CN102839316B

CN102839316B - 超高铬磨球及其加工工艺

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Publication number: CN102839316B
Application number: CN201210368130.1A
Authority: CN
Inventors: 赵文亮
Original assignee: SHIJIAZHUANG CHENGDA WEARABLE MATERIALS CO Ltd
Current assignee: SHIJIAZHUANG CHENGDA WEARABLE MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN102839316A

Abstract

本发明公开了一种超高铬磨球及其加工工艺，选用含铬量适中、含碳量较低的金属原料，保证铬碳比在7～10左右，以获得最高耐磨性的金相组织马氏体（M）+合金碳合物（M₇C₃）+残余奥氏体（A_残），且三者的比例合理，加工工艺包括依次进行的一次变质处理、脱氧、二次变质处理等步骤。本发明保证了产品具有表面硬度、心部硬度与冲击韧性为最佳的组合，从而使产品的使用性能、耐磨性能最佳，所制磨球在使用时碎球率低、球耗低，达到了矿山生产降低生产成本、提高生产效率的目的。本发明的磨球适用于冶金选矿行业、电厂的磨机，对矿石、煤进行粉碎。

Description

超高铬磨球及其加工工艺

技术领域

本发明涉及一种冶金、矿山、水泥、火力发电等行业用的耐磨材料，具体地说是一种超高铬磨球及其加工工艺。

背景技术

铬系合金磨球作为一种研磨介质，广泛应用于水泥、矿山、火力发电、粉末冶金等行业。由于工况不同，要求不同，磨球材质也多种多样，如有锻造钢球、稀土镁球墨铸铁磨球，还有高、中、低铬合金铸球等。按加工方式分，磨球有金属模铸球、覆膜砂铸球、砂型铸球、消失模铸球等种类。

圆筒型磨机的生产过程都是采用物料、磨球、磨机衬板三种研磨体相互研磨的过程，物料被磨碎的同时，都伴随着磨球、磨机衬板的磨损，使得磨球的磨损率较高。

中国发明专利CN 101876027公开了“一种高铬磨球及其二次变质加工工艺”，其C含量为1.80％～3.20％、Si含量为0.30％～1.00％、Cr含量为10.00％～13.00％，Ti 和B 的重量比大于3，V 和Ti 的重量比大于2.8，并严格控制钛、硼、钒之间的重量比。在加工时，配料经脱氧处理后，再经过一次变质处理和二次变质处理，一次在炉内，一次在包内。使用上述方法所制得的磨球的Cr/C比为3～7，不能完全得到M₇C₃型合金碳化物，使得磨球的淬透性、耐磨性和冲击韧性降低，且不能用于生产直径大于φ100mm以上的大型磨球，并且贵金属B、V、Ti等的加入，使得磨球的生产成本增加。

中国发明专利CN 101760692公开了一种“超高铬铸造磨球及其热处理工艺”，其C含量为2.00～2.80，Cr含量为23.00～23.50，是在传统超高铬铸造磨球ZQCr26化学成分和淬火工艺的基础上进行优化改进，在不加Mo、Ni等贵金属的情况下采用油冷淬火工艺进行加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种超高铬磨球及其加工工艺，选择含铬量适中、含碳量较低的金属原料，同时保证铬碳比在7～10左右，以获得最高耐磨性的金相组织马氏体（M）+合金碳合物（M₇C₃）+残余奥氏体（A_残），且三者的比例合理，同时依次经过一次变质处理、脱氧、二次变质处理的工序来进行加工，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：

一种超高铬磨球，其化学成分以重量百分比计如下：

C 2.00～2.70， Si 0.30～0.80， Mn 0.40～1.00， P≤0.10 ，

S≤0.06， Cr 18.00～21.00， Re 0.06～0.12，余量为Fe。

本发明还提供了超高铬磨球的加工工艺，该加工工艺按照以下步骤顺序进行：

（1）熔炼

按照相应的化学成分精确配料后，用酸性中频电炉熔炼，熔清后取样，分析化学成分符合标准后，备用；

（2）一次变质处理

将化学成分合格的铁水加热至出炉温度1500～1540℃，出炉前5 min向炉内加入重量为铁水重量0.2%的孕育剂稀土硅，进行第一次变质处理，得到一次变质处理后的铁水；

