CN103225036A

CN103225036A - 一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球及其制造方法

Info

Publication number: CN103225036A
Application number: CN2013101854955A
Authority: CN
Inventors: 蒋建国; 杨村林; 宋学胜; 符寒光
Original assignee: LIAOYUAN JINCHENG HEAVY MINERAL PROCESSING MACHINERY CO Ltd
Current assignee: LIAOYUAN JINCHENG HEAVY MINERAL PROCESSING MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: CN103225036B

Abstract

本发明涉及一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球及其制造方法，其特征在于磨球化学组成按质量百分比％为：3.35-3.65C，2.50-2.90Si，2.65-3.20Mn，0.65-0.90Cr，0.25-0.35B，0.03-0.06Mg，0.03-0.05Y，0.05-0.09Bi，0.08-0.12Ti，0.03-0.08Al，0.03-0.05Sb，＜0.08P，＜0.025S，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明磨球经电炉熔炼、金属型铸造成形和水玻璃水溶液淬火后，具有硬度高，韧性好，破碎率低和磨耗小等特点。

Description

一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球及其制造方法

技术领域

本发明属于耐磨材料技术领域，具体地说，它涉及的是一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球及其制造方法。

背景技术

磨球是矿山、建材、电力和化工等行业用球磨机的主要消耗件，随着我国经济的快速发展，对磨球的需求量越来越大。自20世纪80年代初期以来，我国开始研制和推广应用高铬铸铁磨球，高铬铸铁磨球具有优良的抗磨能力，并有良好的抗冲击疲劳能力，适用于制造球磨机磨球。使用这种磨球可以降低球耗和电耗，提高产量和物料细度。近年来，随着铬合金价格的持续上涨，高铬铸铁磨球价格也飞速上涨，许多物料研磨企业难以承受。此外，对于生产高铬铸铁磨球的厂家来说，生产高铬铸铁磨球需要消耗大量的铬铁，铬铁紧缺且价格昂贵，因此，也迫切需要开辟新的途径来开拓市场。在这种背景下，国内又开发了铬含量少的低铬铸铁磨球，但是，低铬铸铁磨球存在硬度低、耐磨性差，以及脆性大、破碎率高等不足。为了进一步改善磨球质量，中国发明专利CN1165201公开了一种球磨机用高韧性高铬耐磨球及其制造方法，其主要化学成分百分含量为：1.8-3.0C，0.5-0.7Si，0.7-1.2Mn，12-14Cr，0.1-1.0W，0.01-1.0Nb，0.001-0.05Re，0.001-0.005Mg，0.1-1.0Al，0.001-0.1Ti或0.001-0.005Ta，余为铁，HRc50-60，α_k≥8J/cm²。可采用电炉熔炼，铝脱氧并变质，浇入到铸型中，热处理制得。该发明磨球耐磨性好，冲击次数达20万次以上，寿命长，主要在电厂大型球磨机中使用。