孔进行扩孔，保证盲孔周边残余量为0.2-0.5mm，采用螺旋球头铰铣刀对盲孔进行精加工，保证盲孔的加工精度为0-0.02mm；

（4）保护气氛下，将加工完毕的辊面升温至1060℃，保温12h后风冷淬火，再在保护气氛下，以25℃/h的加热速度温度升至560℃，保温24h进行一次回火，硬度至少为64HRC，最终得到组织为马氏体＋多组元合金碳化物＋细小弥散的二次碳化物＋少量残余奥氏体的高强耐磨辊面，最后将碳化钨烧结成的柱钉嵌入孔内，得到用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面。辊面硬度65HRC±0.2，抗压强度3600±10MPa。

实施例6

一种用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面材料，其化学成分按重量百分比为：C:2.2%、V:9.0%、Mo:7.0%、Cr:5.0%、Nb:4%、Ti：2.0%、Si：0.7%、Mn：0.8%、Ni：0.9、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面的制备方法按照以下步骤进行：

（1）采用中频炉于1570℃熔炼高合金钢钢水，钢水的化学成分重量百分比为：C:2.2%、V:9.0%、Mo:7.0%、Cr:5.0%、Nb:4%、Ti：2.0%、Si：0.7%、Mn：0.8%、Ni：0.9、P:0~0.02%、S:0~0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质，在出炉前加入精炼变质剂稀土和硅钡，添加量为钢水重量的0.6%，对高合金钢钢水进行变质处理；

钢水出炉采用离心铸造，一次浇注成型得到高合金钢辊面铸件，浇注温度1440℃，离心铸造时离心重力倍数115G，并保持该重力倍数60min；

（2）待高合金钢辊面铸件冷却至室温后，将其在空气炉中以20℃/h的加热速度升至760℃保温14h，随炉冷却至室温；

再经空气炉加热淬火，加热速度为20℃/h，温度升至860℃保温12h，然后以90℃/h的升温，速度升至1030℃后出炉风冷；

以16℃/h的加热速度温度升到550℃，保温30h，空冷至室温后，最后以15℃/h的加热速度升至670℃，保温21h，空冷至室温，此时辊面硬度为50.5HRC；

（3）选用峰角α为155°的钻头，采用错位排列的分布方式在辊面上加工盲孔，待盲孔底部形状接近圆弧形，采用球头铣刀对已经加工的盲孔进行扩孔，保证盲孔周边残余量为0.2-0.5mm，采用螺旋球头铰铣刀对盲孔进行精加工，保证盲孔的加工精度为0-0.02mm；

（4）保护气氛下，将加工完毕的辊面升温至1060℃，保温12h后风冷淬火，再在保护气氛下，以25℃/h的加热速度温度升至560℃，保温24h进行一次回火，硬度至少为64HRC，最终得到组织为马氏体＋多组元合金碳化物＋细小弥散的二次碳化物＋少量残余奥氏体的高强耐磨辊面，最后将碳化钨烧结成的柱钉嵌入孔内，得到用于粉碎矿石的高压辊磨机辊面。辊面硬度66HRC±0.2，抗压强度3670±10MPa。