DE69501733T2

DE69501733T2 - Hochkohlenstoff-stahllegierung, deren bearbeitung und verwendung als verschleissteil

Info

Publication number: DE69501733T2
Application number: DE69501733T
Authority: DE
Inventors: Michel Bonnevie
Original assignee: Magotteaux International SA; Amic Industries Ltd
Current assignee: Amic Industries Ltd
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2015-04-15
Also published as: IN191664B; JP3923075B2; ES2121371T3; AU684632B2; MX9604925A; KR970702382A; PL317125A1; BE1008247A6; MY113054A; US5855701A; CA2187165A1; SK133796A3; BR9507841A; AU2250595A; DE69501733D1; EP0756645B1; KR100382632B1; WO1995028506A1; SK282903B6; JPH09512058A

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Mahikörpern, die als Verschleißteile, und insbesondere als Mahlkugeln verwendet werden.

Stand der Technik

In der Bergbauindustrie ist es erforderlich, wertvolle Erze aus dem Gestein, in dem sie eingebettet sind, unter Berücksichtigung ihrer Konzentration und ihrer Extraktion herauszulösen
Für eine solche Herauslösung muß das Erz fein gemahlen und zerquetscht werden.
Wenn nur die Mahlstufe betrachtet wird, wird geschätzt, daß 750.000 bis 1 Million Tonnen Mahlkörper jährlich auf der ganzen Welt in Form von sphärischen Kugeln oder kegelstumpfförmigen oder zylindrischen Cylpebs verwendet werden.
Die gewöhnlich verwendeten Mahlkörper bestehen aus:
1. Niedriglegierten martensitischen Stählen (0,7-1% Kohlenstoff, Legierungselemente weniger als 1%), gebildet durch Walzen oder durch Schmieden, gefolgt von einer Wärmebehandlung, um eine Oberflächenhärte von 60-65 Rc zu erhalten.
2. Martensitischem Gußeisen, legiert mit Chrom (1,7-3,5% Kohlenstoff, 9-30% Chrom), gebildet durch Gießen und Wärmebehandlung, um eine Härte von 60-68 Rc in allen Querschnitten zu erhalten.
3. Niedriglegiertem, perlitischem weißem Eisen (3-4,2% Kohlenstoff, Legierungselemente weniger als 2%), unbehandelt und mit einer Härte von 45-55 Rc, erhalten durch Gießen.
Alle gegenwärtigen Lösungen haben ihre Nachteile:
- Bei den geschmiedeten martensitischen Stählen sind es die Investitionskosten für die Schmiede- oder Walzmaschinen und der Wärmebehandlungsapparat, der den Energieverbrauch erhöht.
- Bei dem chromlegierten Eisen werden die zusätzlichen Kosten durch die Legierungselemente (hauptsächlich das Chrom) und die Wärmebehandlung hervorgerufen.
- Schließlich sind bei dem niedriglegierten, perlitischen weißen Eisen die Herstellungskosten im allgemeinen ziemlich niedrig, aber die Abriebfestigkeitseigenschaften nicht so gut wie bei den anderen Lösungen. Außerdem werden gewöhnlich nur Mahlkörper unter 60 mm industriell hergestellt.
Insgesamt gesehen stellen in dem Fall von Erzen, bei denen das Gestein sehr abrasiv ist (z.B. Gold, Kupfer, ...), die gegenwärtigen Lösungen die Verwender nicht vollständig zufrieden, da die Kosten der einer Abnutzung unterworfenen Produkte und Materialien (Mahlkugeln und anderen Gußteile) noch wesentlich zu den Herstellungskosten der wertvollen Metalle beitragen.
In dem Dokument: PATENT ABSTSACTS OF JAPAN, Band 14, Nr. 77 (C-0688), 14. Februar 1990, und in JP.A.01 294821 (KAWASAKI HEAVY IND. LTD.), 28. November 1989 wird die Herstellung von Mahlstäben mit hoher Abnutzungsfestigkeit und Zähigkeit, sowie ausgezeichneter Haltbarkeit beschrieben, und zwar wird ein gewaiztes Teil aus Chromstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt unter spezifischen Bedingungen einer Wasserhärtung unterworfen, und danach wird das Teil bei niedriger Temperatur angelassen. Ein gewalztes Teil aus Chromstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, das nach Gewicht 0,5-1,5% C, < 0,8% Si, < 1,0% Mn und 0,90-1,60% Cr enthielt, wurde unter den Bedingungen 220-380 m² Kühlwasser pro Oberflächeneinheit des gewalzten Teils, und 2-4 Minuten Kühizeit einer Wasserhärtung unterworfen, und danach bei niedriger Temperatur angelassen. Auf diese Weise wird die Abschreckhärtung bei dem Wasserhärten unterdrückt, um die Härtungstiefe an der Oberfläche zu vergrößern, und die Härtung in dem Kernteil verringert, um die Zähigkeit aufrechtzuerhalten.