中国发明专利CN1152623还公开了一种高碳低合金钢微型磨球及其加工方法，其化学成分为(按重量％)：0.55-1.0C，0.25-1.5Si，0.3-1.0Mn，0.5-1.5Cr，P≤0.01，S≤0.01，余量Fe。将此成分且外径略小于成品球的圆棒料加热至950～1050℃，入轧机成型，微风冷却，将带余热的磨球入油淬火至100℃以下出油，在180～230℃内回火3小时后余热保温缓冷制成。该磨球的化学成分合理，冲击韧性高，破碎率低，可在冶金、水泥等行业应用。中国发明专利CN1448527还公开了高细化合金耐磨球及制造方法，成份是碳、铬、锰、硅、钛、矾、铜、铝、硼、废钢和铸造号铁；工艺是将铸铁和废钢投入炉中溶化后加入锰、铬、铜、硅，然后对抬包底部的铝钛等元素冲溶，打渣后浇注、开模出球。这种铸球的金相组织是共晶碳化物加回火马氏体，洛氏硬度在54-55度。中国发明专利CN1150977还公开了一种用作粉磨介质的高铬铸铁磨球及生产方法。其化学成分及含量如下：2.0-3.0C，Mn≤1.50，11.0-16.0Cr，Si≤1.50，Cu≤1.50，0.06-0.10Re，P≤0.1，S≤0.1，其余为Fe。它采用水玻璃自硬砂保温冒口金属型铸造，热处理工艺采用中温正火和低温回火热处理，使之获得屈氏体基体组织，与砂型铸造高温淬火马氏体高铬球相比，节省了贵重元系Mo，提高了铸球的冶金质量及铁水利用率和产品合格率，减少热处理费用。中国发明专利CN1150976还公开了一种广泛应用于矿山、建材、电力等工业领域的磨矿介质——低铬铸铁磨球。其化学成分及含量如下(重量百分比％)：1.9-2.6C，0.5-1.5Mn，2-4Cr，0.5-1.5Si，0-1.5Cu，0.07-0.1Re，0.005-0.10B，S，P≤0.1，其余为Fe，它采用了较少的合金元素，热处理工艺简单，成本低，同时具有良好的耐磨性能和优异的综合性能，不论在干式磨矿还是湿式磨矿都适用。中国发明专利CN1167164还公开了一种球磨机使用的用于磨制铁矿粉等矿石的硅锰钛硼球墨铸铁磨球。该发明的配方如下：3.0-3.8％C，3.0-3.6％Si，1.5-2.5％Mn，P≤0.10％，S≤0.03％，RE≤0.05％，Mg≤0.05％，Ti≤0.10％，0.001-0.10％B。用该发明的生产方法生产的磨球具有耐磨、破碎率低、特别适用于湿磨等特点。中国发明专利CN1032196还公开了一种高强度合金球(铸)铁磨球，其组分中锰(或铬或锰、铬)、铜、钼总和比已有的同类型磨球少，其原料除可用电炉、化铁炉熔炼外还可采用炼铁高炉出来的铁水进行炉前配料，采用水口、冒口为圆锥体形或棱锥体形或椭圆锥体形，型腔没有涂层，温度较低的模具进行浇铸，直径大于120mm的磨球模具可增设冷却水套，铸好后的磨球得到迅速冷却。该磨球具有强度高，适用面广，直径为2.7米的大型球磨机也可使用，清除水口、冒口容易，清除后不留凹凸体。中国发明专利CN101413084还公开了一种硅、铬、硼合金耐磨球及其制造方法，其特征在于：硅、铬、硼合金耐磨球的化学成份：C2.5～2.7％、Si1.1～1.3％、Mn1.6～2.0％、Cr0.8～1.5％、P≤0.05％、S≤0.05％、B0.0015～0.003％、余量为Fe。制造硅、铬、硼合金耐磨球包括：熔炼、造型、起箱、打球和热处理工艺步骤。采用该发明生产的硅、铬、硼合金耐磨球，解决了磨球碎裂问题、提高铸球的表面质量和铸球的耐磨性。