（3）脱氧处理

向一次变质处理后的铁水中加入重量为铁水重量0.15%的铝，进行脱氧处理，得到脱氧后的铁水；

（4）二次变质处理

向脱氧后的铁水中加入重量为铁水重量0.2%的钇稀土，进行第二次变质处理，得到二次变质处理后的铁水；

（5）铸造成型

待二次变质处理后的铁水温度降至浇铸温度1380～1400℃时，浇铸到预制好的金属铁模内成型，凝固后开模取出铸球；再清理磨浇口，得到毛坯球；

（6）淬火

将上述毛坯球在淬火炉内加热到970～990℃，保温2～2.5 h，然后倒入恒温油槽内的摇床里，在油槽中冷却到铸球温度为200℃以下出油槽，得淬火后的铸球；

（7）回火

将淬火后的铸球倒入回火筐，放进回火炉内回火，回火温度为420～430℃，保温时间为6～6.5 h，出炉后放入缓冷坑；

缓冷至200℃出坑，空冷至室温，得到成品磨球，即超高铬磨球。

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：

（1）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型合金碳化物数量减少，耐磨性降低。

综合考虑，本发明通过严格控制碳和铬的含量，保证铬碳比（Cr/C）在7～10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2.00～2.70% ，Cr含量为18.00～21.00%。

Cr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。确保本发明的材质Cr/C在7～10之间，这一比例确保了本发明能够完全形成高硬度HV：1300～1800的M₇C₃型的合金碳化物，随着铬合金含量提高，材质淬透性也大大提高，其效果是大大提高铸球的耐磨性和冲击韧性，从而降低铸球的磨耗，磨球的磨耗降到35g/t以下。

（2）采用一次变质处理、脱氧、二次变质处理的加工工艺，大大改善了本发明的合金碳化物的分布和形态，形成断网、球状，从而大大减弱碳化物对基体的割裂作用，同时去除杂质净化晶界，细化晶粒，组织致密起到提高韧性的目的。

（3）油淬在摇床里进行，油温恒定，磨球在摇床里滚动，保证淬火均匀。确保获得最合理组合的金相组织M（马氏体）+ M₇C₃（合金碳化物）+ A_残（残余奥氏体）。

（4）高温回火工艺充分消除热处理产生的巨大的内应力，可进一步提高本发明所制备的超高铬磨球的冲击韧性和消除球表面剥落的隐患。

（5）由于铬、碳含量设计合理，加上使用二次变质处理工艺，摇床恒油温及高温回火工艺的综合应用，使得本发明的冲击韧性α_k达到7.0～9.0 J/cm²之高，这一数值是常规高、中、低铬球冲击值的2～3倍，从而降低铸球的破碎率小于0.1%。

（6）热处理回火将铸球硬度控制在HRC 58～62，冲击韧性提高，使本发明铸球的弹性增加，从而使磨机衬板的磨耗降低。

本发明所制得的磨球较中国专利CN101876027所制得的磨球具有淬透性、耐磨性和冲击韧性高的特点，本发明Cr/c比高，保证获得淬透性高、冲击韧性高、耐磨性高，能生产φ100mm以上的大型磨球。本发明的Cr/c比为7～10，而专利CN10876027的Cr/c比为3～7，这样的Cr/c比不能完全得到M₇C₃型合金碳化物，从而降低了磨球的淬透性、耐磨性和冲击韧性，而且不能用来生产大于φ100mm以上的大型磨球。在磨球中添加昂贵的合金元素Mo、B、V、Ti，增加了生产成本，以Mo为例，按目前市场价格；FeMo60（含钼60%的钼铁）15万/T，即150元/Kg，向材质内加0.1%的Mo，需增加成本，0.1%÷60%×150×1000＝250元/T,即材质中含0.1%的Mo则铸球成本增加近250元/T。再加入B、V、Ti等贵金属合金，铸球成本增加近1000元/T。由于中国专利CN101876027中含Cr较低，冲击韧性大大降低，α_K在4J/cm²以下，而本发明做制得的超高铬磨球的冲击韧性是其2～3倍。

