CN104275230A - 一种高硬度涂层耐磨球 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度涂层耐磨球，包括基质和镀层，基质的组分按重量百分比包括：碳：1.7-1.9％，铬：16-18％，稀土元素：2.4-2.6％，钙：1.3-1.6％，锰：1.2-1.3％，硅：0.6-0.8％，钛：1.5-1.6％，硫：0.02-0.05％，磷：0.01-0.03％，余量为铁；利用阴极电弧蒸镀将钛铝靶和氮气进行沉积在基质表面形成TiAlN涂层，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为11-12：8-10：18-19。本发明硬度高达75HRC以上，耐磨性能好，冲击韧性可达9J/cm2，可防止耐磨球破碎，还耐热耐腐蚀，可在多种环境下使用，尤其适用于湿磨法使用环境。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨球技术领域，尤其涉及一种高硬度涂层耐磨球。
背景技术
球磨机是工业生产中广泛使用的高细磨机械之一。球磨机钢球是球磨机设备研磨物料介质，通过球磨机钢球之间、钢球与物料之间的碰撞摩擦产生磨削作用，从而将物料的粒径进一步减小。现有技术中，球磨机的磨介钢球主要是铬系合金、锰系合金等球磨铸钢件或球磨铸铁件，如高铬钢球、低铬钢球、多元合金钢球和钒钛铬合金钢球等，其工作对象多为水泥、煤炭、矿石、煤渣等。磨煤机钢球在使用时球的硬度和耐磨性是影响磨煤机整形效果的主要因素之一。为了提高破碎效率和钢球的耐用度，需要钢球表面有足够的硬度和耐磨度。同时，在研磨过程中，钢球与磨料、钢球与衬板以及钢球与钢球之间发生的冲撞不可避免，因此，还要求钢球有一定的韧性，避免破球，这就对钢球的成分提出高等级的要求。
发明内容
基本背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高硬度涂层耐磨球，硬度高达75HRC以上，耐磨性能好，冲击韧性可达9J/cm2，可防止耐磨球破碎，还耐热耐腐蚀，可在多种环境下使用，尤其适用于湿磨法使用环境。
本发明提出的一种高硬度涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：将废钢、铬铁合金、稀土合金、生石灰、生铁、锰锭放入感应炉中，向感应炉中通入氩气35-45min，氩气流速为3-4L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2250-2450℃进行保温，保温时间为0.7-1.2h，打开炉门加入钛锭、粒径为55-60μm的碳粉和粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2500-2600℃保温3-4h，保温过程中抽真空维持负压为0.3-0.4kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、检测：检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.7-1.9％，铬：16-18％，稀土元素：2.4-2.6％，钙：1.3-1.6％，锰：1.2-1.3％，硅：0.6-0.8％，钛：1.5-1.6％，硫：0.02-0.05％，磷：0.01-0.03％，余量为铁和不可避免的杂质；
S3、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2400-2500℃，浇注温度为2300-2400℃，冷却至300-400℃得到球型合金基质A；
S4、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气32-45min,氩气流速为3-4L/s，升温至500-550℃，保温2-3h，升温至620-660℃，保温2-3h，升温至740-790℃，保温2-3h，升温至830-880℃，保温2-3h，升温至920-960℃，保温2-3h，升温至1000-1030℃，保温2-3h，升温至1100-1125℃，保温2-3h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至600-700℃，保温1-2h后取风冷，继续回火至450-500℃，保温3-4h后油冷，接着回火至280-330℃，保温5-6h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S5、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3-4min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为15-20min，清洗温度为55-65℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中16-20min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为1-3μm；
S6、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为5-8kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-120～-160V，沉积温度为390-410℃，高硬度涂层耐磨球的涂层厚度为7-8μm，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为56-58：42-48：92-93。
具体实施例中，基质合金液的组分含量按重量百分比包括：碳：1.70％、1.73％、1.75％、1.80％、1.82％、1.85％、1.90％，铬：16.0％、16.2％、16.4％、16.8％、17.0％、17.2％、17.6％、18.0％，稀土元素：2.40％、2.45％、2.48％、2.50％、2.53％、2.57％、2.60％，钙：1.3％、1.4％、1.5％、1.6％，锰：1.20％、1.24％、1.25％、1.26％、1.28％、1.30％，硅：0.60％、0.62％、0.68％、0.70％、0.73％、0.77％、0.80％，钛：1.50％、1.53％、1.55％、1.57％、1.59％、1.60％，硫：0.02％、0.03％、0.04％、0.05％，磷：0.010％、0.013％、0.017％、0.021％、0.024％、0.026％、0.028％、0.030％，余量为铁和不可避免的杂质。
优选的，S2中，检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.75-1.85％，铬：16.8-17.2％，稀土元素：2.48-2.57％，钙：1.4-1.5％，锰：1.24-1.26％，硅：0.64-0.73％，钛：1.55-1.59％，硫：0.03-0.04％，磷：0.017-0.026％，余量为铁和不可避免的杂质。
优选的，S6中，将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为6-7kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-130～-150V，沉积温度为395-405℃，高硬度涂层耐磨球的涂层厚度为7.3-7.6μm，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为57：46：92。
在由铁矿石生产各种铁或铁合金时，由于铁矿中往往伴生有磷、硫等金属或非金属矿，导致最终的铁或铁合金中含有磷、硫等元素以及难以避免的杂质。