In GB-A-2006824 werden geschmiedete Mahlelemente aus chromhaltigem weißem Gußeisen beschrieben. Das Produkt wird als Stab gegossen und dann in Stücke zerschnitten. Die Stücke werden geschmiedet, und dann uhter für die Bildung von Perlit günstigen Bedingungen abgekühlt.
Das Produkt wird zwei aufeinanderfolgenden Wärmebehandlungen unterworfen, wobei die letzte Wärmebehandlung vorgesehen ist, um eine martensitische oder austenitische Struktur hervorzurufen.
Bei diesem Prozeß wird eine perlitische Zwischenstruktur hervorgerufen, um die Struktur für die zweite Wärmebehandlung besser zu homogenisieren, aber die endgültige Struktur des Produktes ist keine perlitische Struktur.
In dem Dokument: DATABASE WPI, Week 7814, Derwent Publications Ltd. London, GB; AN 78-26355a und in JP.A.53 019 916 (TOYO CHUKO K.K.), 23 wird eine graphitierte Gußstahlkugel für eine Kugelmühle beschrieben - mit Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Ohrom, Molybdän, Nickel, Phosphor, Magnesium, und wahlweise seltenen Erdmetallen und Kalzium.
Der Stahl besteht aus (nach Gewicht) 1,7-4% 0, 0,5-3,5% Si, 0,3-3% Mn, 0,2-6% Cr, 0,3-3% Mo, 0,1-4% Mi, ≤0,06% P, 0,03-0,6% Mg und wahlweise seltenen Erdmetallen, Kalzium in einer geringen Menge, und als Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen. Er wird zu einer sphärischen Kugel gegossen, und thermisch behandelt, um die Härte einzustellen.
Der Kohlenstoff wird verwendet, um Graphit abzuscheiden und ein dispergiertes Chromcarbid zu erzeugen. Das Si gibt geschmolzenem Roheisen eine gute Fluidität und eine hervorragende Gießbarkeit. Das Mn gibt der Stahlkugel Abriebfestigkeit. Ni und Mo geben dem Stahl zähigkeit und Härte. Der P beeinflußt die Zähigkeit des Gußeisens.
Die Stahlkugel hat einen Durchmesser von 17-90 mm und eine Rockwell- Härte von 45-65, und sie wird verwendet, um Zementklinker in einer Kugelmühle zu zerquetschen.
GB-A-2024860 bezieht sich auf Quetschkörper, die aus Stahl geschmiedet sind, der einen hohen Kohlenstoffgehalt und insgesamt eine fein unterteilte martensitische Struktur hat, und der einen carbidgehalt von 2 bis 6 Gewichts prozent in Form von gemischten Eisen- und Chromcarbiden vom Typ (Fe, Cr)&sub3;C aufweist.
Das Verfahren zur Herstellung dieser Quetschkörper besteht darin, daß ein Stab oder Knüppel aus gegossenem oder formgepreßtem Stahl, der die gewünschte Zusammensetzung hat, bis auf eine Temperatur in der Größenordnung 900 bis 1100ºC erhitzt wird; der Stab bei dieser Temperatur eventuell in Knüppel zerschnitten wird, und die Knüppel bei dieser Temperatur von 900 bis 1100ºC geschmiedet werden. Die Körper werden dann in Öl oder Wasser, z.B. in Öl bei 300ºC, direkt abgeschreckt, und können dann bei 200-500ºC angelassen werden.
Die PATENT ABSTRAOTS OF JAPAN, Band 6, Nr. 78 (C-102), 15. Mai 1982, und JP.A.57 013150 (KOMATSU LTD.), 23. Januar 1982 beziehen sich auf eine Wärmebehandlung von Kugellegierungen, die eine erhöhte Abnutzungs- und Quetschfestigkeit und eine optimale Oberflächenhärte haben, wobei diesen Legierungen eine vorgeschriebene Menge C, Si, Mn, Cr., usw. zugegeben wird, und eine Wärmebehandlung bei einer spezifizierten Temperatur ausgeführt wird: Eine Legierung, die aus 1,70-2,60% C, 0,30-1,00% Si, 0,30-1,00% Mn, 8,00- 14,0% Cr, ≤0,4% B, ≤0,80% Mo und Eisen als Rest besteht, wird auf 900-1000ºC erhitzt, und in Luft von 850ºC mit einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit von 30-300ºC/sec bis auf 650ºC abgekühlt.
EP-A-0014655 bezieht sich auf Mahlkörper, die man in einer offenen Blockform eines Stabes erstarren läßt, der danach in Stücke zerschnitten wird. Vor oder nach dem Zerschneiden in Stücke ist eine Wärmebehandlung vorgesehen, um eine austenitische oder martensitische Struktur zu erhalten.
EP-A-0120748 bezieht sich auf Mahlstäbe, bei denen eine gesteuerte Abkühlung eine feine Oberflächenstruktur und eine dendritische Kernstruktur ergibt.