中国发明专利CN101423890还公开了一种温段定时油淬对中铬磨球、磨段的热处理工艺，应用在铬含量6-8％磨球、磨段的热处理；其包括以下部分：加热保温工艺、淬火工艺和回火工艺；所述的加热保温工艺是采取四段温区加热，每段温区加热后进行保温，最后升温到淬火温度进行淬火准备；所述的淬火工艺是将半成品在淬火温度恒温保持完成后出炉，入冷却油淬火；淬火时间根据磨球、磨段的直径大小决定；所述的回火工艺是将淬火后的半成品加热至回火温度，经恒温保持完成后分段缓慢冷却；该发明针对不同化学成份含量特别是铬的含量的不同，着重完善对铬含量6-8％磨球、磨段的热处理工艺，使该种产品达到最佳性能指标，为企业节能降耗，创造效益，非常适于实用。中国发明专利CN101463450还公开了一种球磨机用微量多元合金化金属型铸钢磨球及其制备方法。磨球的化学组分为Cr：0.5-2.5，C：0.3-1.2，Si：0.35-0.90，Mn：0.4-0.8，P/S：≤0.04，余量为铁及不可避免的杂质元素。此方法获得的磨球具有硬度高、韧性好的特点。此方法利用中频电炉熔炼合成铸铁，大量利用废钢、钢屑等再生资源，不仅使得合成铸铁产品质量提高，性能更加稳定，而且减少了对环境的污染。中国发明专利CN101638756还公开了一种高碳多元素合金铸造磨球的生产工艺方法。该发明铸造磨球的化学成分如下：碳：1.4-2.5％，硅：0.75-0.82％，锰：0.46-0.9％，铬：4.5-6.0％，磷：0.04-0.06％，硫：0.04-0.054％；铜：0.04-0.06％，钼：0.03-0.04％，镍：0.02-0.03％，钨：0.02％，复合重稀土变质剂：0.13-0.15％，铁：90.4-91.4％。生产操作步骤包括冶炼、浇铸、热处理和力学性能检测及掼制检验；其中热处理淬火为油淬处理，改进在于：A.淬火前进行奥氏体化处理，B.淬火油温度为80-140℃，淬火时间为6-20分钟。采用本发明配方使磨球晶粒细化，组织致密，提高韧性；采用本发明工艺使高铬磨球硬度达到HRc62-64，显著提高磨球的韧性和耐磨性。在进一步提高磨球抗磨、抗破碎性能的前提下，减少了贵金属铬的含量，同比降低磨球制造成本。中国发明专利CN101876027A还公开了一种高铬磨球，按重量百分比由1.80％～3.20％的C、0.30％～1.00％的Si、0.20％～1.00％的Mn、10.00％～13.00％的Cr、0～0.10％的S、0～0.10％的P、0～0.10％的Mo、0～0.005％的B、0～0.020％的Ti、0～0.060％的V以及余量的Fe为原料，其中，Ti和B的重量比大于3，V和Ti的重量比大于2.8，通过特殊的二次变质处理工艺加工而成。用本发明配方及加工工艺制得的高铬磨球，具有良好的耐磨性、高硬度、高韧性及抗高冲击性能的特点。中国发明专利CN101906565A还公开了含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方法涉及含球墨的铸铁合金，该磨球化学元素组成的质量百分比为：3.3～3.7％C、2.4～3.3％Si、2.5～3.6％Mn、0.6～1.5％Cr、P＜0.08％、S＜0.025％、0.03～0.05％Mg、0.02～0.04％Re和其余为Fe，其制备方法是：(1)原料配制和熔炼，(2)球化处理和孕育处理，(3)等温淬火热处理。该方法利用覆砂金属型铸造工艺，在磨球铸态组织中形成一定数量的碳化物和石墨球，然后，通过等温淬火工艺，获得综合力学优良的奥铁体基体，由于奥铁体基体中分布着一定数量的碳化物，因此，含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球具有高的耐磨性和韧性。

