CN104099531A - 一种高硬度耐磨球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度耐磨球，其组成包括：C、Mn、W、Si、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ca、Zr、Cu、Zn、S、P。本发明还公开了一种高硬度耐磨球的制备方法，其热处理过程为：升温至980-1030℃，保温50-80min水冷至室温；升温至800-820℃，保温30-75min水冷至室温；升温至500-530℃，保温130-150min水冷至室温；采用反应氮弧熔覆对耐磨球表面进行了改性，熔覆粉末为钛粉和石墨粉组合物；钛粉其组成包括：C、Mo、Si、Fe、Cl、N、O、H、余量为Ti；熔覆电流150-180A，氮气流量12-18L/min。本发明所述的高硬度耐磨球，具有高的硬度，同时具有优异的冲击强度、耐热性、耐磨性和抗腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高硬度耐磨球及其制备方法。
背景技术
摩擦行为无处不在，造成了巨大的国民经济损失。调查发现，仅磨料磨损一项每年就使得工业国家损失国民生产总值的1％-4％，随着经济的高速发展和社会的进步，磨损所带来的社会损失将更加巨大。
磨损材料一般在相对应的工况条件下使用，由于使用环境的不同对其性能要求也不同。在干磨的条件下，耐磨材料的失效形式主要是磨料磨损引起的材料磨损、宏观断裂和磨损面变形，由此提出对耐磨材料的基本性能要求：(1)高的硬度，高硬度的基体可以抵抗磨粒对基体的微观切削作用，在一定程度上体现了材料的耐磨性；(2)较高的塑韧性、应变疲劳抗力、脆断抗力和剥层疲劳抗力，高的塑韧性可以减少或者抑制裂纹的萌生和扩展，特别是在高冲击作用的工况下具有优异的抗断裂破坏能力；(3)高的淬透性材料的淬透性高才能保证在大尺寸条件下材料整体组织均匀、性能稳定，耐磨性得予保证。
耐磨球作为球磨机中的磨砂介质，既要有高的硬度、抗冲击性、耐磨性，又要有好的韧性。但是，现存的耐磨球在硬度、抗冲击性、耐热性、耐磨性、和韧性方面性能欠佳，不能满足现代社会的要求。
发明内容
本发明提出了一种高硬度耐磨球，其具有高的硬度，同时具有优异的冲击强度、耐热性、耐磨性和抗腐蚀性。
本发明提出了一种高硬度耐磨球，其组成按质量分数包括：C:0.02-0.06％，Mn:0.38-0.86％，W:0.01-0.03％，Si：0.53-0.81％，Ni：0.21-0.45％，Cr：5-9.8％，Mo：0.11-0.15％，V：0.7-1.0％，Nb:0.2-0.5％，Ca：0.01-0.038％，Zr：0.01-0.015％，Cu：0.01-0.03％，Zn：0.01-0.035％，S≤0.028％，P≤0.033％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，上述高硬度耐磨球，其组成按质量分数包括：C:0.045％，Mn:0.73％，W:0.02％，Si：0.53％，Ni：0.35％，Cr：8.6％，Mo：0.14％，V：0.75％，Nb:0.33％，Ca：0.025％，Zr：0.014％，Cu：0.025％，Zn：0.026％，S：0.019％，P：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出了一种高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、熔炼：将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1500-1520℃，保温20-45min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1530-1570℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯；
S2、热处理：将得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中，将温度升至980-1030℃，保温50-80min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至800-820℃，保温30-75min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至500-530℃，保温130-150min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球；
S3、预处理：将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨再用丙酮和乙醇清洗，得到清洗耐磨球；将15-35份的钛粉和20-35份的石墨粉放入球磨机中混合均匀得到熔覆粉末，将熔覆粉末与粘接剂混合成糊状后均匀涂敷在得到的清洗耐磨球的表面，厚度为1-3mm，然后放入电炉中，将电炉的温度设置为160-180℃，保温2-3.5h，随炉冷却至室温后得到预处理球；所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.1-0.15％，Mo：0.2-0.8％，Si：0.6-1.8％，Fe：0.2-0.3％，Cl：0.02-0.06％，N：0.02-0.08％，O：0.1-0.55％，H：0.01-0.03％，余量为Ti；
S4、反应氮弧熔覆：将S3中得到的预处理球放入反应氮弧熔覆系统进行反应氮弧熔覆，得到耐磨球，所述反应氮弧熔覆系统采用氩弧焊机，以高熔点的钨作为阴极，预处理球作为阳极，采用氮气作为保护气体和反应气体；所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流150-180A，氮气流量12-18L/min。
优选地，在S3中，所述粘接剂为羧甲基纤维素钠溶液、乙醇、蔗糖溶液和水玻璃中的一种。
优选地，在S1中，将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1513℃，保温25min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1545℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯。
优选地，其特征在于，在S2中，在正火处理中，将温度升至1015℃，保温55min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至805℃，保温74min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至505℃，保温145min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球。