本发明采用废钢、铬铁合金、稀土合金等原料配合作为球型合金基质的主料，实现本发明对于球型基质密度高和冲击韧性高的要求，提高耐磨球在使用中磨削效率，加强耐磨球的耐用性；在熔炼前通入的氩气、钛锭、粒径为55-60μm的碳粉和粒径为30-50μm的硅粉相互配合，可减少熔炼中与氧气接触，减少球型合金基质中氧化物的生成，还将各种杂质转化成炉渣或将氧化物还原，进一步提高耐磨球的的使用寿命；在热处理中采用阶梯式升降温进行回火处理，使球型合金基质中的奥氏体转化成为马氏体，大幅度提高球型合金基质的强度，增强本发明的耐磨性；采用阴极电弧蒸镀的方法在球型合金基质表面镀TiAlN涂层，TiAlN涂层中钛、铝、氮的摩尔比为11-12：8-10：18-19，利用氮化物提高耐磨球耐磨性能，满足实际使用过程中对耐磨球的要求，经检测发现耐磨球硬度可达75HRC以上，适用于大部分材料的研磨，而TiAlN涂层中钛、铝按上述摩尔比配合，在涂层表面形成致密的保护膜，显著提高耐热、耐腐蚀和耐氧化的性能，提高本发明的使用寿命，还使本发明更适用于湿法研磨。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种高硬度涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：将废钢、铬铁合金、稀土合金、生石灰、生铁、锰锭放入感应炉中，向感应炉中通入氩气35min，氩气流速为4L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2450℃进行保温，保温时间为0.7h，打开炉门加入钛锭、粒径为55μm的碳粉和粒径为50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2500℃保温4h，保温过程中抽真空维持负压为0.3kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、检测：检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.9％，铬：16％，稀土元素：2.6％，钙：1.3％，锰：1.3％，硅：0.6％，钛：1.6％，硫：0.02％，磷：0.03％，余量为铁和不可避免的杂质；
S3、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2400℃，浇注温度为2400℃，冷却至300℃得到球型合金基质A；
S4、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气45min,氩气流速为3L/s,升温至500℃，保温3h，升温至620℃，保温3h，升温至740℃，保温3h，升温至830℃，保温3h，升温至920℃，保温3h，升温至1000℃，保温3h，升温至1100℃，保温3h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至600℃，保温2h后取风冷，继续回火至450℃，保温4h后油冷，接着回火至280℃，保温6h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S5、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为20min，清洗温度为55℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中20min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为1μm；
S6、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为8kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-120V，沉积温度为410℃，高硬度涂层耐磨球的涂层厚度为7μm，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为14：12：23。
实施例2
本发明提出的一种高硬度涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：将废钢、铬铁合金、稀土合金、生石灰、生铁、锰锭放入感应炉中，向感应炉中通入氩气45min，氩气流速为3L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2250℃进行保温，保温时间为1.2h，打开炉门加入钛锭、粒径为60μm的碳粉和粒径为30μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2600℃保温3h，保温过程中抽真空维持负压为0.4kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、检测：检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.7％，铬：18％，稀土元素：2.4％，钙：1.6％，锰：1.2％，硅：0.8％，钛：1.5％，硫：0.05％，磷：0.01％，余量为铁和不可避免的杂质；
S3、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2500℃，浇注温度为2300℃，冷却至400℃得到球型合金基质A；
S4、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气32min,氩气流速为4L/s升温至550℃，保温2h，升温至660℃，保温2h，升温至790℃，保温2h，升温至880℃，保温2h，升温至960℃，保温2h，升温至1030℃，保温2h，升温至1125℃，保温2h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至700℃，保温1h后取风冷，继续回火至500℃，保温3h后油冷，接着回火至330℃，保温5h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S5、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中4min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为15min，清洗温度为65℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中16min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为3μm；
S6、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为5kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-160V，沉积温度为390℃，高硬度涂层耐磨球的涂层厚度为8μm，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为58：42：93。
实施例3
本发明提出的一种高硬度涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：将废钢、铬铁合金、稀土合金、生石灰、生铁、锰锭放入感应炉中，向感应炉中通入氩气37min，氩气流速为3.8L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2350℃进行保温，保温时间为0.9h，打开炉门加入钛锭、粒径为56μm的碳粉和粒径为46μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2530℃保温3.8h，保温过程中抽真空维持负压为0.32kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、检测：检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.85％，铬：16.8％，稀土元素：2.57％，钙：1.4％，锰：1.26％，硅：0.64％，钛：1.59％，硫：0.03％，磷：0.026％，余量为铁和不可避免的杂质；
S3、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2480℃，浇注温度为2360℃，冷却至380℃得到球型合金基质A；
S4、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气35min,氩气流速为3.8L/s，升温至540℃，保温2.2h，升温至650℃，保温2.3h，升温至780℃，保温2.1h，升温至870℃，保温2.4h，升温至950℃，保温2.1h，升温至1020℃，保温2.3h，升温至1120℃，保温2.2h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至680℃，保温1.3h后取风冷，继续回火至490℃，保温3.2h后油冷，接着回火至320℃，保温5.1h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S5、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3.2min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为18min，清洗温度为57℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中19min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为2μm；