Ziele der Erfindung

Das hauptsächliche Ziel der Erfindung ist, Stähle zu verwirklichen, die verbesserte Eigenschaften haben, und insbesondere, die Probleme und Nachteile der Lösungen des Standes der Technik für Verschleißteile (besonders Mahlkörper) zu beseitigen. Die Zusammensetzung, das Gießen, und die Abkühl bedingungen nach dem Gießen, gemäß der Erfindung, ermöglichen einen Stahl zu verwirklichen, dessen Abnutzungsfestigkeit, besonders unter sehr abrasiven Bedingungen, mit der Abnutzungsfestigkeit von geschmiedeten Stählen und chromgußeisen vergleichbar ist, wobei jedoch die Kosten dieses Stahls geringer sind, und der Stahl (bei vergleichbaren Kosten) perlitischem Gußeisen überlegen ist.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet aufgrund der folgenden Beschreibung der Merkmale der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich werden.

Kennzeichnende Elemente der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Herstellung von Mahlkörpern aus legiertem Stahl mit der Zusammensetzung (ausgedrückt in Gewichtsprozenten):
Kohlenstoff 1,1 bis 2,0%
Mangan 0,5 bis 3,5%
Chrom 1,0 bis 4,0%
Silizium 0,6 bis 1,2%
und als Rest Eisen mit dem üblichen Gehalt an Verunreinigungen, wobei bei diesem Verfahren die Mahlkörper nach dem Gießen einer Stufe unterworfen werden, bei der sie von einer Temperatur über 900ºC mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 0,30 und 1,90ºC/s bis auf eine Temperatur von ungefähr 500ºC abgekühlt werden, um eine metallographische Struktur zu erhalten, die hauptsächlich aus nicht im Gleichgewicht befindlichem, feinem Perlit besteht und eine Härte zwischen 47 Rc und 54 Rc hat.
Für Mahlkörper, insbesondere Mahikugeln, liegt der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise zwischen 1,2 und 2,0%, noch besser zwischen 1,3 und 1,7%, und am besten bei ungefähr 1,5%, um eine optimale Abnutzungsfestigkeit zu erhalten, während die Schlagfestigkeit aufrechterhalten wird.
In der Praxis ist es ratsam, den Magangehalt in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Mahlkugel und der Abkühlgeschwindigkeit auszuwählen, um die feine Perlitstruktur zu erhalten.
Die folgenden Zusammensetzungen sind hinsichtlich der Abnutzungsfestigkeit vorteilhaft für Mahikörper, insbesondere Mahlkugeln mit 100 mm Durchmesser.
Kohlenstoff ungefähr 1,5%
Mangan ungefähr 1,5 bis 3,0%
Chrom ungefähr 3,0%
Silizium ungefähr 0,8%.
Für Mahlkugeln mit 70 mm Durchmesser hat sich eine Legierungszusammensetzung mit:
Kohlenstoff ungefähr 1,5%
Mangan ungefähr 0,8 bis 1,5%
Chrom ungefähr 3,0%
Silizium ungefähr 0,8%
als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die verwendete Wärmebehandlung wird so ausgewählt, daß die Mengen von Zementit, Martensit, Austenit und grobem Perlit, die in der Struktur des Stahls auftreten können, minimiert werden.
Die Verschleißteile und insbesondere die Mahlkörper werden beim Gießen direkt geformt, und das Gießen kann nach irgendeiner bekannten Gießtechnik ausgeführt werden.
Die Perlitstruktur wird durch Herausziehen des noch heißen Teils aus der Gießform und durch Anpassen der chemischen Zusammensetzung an die Masse des Teils und die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Herausziehen aus der Gießform erhalten.
Die Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen, die zur Veranschaulichung wiedergegeben sind, wobei sie jedoch keine Begrenzung darstellen.
Bei den Beispielen sind die Prozentsätze in Gewichtsprozenten ausgedrückt.