优选地，在S2中，在正火处理中，将温度升至980-1030℃的过程中，升温速率随温度的升高而减小。
优选地，在S2中，在淬火处理中，将温度升至800-820℃，保温30-75min，水冷至室温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小。
优选地，在S3中，所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.13％，Mo：0.55％，Si：1.3％，Fe：0.25％，Cl：0.029％，N：0.046％，O：0.1％，H：0.01％，余量为Ti。
优选地，在S4中，所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流175A，氮气流量14L/min。
本发明所述高硬度耐磨球热处理工艺中，首先进行正火处理，细化了晶粒，同时使组织均匀化，消除了树枝状组织和过热组织，去除了耐磨球的内应力，增加了材料的硬度；之后进行了淬火工艺，淬火的冷却过程中，降温初期，在过冷奥氏体最不稳定的范围进行快速降温，之后采用减小的降温速率，保证获得马氏体的同时减小耐磨球中的内应力防止变形和开裂；在淬火后进行高温回火，消除耐磨球淬火时产生的残留应力，降低脆性，提高其韧性，防止其变形和开裂；热处理之后采用了反应氮弧熔覆工艺对耐磨球的表面进行了处理，形成了TiCN/Fe金属陶瓷涂层，TiCN作为一种综合性能优异的陶瓷涂层材料，具有突出的化学稳定性、红硬性、高温抗蠕变性、硬度和韧性，与Fe形成的金属陶瓷涂层在保持TiCN原有性能的基础上与基体结合良好，金属陶瓷涂层中的硬质相增多，且呈弥散分布，减轻了摩擦磨损过程中的阻碍作用，提高了耐磨球的耐磨性，得到了综合性能优异的高硬度耐磨球。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本发明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发明的保护范围内。
实施例1
本发明所述高硬度耐磨球，其组成按质量分数包括：C:0.02％，Mn:0.44％，W:0.03％，Si：0.64％，Ni：0.45％，Cr：8.3％，Mo：0.11％，V：0.9％，Nb:0.2％，Ca：0.018％，Zr：0.015％，Cu：0.01％，Zn：0.035％，S：0.028％，P：0.033％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述高硬度耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1502℃，保温40min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1570℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯；
S2、热处理：将得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中，将温度升至1030℃，保温50min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至820℃，保温30min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至509℃，保温142min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球；
S3、预处理：将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨36min，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得到清洗耐磨球；将35份的钛粉和22份的石墨粉放入球磨机中混合均匀得到熔覆粉末，将熔覆粉末与粘接剂混合成糊状后均匀涂敷在得到的清洗耐磨球的表面，厚度为1mm，然后放入电炉中，将电炉的温度设置为160℃，保温3.5h，随炉冷却至室温后得到预处理球；所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.1％，Mo：0.4％，Si：1.8％，Fe：0.25％，Cl：0.06％，N：0.08％，O：0.1％，H：0.019％，余量为Ti；
S4、反应氮弧熔覆：将S3中得到的预处理球放入反应氮弧熔覆系统进行反应氮弧熔覆，得到耐磨球，所述反应氮弧熔覆系统采用氩弧焊机，以高熔点的钨作为阴极，预处理球作为阳极，采用氮气作为保护气体和反应气体；所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流150A，氮气流量14L/min。
实施例2
本发明所述高硬度耐磨球，其组成按质量分数包括：C:0.06％，Mn:0.38％，W:0.022％，Si：0.81％，Ni：0.38％，Cr：5％，Mo：0.13％，V：1.0％，Nb:0.45％，Ca：0.01％，Zr：0.014％，Cu：0.03％，Zn：0.01％，S：0.02％，P：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述高硬度耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1520℃，保温20min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1540℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯；
S2、热处理：将得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中，将温度升至1005℃，保温75min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至800℃，保温75min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至500℃，保温150min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球；在正火处理中，将温度升至1005℃的过程中，升温速率随温度的升高而减小且平均升温速率为8℃/min；在淬火处理中，将温度升至800℃，保温75min，水冷至室温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小；