S6、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为6kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-150V，沉积温度为395℃，高硬度涂层耐磨球的涂层厚度为7.3μm，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为57：46：92。
实施例4
本发明提出的一种高硬度涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：将废钢、铬铁合金、稀土合金、生石灰、生铁、锰锭放入感应炉中，向感应炉中通入氩气42min，氩气流速为3.2L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2300℃进行保温，保温时间为1.1h，打开炉门加入钛锭、粒径为58μm的碳粉和粒径为37μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2580℃保温3.3h，保温过程中抽真空维持负压为0.37kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、检测：检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.75％，铬：17.2％，稀土元素：2.48％，钙：1.5％，锰：1.24％，硅：0.73％，钛：1.55％，硫：0.04％，磷：0.017％，余量为铁和不可避免的杂质；
S3、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2410℃，浇注温度为2320℃，冷却至320℃得到球型合金基质A；
S4、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气40min,氩气流速为3.2L/s，升温至520℃，保温2.7h，升温至640℃，保温2.9h，升温至750℃，保温2.8h，升温至840℃，保温2.5h，升温至940℃，保温2.7h，升温至1010℃，保温2.5h，升温至1115℃，保温2.6h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至620℃，保温1.6h后取风冷，继续回火至460℃，保温3.7h后油冷，接着回火至300℃，保温5.5h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S5、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3.8min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为17min，清洗温度为57℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中17min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为2μm；
S6、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为7kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-130V，沉积温度为405℃，高硬度涂层耐磨球的涂层厚度为7.6μm，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为57：46：92。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高硬度涂层耐磨球，其特征在于，由如下步骤得到：
S1、熔炼：将废钢、铬铁合金、稀土合金、生石灰、生铁、锰锭放入感应炉中，向感应炉中通入氩气35-45min，氩气流速为3-4L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2250-2450℃进行保温，保温时间为0.7-1.2h，打开炉门加入钛锭、粒径为55-60μm的碳粉和粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2500-2600℃保温3-4h，保温过程中抽真空维持负压为0.3-0.4kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、检测：检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.7-1.9％，铬：16-18％，稀土元素：2.4-2.6％，钙：1.3-1.6％，锰：1.2-1.3％，硅：0.6-0.8％，钛：1.5-1.6％，硫：0.02-0.05％，磷：0.01-0.03％，余量为铁和不可避免的杂质；
S3、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2400-2500℃，浇注温度为2300-2400℃，冷却至300-400℃得到球型合金基质A；
S4、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气32-45min,氩气流量为3-4L/s,升温至500-550℃，保温2-3h，升温至620-660℃，保温2-3h，升温至740-790℃，保温2-3h，升温至830-880℃，保温2-3h，升温至920-960℃，保温2-3h，升温至1000-1030℃，保温2-3h，升温至1100-1125℃，保温2-3h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至600-700℃，保温1-2h后取风冷，继续回火至450-500℃，保温3-4h后油冷，接着回火至280-330℃，保温5-6h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S5、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3-4min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为15-20min，清洗温度为55-65℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中16-20min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为1-3μm；
S6、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为5-8kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-120～-160V，沉积温度为390-410℃，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为56-58：42-48：92-93。
2.如权利要求1所述高硬度涂层耐磨球，其特征在于，S2中，检测基质合金液的组分含量，各元素按重量百分比包括：碳：1.75-1.85％，铬：16.8-17.2％，稀土元素：2.48-2.57％，钙：1.4-1.5％，锰：1.24-1.26％，硅：0.64-0.73％，钛：1.55-1.59％，硫：0.03-0.04％，磷：0.017-0.026％，余量为铁和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述高硬度涂层耐磨球，其特征在于，S6中，将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为6-7kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到高硬度涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-130～-150V，沉积温度为395-405℃，高硬度涂层耐磨球的涂层厚度为7-8μm，高硬度涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为57：46：92。
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