Beispiele 1 bis 4

Bei allen Beispielen wird eine Stahlzusammensetzung mit 1,5% Kohlenstoff, 3% Chrom und 0,8% Silizium verwendet, wobei der Rest Eisen mit dem üblichen Gehalt an Verunreinigungen ist. Der spezifische Mangan- und Chromgehalt, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, ist für die verschiedenen Beispiele in der Tabelle 1 für verschiedene Kugelgrößen angegeben. Tabelle 1
Nach der vollständigen Erstarrung wird das Teil bei der höchstmöglichen Temperatur, die mit einer leichten Handhabung vereinbar ist, und vorzugsweise über 900ºC aus seiner Form herausgezogen.
Das Teil wird dann mit einer in Abhängigkeit von seiner Masse festgelegten Abkühlgeschwindigkeit auf homogene Weise abgekühlt.
Diese gesteuerte Abkühlung wird bis zu einer Temperatur von 500ºC aufrechterhalten, wonach sich das Teil frei abkühlen kann.
Die mittlere Abkühlgeschwindigkeit, ausgedrückt in ºC/s, zwischen den Temperaturen 1000ºC und 500ºC ist für die obenerwähnten zwei Beispiele in der Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2
Der hauptsächliche Vorteil dieser Wärmebehandlung ist, daß die feine perlitstruktur am leichtesten erhalten werden kann. Außerdem kann die restliche Wärme des Teils nach dem Gießen genutzt werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Die Schliffbilder der Figuren 1 und 2 geben die Struktur der gemäß der Erfindung erhaltenen Stähle wieder.
Die Figur 1, 400-fach vergrößert, gibt das Schliffbild einer 100 mm-Kugel wieder, die die folgende chemische Zusammensetzung hat, ausgedrückt in Gewichtsprozenten:
1,5% Kohlenstoff
1,9% Mangan
3,0% Chrom
0,8% Silizium.
Nach dem Herausziehen aus der Form wurde dieses Gußteil von 1100ºC bis auf Raumtemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1,30ºC/s gleichmäßig abgekühlt.
Die gemessene Rockwellhärte beträgt 51 Rc. Die Struktur besteht aus feinem Perlit, 8-10% Zementit, und mindestens 5-7% Martensit.
Die Figur 2, 400-fach vergrößert, gibt das Schliffbild einer 70 mm-Kugel wieder, die die folgende chemische Zusammensetzung hat, ausgedrückt in Gewichtsprozenten:
1,5% Kohlenstoff
1,5% Mangan
3,0% Chrom
0,8% Silizium.
Nach dem Herausziehen aus der Form wurde dieses Teil von 1100ºC mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1,50ºC/s bis auf Raumtemperatur gleichmäßig abgekühlt.
Die gemessene Rockwellhärte beträgt 52 Rc. Die Struktur weist feinen Perlit und 5-7% Martensit auf.
Die Mahlkörper oder Kugeln, deren Schliffbilder in den Figuren 1 und 2 wiedergegeben sind, wurden Abnutzungstests unterworfen, um ihr Verhalten und ihre Eigenschaften in einer industriellen Umgebung zu überprüfen.
Die Abnutzungsfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung wurde dabei nach der Technik der Versuche mit den markierten Kugeln beurteilt. Bei dieser Technik wird eine vorgegebene Menge Kugeln aus der erfindungsgemäßen Legierung in eine industrielle Mahimühle gegeben. Zunächst werden die Kugeln nach dem Gewicht sortiert und durch Bohrlöcher identifiziert, zusammen mit Kugeln mit gleichem Gewicht aus einer oder mehreren nach dem Stand der Technik bekannten Legierungen. Nach einer vorgegebenen Betriebsdauer wird die Mühle angehalten, und die markierten Kugeln werden herausgenommen. Die Kugeln werden gewogen, und der Gewichtsunterschied ermöglicht, die Leistungsfähigkeit der verschiedenen getesteten Legierungen miteinander zu vergleichen. Diese Kontrollen werden mehrere Male wiederholt, um einen statistisch gültigen Wert zu erhalten.
Ein erster Test wurde in einer Mühle bei einem besonders abrasiven Erz ausgeführt, das über 70% Quarz enthielt. Die Kugeln mit 100 mm Durchmesser wurden über fünf Wochen jede Woche getestet. Die Bezugskugel aus martensitischern weißen Eisen mit hohem Chromgehalt wurde von einem anfänglichen Gewicht von 4,600 kg bis auf 2,800 kg abgenutzt. Die relativen Abnutzungsfestigkeiten der verschiedenen Legierungen sind nachstehend zusammengefaßt:
- Martensitisches weißes Eisen mit 12% Ohrom und 64 Rc: 1 x
- Erfindungsgemäßer Stahl mit 51 Rc: 0,98 x.
Ähnliche Tests wurden in anderen Mühlen ausgeführt, wo das behandelte Erz ebenfalls sehr abrasiv war, aber wo die Aufprallbedingungen, verglichen mit den Betriebsbedingungen der Mühle, verschieden waren.
Die Ergebnisse, die mit den Kugeln aus der erfindungsgemäßen Legierung erhalten wurden, lagen sehr nahe (0,9- bis 1,1-facher Wert) bei denen, die bei dem weißen Eisen mit hohem Chromgehalt erhalten wurden.
Diese gute Abnutzungsfestigkeit der erf indungsgernäßen perlitischen Legierung bei abrasiver Abnutzung ermöglicht, die mit dem Mahlen verbundenen Kosten des Verwenders wesentlich zu senken.
In der Tat, die Vereinfachung der Herstellungsverfahren, die Verringerung der Anschaffungs- und Betriebskosten, und die Verringerung des Anteils der Legierungselernente im Vergleich zu Ohromeisen ergeben eine wirtschaftlichere Herstellung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mahikörpern aus legiertem Stahl mit der zusammensetzung (ausgedrückt in Gewichtsprozenten):