S3、预处理：将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨50min，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得到清洗耐磨球；将20份的钛粉和20份的石墨粉放入球磨机中混合均匀得到熔覆粉末，将熔覆粉末与水玻璃混合成糊状后均匀涂敷在得到的清洗耐磨球的表面，厚度为3mm，然后放入电炉中，将电炉的温度设置为173℃，保温3h，随炉冷却至室温后得到预处理球；所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.14％，Mo：0.8％，Si：1.2％，Fe：0.2％，Cl：0.02％，N：0.029％，O：0.45％，H：0.01％，余量为Ti；
S4、反应氮弧熔覆：将S3中得到的预处理球放入反应氮弧熔覆系统进行反应氮弧熔覆，得到耐磨球，所述反应氮弧熔覆系统采用氩弧焊机，以高熔点的钨作为阴极，预处理球作为阳极，采用氮气作为保护气体和反应气体；所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流159A，氮气流量18L/min。
实施例3
本发明所述高硬度耐磨球，其组成按质量分数包括：C:0.05％，Mn:0.86％，W:0.01％，Si：0.53％，Ni：0.21％，Cr：9.8％，Mo：0.15％，V：0.7％，Nb:0.5％，Ca：0.038％，Zr：0.015％，Cu：0.018％，Zn：0.019％，S：0.021％，P：0.029％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述高硬度耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1500℃，保温45min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1530℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯；
S2、热处理：将得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中，将温度升至980℃，保温80min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至804℃，保温70min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至530℃，保温130min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球；在正火处理中，将温度升至980℃的过程中，升温速率随温度的升高而减小且平均升温速率为5℃/min；在淬火处理中，将温度升至804℃，保温70min，水冷至室温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小；
S3、预处理：将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨20min，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得到清洗耐磨球；将35份的钛粉和35份的石墨粉放入球磨机中混合均匀得到熔覆粉末，将熔覆粉末与乙醇混合成糊状后均匀涂敷在得到的清洗耐磨球的表面，厚度为2mm，然后放入电炉中，将电炉的温度设置为180℃，保温2h，随炉冷却至室温后得到预处理球；所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.15％，Mo：0.2％，Si：0.6％，Fe：0.3％，Cl：0.05％，N：0.02％，O：0.55％，H：0.03％，余量为Ti；
S4、反应氮弧熔覆：将S3中得到的预处理球放入反应氮弧熔覆系统进行反应氮弧熔覆，得到耐磨球，所述反应氮弧熔覆系统采用氩弧焊机，以高熔点的钨作为阴极，预处理球作为阳极，采用氮气作为保护气体和反应气体；所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流180A，氮气流量12L/min。
实施例4
本发明所述高硬度耐磨球，其组成按质量分数包括：C:0.045％，Mn:0.73％，W:0.02％，Si：0.53％，Ni：0.35％，Cr：8.6％，Mo：0.14％，V：0.75％，Nb:0.33％，Ca：0.025％，Zr：0.014％，Cu：0.025％，Zn：0.026％，S：0.019％，P：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述高硬度耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、熔炼：将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1513℃，保温25min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1545℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯；
S2、热处理：将得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中，将温度升至1015℃，保温55min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至805℃，保温74min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至505℃，保温145min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球；在正火处理中，将温度升至1015℃的过程中，升温速率随温度的升高而减小且平均升温速率为7℃/min；在淬火过程中，将温度升至805℃，保温74min，水冷至室温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小；
S3、预处理：将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨30min，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得到清洗耐磨球；将33份的钛粉和23份的石墨粉放入球磨机中混合均匀得到熔覆粉末，将熔覆粉末与羧甲基纤维素钠溶液混合成糊状后均匀涂敷在得到的清洗耐磨球的表面，厚度为2mm，然后放入电炉中，将电炉的温度设置为164℃，保温2.9h，随炉冷却至室温后得到预处理球；所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.13％，Mo：0.55％，Si：1.3％，Fe：0.25％，Cl：0.029％，N：0.046％，O：0.1％，H：0.01％，余量为Ti；
