CN103045932B - 具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球及其生产工艺，其化学成分质量百分比为：C：3.4%～3.8%、Si：2.5%～3.5%、Mn：2.0%～3.0%、Mg：0.03%～0.05%、RE：0.03%～0.05%、P：≤0.1、S：≤0.05，余量为Fe及不可避免杂质。具体制备步骤包括：熔炼、球化处理和孕育处、半固态压铸成形、铸造磨球和铸后热处理。本发明的优点是：由于本发明采用了上述化学成分，同时该工艺在热处理过程中采用了独特的半固态成形技术，结合炉前铁液处理、热处理工艺，温度控制在“奥氏体+液相”两相区，获得半固态浆料；用倾斜板将半固态浆料导入采用压力铸造机中，进行半固态压力铸造成形，获得半固态铸态磨球；磨球表层组织为球状晶，心部组织为均匀细枝晶。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及其制备技术领域，尤其涉及一种具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球及其生产工艺。
背景技术
球磨机广泛应用于矿山、冶金、建材、电力、化工等领域，球磨机内的磨球作为主要消耗件，其需求量是非常巨大的。国内外使用的磨球主要分为锻钢球和铸铁球，国内用于磨球的耐磨材料中，高锰钢在低冲击载荷下加工硬化能力差；中锰球铁的生产成本较低，但它的性能不稳定，破碎率高；低合金白口铸铁韧性较低；高铬白口铸铁性能虽较好，但生产成本高且腐蚀性介质的湿磨条件下耐磨性优势不大，同时韧性也显不足。
贝氏体球墨铸铁具有优异的强韧性能、耐磨性能、铸造性能、加工性能和经济性而得到快速发展。其中，具有贝氏体复相组织的球墨铸铁磨球由于其优异的综合力学性能特别是耐磨性能而获得了很多的应用，成为抗磨料磨损较为理想的材质，适用于耐磨、耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳等场合。
目前获得具有贝氏体复相组织的球墨铸铁磨球主要有以下方式：(l)采用等温淬火工艺获得，即将磨球奥氏体化后急冷到贝氏体温区等温转变，之后再淬火到马氏体转变点以下温度，以获得“贝氏体+马氏体”复相组织。在此方法中，当组织奥氏体化进入冷却阶段后，可将工件淬入一定温度的冷却介质（盐浴或油）中，迅速冷却到中温转变区，并在该介质中进行保温，以便大部分组织完成贝氏体转变，随后再急冷到马氏体转变点以下，获得“贝氏体+马氏体”复相组织。但是等温淬火工艺存在工艺复杂、工序长、耗能大、淬火介质易污染环境等不足，同时还需加入一定量的Cu、Mo、Ni合金元素来提高淬透性，不仅增加了贝氏体球墨铸铁磨球的生产成本，而且质量不稳定；(2)通过合金化在空冷或铸态条件下获得贝氏体球墨铸铁磨球，即通过加入一定量的合金元素如Ni、Mo、B等，改变球墨铸铁的CCT 曲线形状，推迟其高温转变，并用适宜的冷却速度使过冷奥氏体连续通过贝氏体转变的中温区，从而在空冷条件下获得“贝氏体+马氏体”复相组织。这种工艺与上述等温淬火工艺相比，具有节约能源、缩短生产周期、减少污染等优点，但同时存在大断面淬透性不足，且合金元素加入后易形成碳化物或氧化物而导致材料成本上升等缺点。
目前国内对贝氏体球墨铸铁磨球的炉前铁液处理工艺和获得贝氏体的热处理工艺研究较多，例如，（1）贝氏体球墨铸铁磨球，申请（专利）号：CN96100468.1；（2）一种贝氏体球墨铸铁磨球及其生产工艺，申请（专利）号：CN200610048751.6。上述专利仅片面追求磨球的整体性能，而且所阐述的生产工艺复杂、时间长、生产成本高、质量不稳定等不足，因而限制了其大规模推广和应用，难以满足市场需要。由于磨球的特殊几何形状，客观上，铸球的边部和心部性能存在波动；且工况对磨球边部、心部的硬度、韧性要求各不相同。因此，刻意追求磨球的整体性能均匀并无实际意义，反而限制了磨球的使用寿命的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种边部具有高硬度、高耐磨性，硬度达到50～55HRC；磨球心部具有高韧性，韧性可达到15～20Jcm-2，可有效降低破碎率的具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球及其生产工艺。采用该工艺制得的磨球除了具有贝氏体球墨铸铁组织外，其性能分布更加合理。
本发明的目的是通过以下方式来实现：
按照本发明的具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球，其化学成分质量百分比为：C：3.4%～3.8%、Si：2.5%～3.5%、Mn：2.0%～3.0%、Mg：0.03%～0.05%、RE：0.03%～0.05%、P：≤0.1、S：≤0.05，余量为Fe及不可避免杂质。
其中，主要合金元素为Si、Mn的添加是为了确保通过连续冷却方式淬火后贝氏体基体的出现；Mg、RE的添加起到球化的作用，获得球状石墨。
一种制备具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球的生产工艺，其特征在于包括以下操作步骤：
（1）熔炼