中国专利CN101760692中所涉及的磨球其最低Cr含量为23.0%，比本发明最低含Cr量高出5%，生产成本相应增加，按高碳铬铁FeCr60(含铬Cr60%)当前市场价格8500元/T计算，5%÷60%×8.5×1000=708元/T,成本高出本发明708元/T。本发明所制得的超高铬磨球使用的Cr含量为18.00～21.00%，不但具有中国专利CN101760692所制备的磨球的硬度，并且降低了生产成本，结合本发明采用二次变质处理新工艺，使产品组织更细密、铁水更洁净，从而达到冲击韧性、耐磨性、硬度更高的目的。

本发明的磨球适用于冶金选矿行业、电厂的磨机，对矿石、煤等进行粉碎。

本发明下面将结合附图说明和具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1冲击试验后磨球在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

一种超高铬磨球，其化学成分以重量百分比计如下：

C 2.45， Si 0.51， Mn 0.80， P 0.056，

S 0.050， Cr 18.5， Re 0.08，余量为Fe。

其加工工艺按照以下步骤顺序进行：

一、熔炼

（1）熔化

将含有所述化学成分精确配料后用酸性中频电炉熔炼，用酸性750kg中频电炉熔炼，配料熔清后取样，用直读光谱仪分析铁水全部化学元素的百分比含量，至含量全部符合材质要求；

（2）一次变质处理

将取出的铁水加热至出炉温度1530℃，出炉前5 min向炉内加入铁水重量0.2%的孕育剂稀土硅作第一次变质处理，得到一次变质处理后的铁水；

（3）脱氧处理

向一次变质处理的铁水中加入铁水重量0.15%的铝，进行脱氧处理，得到脱氧后的铁水；

（4）二次变质处理

向脱氧后的铁水包中加入铁水重量0.2%的钇稀土进行第二次变质处理，得到二次变质处理后的铁水；超高铬合金两次稀土变质处理铸造磨球的浇铸原则是高温出炉，低温浇铸；

二、铸造成型

待铁水包中的铁水温度降至浇铸温度，为1400℃进行浇铸，浇铸到预制好的金属铁模内成型，凝固后开模取出铸球，再进行清理磨浇口，得到毛坯球；

三、热处理工艺

（1）淬火

将上述毛坯球在淬火炉内加热到980℃，保温2.0h，然后倒入恒温油槽内的摇床里，在油槽中冷却到铸球温度为200℃以下出油槽，倒入回火筐；

（2）回火

将淬火后的铸球放进回火炉内回火，回火温度为420℃，保温时间为6.0 h，出炉后放入缓冷坑;

将最佳的试验条件进行实验室试验与检测，以验证试验确定的最佳成分配比与工艺条件：

实际试验中，将含上述化学成分的超高铬磨球，并经上述铸造工艺和热处理工艺所制得的超高铬磨球进行了测试，相关内容如下：

①冲击韧性α_k检验

取本发明成品球一个，用线切割机通过浇口切割出10mm×10mm×55mm的无缺口冲击试样，利用150型冲击试验机做冲击实验，得冲击值α_k=8.2 J/cm² 。

②硬度检验

球心硬度测定：将做完冲击实验的试样的两对面磨平，用HR-150型洛氏体硬度计在中心位置测定硬度。其测定结果如下表：

球表面硬度测定：取成品球将球上下面磨成两平行平面，用HR-150型洛氏硬度计测定3点。其测定结果如下表：

测定结果显示，表面与心部硬度差值约0.5，符合国标（GB/T1945-2009）的规定。

③金相组织观察

将做完冲击实验后的试样磨制成金相试样，在500倍金相显微镜下作多视场观察，如图1所示，其金相组织为马氏体M+ M₇C₃+ A_残（其中：M-马氏体，M₇C₃-合金碳化物, A_残-残余奥氏体）。

