CN102703796B - 矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球及其加工工艺，针对我国的国情和相应的矿磨机直径，选择含铬量适中、含碳量较低使铬碳比在6以上的材料，以合适的热处理工艺获得最高耐磨性能的金相组织——马氏体、合金碳合物与残余奥氏体，同时它们占基体的比例最合理，为60%、20%、20%。本发明所制备的铸球产品致密度高，实验表明其表面硬度、冲击韧性与耐磨性均高于低铬磨球ZQCr2。本发明的加工工艺可实现产品机械化批量生产矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球，使用本发明的磨球可大幅度提高矿山生产中的生产效率，减轻劳动强度，实现清洁生产；本发明的磨球适用于冶金选矿行业的直径为2.5-5m的磨机，用于对矿石进行粉碎。

Description

矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球及其加工工艺

技术领域

本发明涉及一种水泥、火电、选矿等行业用的耐磨材料，具体地说是一种矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球及其加工工艺。

背景技术

铬系合金铸球是广泛应用于冶金选矿、水泥、火力发电等行业的主要磨耗材料，在全国每年磨球消耗中，矿山行业消耗占64%，因此降低矿山业中磨球的消耗意义尤为重大。

目前国际矿业采用的大型磨机，大多为直径8m以上，选用的磨球为高铬磨球，含铬量为18%以上的超高铬白口铸球。而由于使用上述的大型磨机时铸球的冲击韧性较大，铸球易碎，并且铬属于贵重金属，铬含量增加时就会使生产成本相应增加。

国内矿用磨机直径较小，一般为2.5-5m，采用低铬（ZQCr2）铸球，铬含量为2%。低铬铸球为非淬火磨球，硬度低，冲击韧性低，耐磨差，碎球率高，生产效率低，资源浪费严重。

基于上述原因，矿山行业急需要研究开发一种高硬度、高耐磨性、高冲击韧度的磨球来替代目前矿山业普遍使用的低铬铸球。

中国发明专利说明书CN101705435A公开了一种“超硬高铬铸造磨球的生产工艺方法”，其磨球含铬量10-10.5%，铸球经四个阶段的加热保温，再经油淬、回火而成，使高铬磨球硬度达到HRC64-66，显著提高高铬磨球的韧性和耐磨性。但是，该生产工艺方法从工程材料学的角度来说，因为铬（Cr）含量较低，该工艺不能用于生产直径大于100mm的磨球，否则所生产的直径大于100mm的磨球，球心部淬不透，心部得不到全马氏体基体，从而使得表面和心部硬度差超过国家和行业标准规定（规定的洛氏硬度差为3）；另一方面，该工艺选用210-240℃的低温回火温度，使得产品淬火应力消除不彻底，成品球保持较大的淬火应力。这两点使得铸球在使用的过程中出现早期表面剥落或者碎球的现象，大大增加了球耗，增加生产成本，造成资源的浪费，降低生产效率。

申请号为2010102267269中国发明专利申请，公开了一种“高铬磨球及其二次变质加工工艺”，其磨球含铬量10-13%，通过特殊的二次变质处理工艺加工而成。但是，该生产工艺存在着铬（Cr）含量偏低，碳（C）含量偏高的现象，铬碳比（Cr/C）较低；另外，其回火温度为340-360℃，偏低，造成产品淬火应力不能彻底消除，使得铸球的硬度、冲击韧性和耐磨性能达不到最佳的组合，最终使得在使用过程中造成铸球的磨耗大，早期表面易剥落和碎球率高，这些问题都会导致生产效率降低、生产成本增加和资源的浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球及其加工工艺，针对我国矿山所用磨机一般为中型直径的国情，选择含铬量适中、含碳量较低的金属材料，保证铬碳比在7左右，以获得最高耐磨的金相组织马氏体（M）合金碳合物（M₇C₃）残余奥氏体（A_残），且三者的比例合理，保证了产品获得表面硬度、心部硬度、冲击韧性的最佳组合，最终使得产品的使用性能，耐磨性能达到最高，使用时的碎球率低、球耗低，从而实现矿山生产降低生产成本、提高生产效率的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球，其化学成分及百分比含量如下：