按下列质量百分比的化学成分配制原料： C：3.4%～3.8%、Si：2.5%～3.5%、Mn：2.0%～3.0%、P：≤0.1、S：≤0.05，余量为Fe及不可避免杂质，将配制好的原料放入中频感应电炉中冶炼，温度控制在1450℃~1500℃，将上述配料熔炼制成球墨铸铁的原铁液后，进行炉前处理；
（2）球化处理和孕育处理
将球化剂和孕育剂加入到步骤（1）制得的球墨铸铁的原铁液进行球化处理和孕育处理；
球化剂采用稀土硅铁镁合金，其化学成分质量百分比为 Mg：7.0～9.0%、RE：2.5～4.0%、Si：35～44%、Mn：4.0%、Al：0.5%、Ti：1.0%和其余为铁，其牌号为QRMg8RE3，其加入量为原铁液质量的1.6%～2.0%；
孕育剂采用硅铁稀土合金，其化学成分质量百分比为 RE：3%～5%、Si：75%和其余为铁的，其牌号为FeSi75，其加入量为原铁液质量的1.0%~1.8%；
用刚玉管将一次孕育剂和球化剂的均匀混合物注入到熔炼好的球墨铸铁的原铁液之中，添加的过程中进行搅拌使其均匀分布，搅拌1~2min；
（3）半固态压铸成形
(a) 将经过球化处理和孕育处理的铁液冷却至“奥氏体+液相”两相区半固态浆料，其半固态浆料的温度控制在1100℃~1200℃，保温0.5h；
(b) 铸造磨球，采用半固态流变压铸成形方法：用倾斜板将半固态浆料导入压力铸造机中，进行半固态压力铸造成形，获得半固态铸态磨球；模具预热温度为200℃~250℃，压铸速度为1.5~3m/s；
（4）铸后热处理
(a)将铸后磨球奥氏体化加热至840℃~860℃，保温1.5h后，连续冷却淬火处理，淬火介质采用饱和硝酸盐水溶液；
(b)将淬火后磨球装入回火炉，升温到200℃，回火时间1.5h，出炉制得成品。
与传统的贝氏体球墨铸铁磨球相比，本发明的优点是：由于本发明采用了上述化学成分，同时该工艺在热处理过程中采用了独特的半固态成形技术，结合炉前铁液处理、热处理工艺，温度控制在“奥氏体+液相”两相区，获得半固态浆料；用倾斜板将半固态浆料导入采用压力铸造机中，进行半固态压力铸造成形，获得半固态铸态磨球；磨球表层组织为球状晶，心部组织为均匀细小枝晶。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
以下例举几个化学组份为定值和不同生产工艺条件下制备的磨球的实例及所达到的性能指标，对本发明作进一步说明。
具体化学成分及性能见表1和表2。
具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球及其生产工艺
表1 具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球成分体系
表2 具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球制备工艺及性能
Claims (1)
1.一种具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球的生产工艺，其特征在于包括以下操作步骤：
（1）熔炼
按下列质量百分比的化学成分配制原料： C：3.4%～3.8%、Si：2.5%～3.5%、Mn：2.0%～3.0%、P：≤0.1、S：≤0.05，余量为Fe及不可避免杂质，将配制好的原料放入中频感应电炉中冶炼，温度控制在1450℃~1500℃，将上述配料熔炼制成球墨铸铁的原铁液后，进行炉前处理；
（2）球化处理和孕育处理
将球化剂和孕育剂加入到步骤（1）制得的球墨铸铁的原铁液进行球化处理和孕育处理；
球化剂采用稀土硅铁镁合金，其化学成分质量百分比为 Mg：7.0～9.0%、RE：2.5～4.0%、Si：35～44%、Mn：4.0%、Al：0.5%、Ti：1.0%和其余为铁，其牌号为QRMg8RE3，其加入量为原铁液质量的1.6%～2.0%；
孕育剂采用硅铁稀土合金，其化学成分质量百分比为 RE：3%～5%、Si：75%和其余为铁，其牌号为FeSi75，其加入量为原铁液质量的1.0%~1.8%；
用刚玉管将一次孕育剂和球化剂的均匀混合物注入到熔炼好的球墨铸铁的原铁液之中，添加的过程中进行搅拌使其均匀分布，搅拌1~2min；
（3）半固态压铸成形
(a) 将经过球化处理和孕育处理的铁液冷却至“奥氏体+液相”两相区半固态浆料，其半固态浆料的温度控制在1100℃~1200℃，保温0.5h；
(b) 铸造磨球，采用半固态流变压铸成形方法：用倾斜板将半固态浆料导入压力铸造机中，进行半固态压力铸造成形，获得半固态铸态磨球；模具预热温度为200℃~250℃，压铸速度为1.5~3m/s；
（4）铸后热处理
(a)将铸后磨球奥氏体化加热至840℃~860℃，保温1.5h后，连续冷却淬火处理，淬火介质采用饱和硝酸盐水溶液；
(b)将淬火后磨球装入回火炉，升温到200℃，回火时间1.5h，出炉制得成品；
所述的具有高耐磨、高冲击韧性的球墨铸铁磨球的化学成分质量百分比为：C：3.4%～3.8%、Si：2.5%～3.5%、Mn：2.0%～3.0%、Mg：0.03%～0.05%、RE：0.03%～0.05%、P：≤0.1、S：≤0.05，余量为Fe及不可避免杂质。
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