但是上述发明仍存在磨球中耐磨硬质相少、硬度低、耐磨性差、磨耗高等不足。

发明内容

本发明针对磨球生产中存在的上述问题，在磨球生产过程中，采用控冷方法，获得强韧性好贝氏体基体组织，为了改善磨球耐磨性，还在磨球组织中，通过加入硼、铬元素，获得一定数量的高硬度(Fe，Cr)₂(B，C)硼碳化物，使磨球具有高硬度和优异的耐磨性的一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球及其制造方法。

技术领域

为此目的，本发明采用如下技术方案：

一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球，其特征在于：磨球的化学组成按质量百分比％为：3.35-3.65C，2.50-2.90Si，2.65-3.20Mn，0.65-0.90Cr，0.25-0.35B，0.03-0.06Mg，0.03-0.05Y，0.05-0.09Bi，0.08-0.12Ti，0.03-0.08Al，0.03-0.05Sb，＜0.08P，＜0.025S，余量为Fe及不可避免的杂质。

一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球的制造方法，磨球用电炉熔炼，包括以下步骤：

1、将普通废钢、增碳剂、铬铁混合加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后，将铁水温度升至1530-1550℃，加入铝脱氧和合金化，然后依次加入钛铁、硼铁和铋铁，当铁水温度达到1560-1580℃时出炉。

2、将钇基重稀土硅镁合金和金属锑破碎至粒度小于12mm的小块，经180-250℃烘干2-3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行球化处理。

3、用金属型浇注磨球，铁水浇注温度为1390-1420℃。

4、磨球浇注完毕后t分钟，将磨球开箱，去掉浇冒口，然后将磨球在温度为25-35℃、波美度为(35-40)Be、模数为(2.9-3.1)M的水玻璃水溶液中淬火25-35分钟，最后空气冷却至室温。

所述的磨球浇注完毕后t分钟计算公式是：t＝18+(0.25-0.30)×D式中：t-磨球浇注完毕至开箱时间，分钟，D-磨球直径，毫米。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

碳和硅：本发明加入适量的碳和硅，主要是为了在磨球中获得一定数量的石墨，使磨球具有良好的疲劳性能，合适的碳加入量为3.35-3.65％，合适的硅加入量为2.50-2.90％。

铬和硼：本发明加入适量的铬和硼，主要是为了在磨球中获得一定数量的高硬度硼碳化物，从而提高磨球的抗磨性能，铬和硼加入量过多，磨球脆性大，使用中易碎裂，合适的铬加入量为0.65-0.90％，合适的硼加入量为0.25-0.35％。

锰：磨球中加入锰的主要作用是为了提高磨球淬透性，确保磨球淬火后，易获得强韧性好的贝氏体基体组织，锰加入量过多，磨球组织粗大，淬火组织中易出现低硬度的奥氏体，合适的锰加入量为2.65-3.20％。

钇和镁：本发明加入适量的钇和镁，主要是对石墨起球化作用，而且钇还有脱氧、脱硫以及细化凝固组织，改善硼碳化物和分布的作用，加入量过多，易出现夹杂物，反而损害磨球性能，合适的钇加入量为0.03-0.05％，合适的镁加入量为0.03-0.06％。

铋：本发明中加入适量铋，主要是为了提高基体硬度，改善磨球耐磨性，合适的铋加入量为0.05-0.09％。

钛：本发明中加入适量钛，主要是为了细化凝固组织，提高磨球强韧性，合适的钛加入量为0.08-0.12％。

铝：本发明中加入适量铝，主要起脱氧作用，铝固溶于基体，对基体还起强化作用，合适的铝加入量为0.03-0.08％。

锑：本发明中加入适量锑，主要是为了防止石墨出现球化衰退，合适的锑加入量为0.03-0.05％。

磷和硫：可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有磷和硫，均是有害元素，为了保证磨球的强度、韧性和耐磨性，我们将磷含量控制在0.08％以下，硫含量控制在0.025％以下。

本发明磨球，选用温度为25-35℃、波美度为(35-40)Be、模数为(2.9-3.1)M的水玻璃水溶液中淬火25-35分钟，主要是为了获得强韧性和耐磨性好的贝氏体基体。

本发明磨球与现有技术相比，具有以下优点：1、本发明磨球不含钼、镍等昂贵合金元素，因此磨球生产成本低廉；2、本发明磨球因硅、锰等元素的加入，加上在水玻璃水溶液中淬火，得到了强韧性好的贝氏体基体；3、本发明磨球因硼、铬元素的加入，在贝氏体基体上分布有高硬度的硼碳化物，使磨球硬度达到60HRC以上，冲击韧性大于12J/cm²；4、本发明磨球热处理工艺简便，具有节能和环保优势。

具体实施方式

实施例1：

采用1000公斤中频感应电炉熔炼硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球，磨球制造工艺步骤是：