C：2.00～2.30，         Si：0.30～0.80，        Mn：0.40～1.00，

Cr：12.50～14.00，     Re：0.02～0.03，        P：≤0.10，

S：≤0.06，                  Mo：≤0.20，             余量为Fe。

本发明还提供了上述高耐磨高铬合金铸铁磨球的加工工艺，它按照以下步骤顺序进行：

（1）铸造成型

将含有上述化学成分的物质熔炼成的金属液，浇注到预制好的金属铁模内成型，然后开箱取出铸球，再进行清理，磨浇口，得到毛坯球；

（2）油淬

将毛坯球在炉内加热到960-970℃，保温2-2.5h，然后进行油淬；在油中冷却至铸球温度为200℃，出油；

（3）回火

将淬火后的球在回火炉内加热回火，回火温度为410-420℃，保温6-6.5h，出炉，放入缓冷坑；缓慢冷却至200℃出坑，空冷至室温，得成品，即矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

⑴碳是形成合金碳化物主要元素，合金碳化物M₇C₃在耐磨性方面起着重要作用。碳含量决定碳化物的数量和铬碳比。如果含碳量过高则韧性相对降低，碳铬比下降则M₇C₃数量减少，耐磨性降低。

基于综合考虑，本发明通过严格控制碳的含量和铬的含量，保证铬碳比（Cr/C）在6.5-7.5之间，进而保证本发明的产品获得最佳的耐磨性、韧性及综合性能的配合。因此本发明高耐磨高铬合金铸球的C含量为2.00～2.30% ，Cr含量为12.50～14.00%。

⑵Cr是碳化物形成元素，它易熔于奥氏体中以强化基体增加淬透性，使铸球的强度和硬度明显增加。研究表明高铬球中的Cr/C大于5就能获得大部分是高硬度M₇C₃型碳化物的金相组织；同时，铬碳比越高，其淬透性越好。化学成分中的铬，除了一部分形成合金碳化物外，还有一部分熔解到基体里。

铬对淬透性的影响主要是固溶在机体中的铬。本发明以“机体中固溶的铬含量重量百分数W(Cr)=1.95×铬碳比-2.47”、“铬碳比为7左右时能够获得最佳综合性能（耐磨性、硬度和韧性）”为理论依据，以保证实现发明目的为目标，确定铸球Cr含量为12.50-14.00%。

⑶所添加的微量Mo和Re中，Mo不仅能提高淬透性，而且能细化晶粒，具有提高耐磨性的作用；Re作为孕育剂，将稀土硅合金加入铁水包中，其作用是净化铁水，去除杂质，以减弱碳化物对铸球基体产生的割裂作用，从而提高磨球的综合性能。

由于钼铁价格昂贵，用量过高使得成本增加，本发明经综合考虑，最终确定钼的加入量≤0.20%，稀土硅加入量为铁水的0.30%。

⑷硅（Si）是促使石墨化，降低淬透性的一种脱氧元素，一般要严格控制在0.30-0.80%。

⑸锰（Mn）是提高淬透性、扩大奥氏体区的一种有效元素，其作用一是脱氧，二是强化基体和形成碳化物。 Mn含量过高时会增加奥氏体的稳定性，从而增加残余奥氏体量，因此降低硬度。所以含量不宜太高，控制在0.40%-0.80%。

⑹本发明的加工工艺中，铸球采用了机械化铸造工艺，可实现机械化批量生产，大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，并达到清洁生产的目的。

⑺本发明与背景技术中所述的的中国发明专利、中国发明专利申请相比，其成分设计更加科学，生产工艺先进，能够生产直径为100-140mm的矿山用合金铸球，而且能够获得最佳组合的金相组织，即马氏体（M）+合金碳化物（M₇C₃）+残余奥氏体（A_残），保证了产品的表面硬度、心部硬度、冲击韧性，具有最优的综合性能，从而使矿山生产中磨球的球耗低、碎球率低，延长补球周期，从而降低生产成本，提高生产效率。