实施例2-8

实施例2-8分别为一种超高铬磨球及其制备方法，各自的化学成分如下表所示：

实施例2-8的超高铬磨球的加工工艺按照以下方法步骤制备：

（1）熔化

将含有所述化学成分精确配料后用酸性中频电炉熔炼，配料熔清后取样，分析符合标准后；

（2）一次变质处理

将取出的铁水加热至出炉温度1500～1540℃，出炉前5 min向炉内加入铁水重量0.2%的孕育剂稀土硅作第一次变质处理，得到一次变质处理后的铁水；

（3）脱氧处理

向一次变质处理后的铁水中加入铁水重量0.15%的铝，进行脱氧处理，得到脱氧后的铁水；

（4）二次变质处理

向脱氧后的铁水中加入铁水重量0.2%的钇稀土进行第二次变质处理，得到二次变质处理后的铁水；

（5）铸造成型

待铁水温度降至浇铸温度，为1380～1400℃进行浇铸，浇铸到预制好的金属铁模内成型，凝固后开模取出铸球，再进行清理磨浇口，得到毛坯球；

（6）淬火

将上述毛坯球在淬火炉内加热到970～990℃，保温2～2.5 h，然后倒入恒温油槽内的摇床里，在油槽中冷却到铸球温度为200℃以下出油槽，倒入回火筐；

（7）回火

将淬火后的铸球放进回火炉内回火，回火温度为420～430℃，保温时间为6～6.5 h，出炉后放入缓冷坑;

其中，实施例2所制备的超高铬磨球应用于鹿华φ4.2m电厂煤磨磨球直径为φ60mm，应用于4.2M型煤磨机运行半年后，测定球耗为30 g/t，碎球率为0.08%，衬板磨耗降低为15%。

Claims

1.一种超高铬磨球的加工工艺，其特征在于它按照以下步骤顺序进行：

（1）熔炼

将精确配料后的金属材料用酸性中频电炉熔炼为铁水，取样，分析化学成分，符合标准后备用；

（2）一次变质处理

铁水加热至出炉温度 1500 ～ 1540℃，出炉前 5 min 向炉内加入重量为铁水重量 0.2%的孕育剂稀土硅，进行第一次变质处理，得到一次变质处理后的铁水；

（3）脱氧处理

向一次变质处理后的铁水中加入重量为铁水重量 0.15% 的铝，进行脱氧处理，得到脱氧后的铁水；

（4）二次变质处理

向脱氧后的铁水中加入重量为铁水重量 0.2% 的钇稀土，进行第二次变质处理，得到二次变质处理后的铁水；

（5）铸造成型

待二次变质处理后的铁水温度降至浇铸温度 1380 ～ 1400℃时，浇铸到预制好的金属铁模内成型，凝固后开模取出铸球；进行清理磨浇口，得到毛坯球；

（6）淬火

将上述毛坯球在淬火炉内加热到970～990℃，保温2～2.5 h，然后倒入恒温油槽内，冷却到铸球温度为 200℃以下出油，得淬火后铸球，其中油淬在摇床中进行；

（7）回火

将淬火后铸球回火，回火温度为 420 ～ 430℃，保温时间为 6 ～ 6.5 h，出炉后缓冷至200℃出坑，空冷至室温，得到成品磨球，即超高铬磨球；

所述磨球的化学成分以重量百分比计如下：

C 2.35 ～ 2.70， Si 0.30 ～ 0.60， Mn 0.47 ～ 1.00， P ≤ 0.10 ，S ≤ 0.06， Cr 18.50 ～ 21.00， RE 0.077 ～ 0.12，余量为Fe 。