Kohlenstoff 1,1 bis 2,0%

Mangan 0,5 bis 3,5%

Chrom 1,0 bis 4,0%

Silizium 0,6 bis 1,2%

und als Rest Eisen mit dem üblichen Gehalt an Verunreinigungen, wobei bei diesem Verfahren die Mahikörper nach dem Gießen einer Stufe unterworfen werden, bei der sie von einer Temperatur über 900ºC mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 0,30 und 1,90ºC/s bis auf eine Temperatur von ungefähr 500ºC abgekühlt werden, um eine endgültige metallographische Struktur zu erhalten, die hauptsächlich aus nicht im Gleichgewicht befindlichem, feinem Perlit besteht und eine Härte zwischen 47 Rc und 54 Rc hat.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt der Mahikörper zwischen 1,2 und 2,0% liegt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt der Mahlkörper zwischen 1,3 und 1,7% liegt.

4. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt der Mahikörper ungefähr 1,5% beträgt.

5. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Perlitstruktur durch Herausziehen des noch heißen Teils aus der Gießform und durch Anpassen der chemischen Zusammensetzung an die Masse des Teils und die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Herausziehen aus der Gießform erhalten wird.

6. Mahikörper, erhalten nach dem Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-5, wobei die Mahikörper als Mahlkugeln mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm gegossen werden, und die Legierungszusammensetzung ist:

Kohlenstoff ungefähr 1,5%

Mangan ungefähr 1,5 bis 3,0%

Chrom ungefähr 3,0%

Silizium ungefähr 0,8%.

7. Mahlkörper, erhalten nach dem Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-5, wobei die Mahikörper als Mahikugeln mit einem Durchmesser von ungefähr 70 mm gegossen werden, und die Legierungszusammensetzung ist:

Kohlenstoff ungefähr 1,5%

Mangan ungefähr 0,8 bis 1,5%

Chrom ungefähr 3,0%

Silizium ungefähr 0,8%.