申请人对本发明所提供的磨球进行了实验室试验和工业性试验，结果如下：

①实验室测得本发明所提供磨球表面硬度是低铬球ZQCr2的1.29倍，冲击韧性是低铬球ZQCr2的2.55倍，耐磨性是低铬球ZQCr2的2.25倍。

②工业性实验与实验室实验耐磨性结果是相吻合的，工业性试验证明本发明磨球的耐磨性是低铬球ZQCr2的2.44倍。

本发明的加工工艺可实现产品机械化批量生产矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球，使用本发明的磨球可大幅度提高矿山生产中的生产效率，减轻劳动强度，实现清洁生产；本发明的磨球适用于冶金选矿行业的直径为2.5-5m的磨机，用于对矿石进行粉碎。

本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

图1、图2分别为本发明实施例1冲击试验后磨球的两不同观测点在500倍显微镜下的金相组织（M+M₇C₃+A_残）。

具体实施方式

实施例１

一种矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球，球径140mm，以百分比计，其化学成分如下：

C—2.10，Si—0.57，Mn—0.60，Cr—3.30，Re—0.02，P—0.070，S—0.035，Mo—0.15，余量为Fe。

该磨球的加工工艺如下：

（11）铸造、磨浇口

取上述的化学成分熔炼成的金属液，浇注到预制好的金属铁模内成型，然后开箱取出铸球；再进行清理，磨浇口，得到毛坯球；

（12）热处理

将毛坯球装框，在推杆式全自动淬火线炉内加热到960℃，保温2.5小时（四区960℃，5框，30min推一框）然后进行油淬，油温70℃，在油池中浸摇约10min，在油中冷却至铸球温度为200℃，出油；

（13）回火

将淬火后表面硬度合格的淬火球装框，在回火炉内加热回火，回火温度为420℃，保温6小时，出炉，放入缓冷坑，缓慢冷却至200℃出坑，空冷至室温，即得成品矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球。

用最佳的试验条件进行实验室试验与检测并进行工业化生产实验，以验证试验确定的最佳成分配比与工艺条件：

一、实验室试验与检测：

实际试验中，对含上述化学成分并经上述铸造工艺和热处理工艺所制得的高耐磨高铬合金铸球进行了测试，相关内容如下：

①冲击实验：用线切割机通过浇口，切割出10mm×10mm×140mm试样，再从试样中间切成10×10mm×55mm的无缺口标准试样，用150型冲击实验机做冲击实验，其冲击实验结果为：α_K=5.1J/cm2。

②球的心部硬度测定：将做完冲击实验的试样两对面磨平，用HR-150A型洛氏硬度计测定心部硬度，其测定结果如下：

③球表面硬度测定：

将试验球上下面磨成平行平面，用HR-150A型洛氏硬度计测定表面硬度，其测定结果如下：

结果显示，表面与心部硬度的差值为HRC2.1，符合国标（GB/T 19445-2009）和冶金行业标准（YB/T 092-1996）的要求。

④金相组织观察

冲击实验后的试样在500倍金相显微镜下显示，其金相组织为马氏体M+高硬度合金碳化物M₇C₃+残余奥氏体A_残，如图1和图2所示，马氏体、合金碳合物与残余奥氏体所占基体的比例分别为60%左右、20%左右、20%左右。

注：图1、图2所示分别为两不同观测点的金相组织图。

⑤耐磨性试验

ⅰ试验设备：MLD-10型动载磨料磨损试验机。

ⅱ试验参数

试样尺寸：10mm×10mm×30mm；

冲击功：4J；

冲击次数：150次/min；

对磨试样：淬火45钢，硬度HRC58，圆环试样，转速200r/min；

磨料：1mm石英砂，流量为120kg/h；

试验时间：1.5h。

调整好上述参数，开动磨损试验机，先预磨20min，使试样的磨损面与对磨环试样面吻合；卸下试样，清洗干净，烘干，用德国塞利斯电子天平测定出试前试样重量，将称重后的试样，装上试验机进行磨损试验，试验时间为1.5小时；停机卸下试样，清洗干净，烘干，用电子天平测定磨损试样后的试样重量，以磨损试验前后试样失重来表示材料的耐磨性，其结果如下：