S4、反应氮弧熔覆：将S3中得到的预处理球放入反应氮弧熔覆系统进行反应氮弧熔覆，得到熔覆球，所述反应氮弧熔覆系统采用氩弧焊机，以高熔点的钨作为阴极，预处理球作为阳极，采用氮气作为保护气体和反应气体；所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流175A，氮气流量14L/min。
Claims (10)
1.一种高硬度耐磨球，其特征在于，其组成按质量分数包括：C:0.02-0.06％，Mn:0.38-0.86％，W:0.01-0.03％，Si：0.53-0.81％，Ni：0.21-0.45％，Cr：5-9.8％，Mo：0.11-0.15％，V：0.7-1.0％，Nb:0.2-0.5％，Ca：0.01-0.038％，Zr：0.01-0.015％，Cu：0.01-0.03％，Zn：0.01-0.035％，S≤0.028％，P≤0.033％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高硬度耐磨球，其特征在于，其组成按质量分数包括：C:0.045％，Mn:0.73％，W:0.02％，Si：0.53％，Ni：0.35％，Cr：8.6％，Mo：0.14％，V：0.75％，Nb:0.33％，Ca：0.025％，Zr：0.014％，Cu：0.025％，Zn：0.026％，S：0.019％，P：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1或2所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、熔炼：将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1500-1520℃，保温20-45min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1530-1570℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯；
S2、热处理：将得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中，将温度升至980-1030℃，保温50-80min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至800-820℃，保温30-75min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至500-530℃，保温130-150min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球；
S3、预处理：将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨再用丙酮和乙醇清洗，得到清洗耐磨球；将15-35份的钛粉和20-35份的石墨粉放入球磨机中混合均匀得到熔覆粉末，将熔覆粉末与粘接剂混合成糊状后均匀涂敷在得到的清洗耐磨球的表面，厚度为1-3mm，然后放入电炉中，将电炉的温度设置为160-180℃，保温2-3.5h，随炉冷却至室温后得到预处理球；所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.1-0.15％，Mo：0.2-0.8％，Si：0.6-1.8％，Fe：0.2-0.3％，Cl：0.02-0.06％，N：0.02-0.08％，O：0.1-0.55％，H：0.01-0.03％，余量为Ti；
S4、反应氮弧熔覆：将S3中得到的预处理球放入反应氮弧熔覆系统进行反应氮弧熔覆，得到耐磨球，所述反应氮弧熔覆系统采用氩弧焊机，以高熔点的钨作为阴极，预处理球作为阳极，采用氮气作为保护气体和反应气体；所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流150-180A，氮气流量12-18L/min。
4.根据权利要求3所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，在S3中，所述粘接剂为羧甲基纤维素钠溶液、乙醇、蔗糖溶液和水玻璃中的一种。
5.根据权利要求3或4所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，在S1中，将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1513℃，保温25min后加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、钨铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1545℃加热至完全熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁、金属锌，各原料完全熔化得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，在S2中，在正火处理中，将温度升至1015℃，保温55min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至805℃，保温74min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至505℃，保温145min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，在S2中，在正火处理中，将温度升至980-1030℃的过程中，升温速率随温度的升高而减小。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，在S2中，在淬火处理中，将温度升至800-820℃，保温30-75min，水冷至室温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，在S3中，所述钛粉其组成按质量分数包括：C:0.13％，Mo：0.55％，Si：1.3％，Fe：0.25％，Cl：0.029％，N：0.046％，O：0.1％，H：0.01％，余量为Ti。
10.根据权利要求3-9中任一项所述的高硬度耐磨球的制备方法，其特征在于，在S4中，所述反应氮弧熔覆工艺的参数具体如下：熔覆电流175A，氮气流量14L/min。
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