①将普通废钢、增碳剂、铬铁混合加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后，将铁水温度升至1532℃，加入铝脱氧和合金化，然后依次加入钛铁、硼铁和铋铁，当铁水温度达到1561℃时出炉。

②将钇基重稀土硅镁合金和金属锑破碎至粒度小于12mm的小块，经180℃烘干3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行球化处理。

③用金属型浇注直径100mm磨球，铁水浇注温度为1392℃。

④磨球浇注完毕后46分钟，将磨球开箱，去掉浇冒口，然后将磨球在温度为25℃、波美度为35Be、模数为2.9M的水玻璃水溶液中淬火25分钟，最后空气冷却至室温。

磨球成分见表1，磨球力学性能见表2。

实施例2：

①将普通废钢、增碳剂、铬铁混合加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后，将铁水温度升至1542℃，加入铝脱氧和合金化，然后依次加入钛铁、硼铁和铋铁，当铁水温度达到1579℃时出炉。

②将钇基重稀土硅镁合金和金属锑破碎至粒度小于12mm的小块，经250℃烘干2小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行球化处理。

③用金属型浇注直径120mm磨球，铁水浇注温度为1418℃。

④磨球浇注完毕后48分钟，将磨球开箱，去掉浇冒口，然后将磨球在温度为35℃、波美度为40Be、模数为3.1M的水玻璃水溶液中淬火35分钟，最后空气冷却至室温。

磨球成分见表1，磨球力学性能见表2。

实施例3：

①将普通废钢、增碳剂、铬铁混合加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后，将铁水温度升至1541℃，加入铝脱氧和合金化，然后依次加入钛铁、硼铁和铋铁，当铁水温度达到1570℃时出炉。

②将钇基重稀土硅镁合金和金属锑破碎至粒度小于12mm的小块，经230℃烘干3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行球化处理。

③用金属型浇注直径80mm磨球，铁水浇注温度为1405℃。

④磨球浇注完毕后40分钟，将磨球开箱，去掉浇冒口，然后将磨球在温度为30℃、波美度为38Be、模数为3.0M的水玻璃水溶液中淬火30分钟，最后空气冷却至室温。

磨球成分见表1，磨球力学性能见表2。

表1磨球化学成分(质量分数，％)

表2磨球力学性能

力学性能	硬度/HRC	冲击韧性(J/cm²)	抗拉强度/MPa
				实施例1	60.5	13.4	756
实施例2	61.2	12.5	748
				实施例3	60.9	12.7	770

Claims

1.一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球，其特征在于，磨球化学组成按质量百分比％为：3.35-3.65C，2.50-2.90Si，2.65-3.20Mn，0.65-0.90Cr，0.25-0.35B，0.03-0.06Mg，0.03-0.05Y，0.05-0.09Bi，0.08-0.12Ti，0.03-0.08Al，0.03-0.05Sb，＜0.08P，＜0.025S，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球的制造方法，其特征在于，磨球用电炉熔炼，其步骤为：

①将普通废钢、增碳剂、铬铁混合加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后，将铁水温度升至1530-1550℃，加入铝脱氧和合金化，然后依次加入钛铁、硼铁和铋铁，当铁水温度达到1560-1580℃时出炉。

②将钇基重稀土硅镁合金和金属锑破碎至粒度小于12mm的小块，经180-250℃烘干2-3小时后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行球化处理。

③用金属型浇注磨球，铁水浇注温度为1390-1420℃。

④磨球浇注完毕后t分钟，将磨球开箱，去掉浇冒口，然后将磨球在温度为25-35℃、波美度为(35-40)Be、模数为(2.9-3.1)M的水玻璃水溶液中淬火25-35分钟，最后空气冷却至室温。

3.如权利要求2所述的硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球的制造方法，其特征在于磨球浇注完毕后t分钟计算公式是：t＝18+(0.25-0.30)×D式中：t-磨球浇注完毕至开箱时间，分钟，D-磨球直径，毫米。