ⅲ 耐磨性

本发明的磨损率（W率）采用单位时间的材料磨损量（g）表示，本次试验在上述参数下试验其结果如下：

磨损率（W率）=平均失重(g)/时间=0.2892/1.5=0.1928g/h

耐磨性=1/W率=1/0.1926=5.1867h/g

本发明涉及的高耐磨高铬合金铸球与ZQCr2性能指标的比较：

结果表明，在实验室相同工况条件下，本发明铸球表面硬度是低铬球ZQCr2的1.29倍，冲击韧性是低铬球ZQCr2的2.55倍，耐磨性是低铬球ZQCr2的2.25倍。

二、工业化生产实验结果：

将实验室优选出的最佳条件用于工业生产中，工业试验结果如下：

⑴将生产的经热处理的成品高耐磨高铬合金铸球，在山西灵丘县正宇矿建开发有限责任公司φ2.7米磨机中进行工业性磨损试验，磨料为铁矿石，其结果如下：

球耗比=ZQCr2/本发明=854/350=2.44，即表明原用低铬球ZQCr2的吨矿球耗是本发明球耗的2.44倍。

性价比=5700×2.44/7700=1.8，即磨同样吨数的铁矿石，用原来的ZQCr2磨球需要多花80%的铸球费用，另外还需考虑补球停磨时间，综合考虑效益选用本发明铸球大大降低企业成本，并提高生产效率。

工业性实验与实验室实验耐磨性结果相吻合，实验室耐磨性本发明球是低铬球ZQCr2的2.2倍，工业性试验是本发明铸球的耐磨性是低铬球ZQCr2的2.44倍。

⑵将本发明铸球在河北灵寿华胜选矿厂φ1.83米选矿磨机上进行工业实验运行，磨料为铁矿石，其结果如下：

球耗比=ZQCr2/本发明=1800/560=3.21，即表明原用ZQCr2低铬球的吨矿球耗是本发明球耗的3.21倍。

性价比=4500×3.21/8000=1.81，即磨同样吨数的铁矿石，用原来的ZQCr2磨球需要多花费81%的铸球费用，另外原来用低铬球选矿运行24小时需停机3小时来补加磨球，而现在改用本发明铸球磨机运行72小时才停机补加一次球，大大提高了生产效益。

实施例2-6

实施例2-6分别为一种矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球，各自的化学成分如下表所示：

实施例2-6的矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球，加工工艺分别按照以下步骤顺序进行：

（1）铸造成型

将相应实施例中的化学成分熔炼成的金属液浇注到预制好的金属铁模内成型，然后开箱取出铸球；再进行清理，磨浇口，得到毛坯球；

（2）油淬

将上步获得的毛坯球装框在推杆式全自动淬火线炉内加热至相应温度，保温相应的时间，然后进行油淬，在油中冷却至铸球温度为200℃，出油；

（3）回火

将淬火后表面硬度合格的淬火球装框在回火炉内加热回火，回火至相应的温度，保温相应的时间，出炉放入缓冷坑，缓慢冷却至200℃出坑空冷至室温，即得成品矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球。

Claims (1)

1.一种矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球的制备方法，其特征在于：该合金铸铁磨球的化学成分及百分比含量如下：

C：2.00～2.30，Si：0.30～0.80，Mn：0.40～1.00，Cr：13.50～14.00， RE：0.02～0.03，

P≤0.10，S≤0.06， Mo≤0.20，余量为Fe；

该制备方法按照以下步骤顺序进行：

（1）铸造成型

将含有所述化学成分熔炼成的金属液浇注到预制好的金属铁模内成型，然后开箱取出铸球，再进行清理，磨浇口，得到毛坯球；然后

（2）油淬

将毛坯球在炉内加热到960℃-970℃，保温2-2.5h，然后进行油淬；在油中冷却至铸球温度为200℃以下时，出油；

（3）回火

将淬火后的球在回火炉内加热回火，回火温度为410-420℃，保温6-6.5h后，出炉放入缓冷坑；缓慢冷却至200℃出坑，空冷至室温，得成品磨球，即矿山专用高耐磨高铬合金铸铁磨球。

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