CN104388811A

CN104388811A - 多元合金铸铁磨球及其制备方法

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Publication number: CN104388811A
Application number: CN201410571570.6A
Authority: CN
Inventors: 赵成标; 黄路晴; 程绍军; 付寒光
Original assignee: TIANJIN XUNMING TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: TIANJIN XUNMING TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: CN104388811B

Abstract

本发明公开了一种多元合金铸铁磨球及其制备方法，该磨球包含成分及其质量百分比为：Q235废钢86.0～87.0％，合金钢钢屑5.0～5.5％，增碳剂3.0～3.2％，硼铁4.0～4.5％，锆硅铁合金0.20～0.25％，镁铝钙合金0.35～0.45％，钇基重稀土硅铁合金0.12～0.15％。其制备方法步骤如下：先将Q235废钢、合金钢钢屑和增碳剂混合加热熔化，铁水熔清后测温，当铁水达到一定温度时加入硼铁；当铁水达到一定温度时，加入镁铝钙合金，保温后出炉；当铁水出炉1/3～1/2时，用薄钢片包裹好钇基重稀土硅铁合金和锆硅铁合金并加入浇包；当铁水降至一定温度时，在金属铸型中浇注成磨球；磨球经打磨和清理后进行热处理。优点是：生产成本低廉；韧性好，硬度高，表面和心部硬度落差小，疲劳性能及耐磨性好，球耗低。

Description

多元合金铸铁磨球及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸铁磨球及其制备方法，特别涉及一种多元合金铸铁磨球及其制备方法。

背景技术

磨球是广泛应用于矿山、冶金、建材和电力等行业的主要易损件，仅国内消耗量就达300万吨/年左右，国际市场磨球消耗量在1000万吨/年以上，其巨大的消耗引起人们高度重视。降低磨球消耗和破碎率，一直是国内外研究的热点之一。国内外广泛使用的磨球有低合金钢铸球、铬合金铸铁球、合金钢锻轧球等，参见下表1，均未能很好解决磨球硬度与韧性、淬透性与合金元素含量之间的矛盾。通常是硬度高而韧性低，破碎率高；合金元素含量高使淬透性提高，但成本增加。因此研制生产工艺简便、成本低、耐磨性好、破碎率低的磨球，成为人们追求的目标。

表1

为了提高磨球性能，中国专利公开号CN1851026A公开了一种高铬铸钢磨球及制备方法，组成(wt％)为C 1.0-1.6，Si 0.5-1.0，Mn 0.5-1.0，Cr 10-18，Re 0.03-0.1，Al 0.03-0.1，Mo 1.0-3.0，Ni 1.0-2.0，V 0.3-1.0，P≤0.03，S≤0.03，余量为铁及不可避免的杂质元素；浇铸成型后，经900-950℃二次淬火处理，再经400-450℃二次回火处理。具有硬度高，HRC≥61，韧性好，ak≥10J/cm²，抗拉强度σ_b≥800MPa。有效降低了磨球破球率，延长了磨球使用寿命。

中国专利公开号CN101705435A公开了超硬高铬铸造磨球的生产工艺方法，该发明磨球化学成分如下：碳(C)1.8-3.2％，硅(Si)0.3-1.0％，锰(Mn)0.2-0.9％，铬(Cr)10.0-10.5％，磷(P)0.02-0.1％，硫(S)0.02-0.1％；铜(Cu)0.02-0.1％，钼(Mo)0.02-0.1％，镍(Ni)0.02-0.1％，钨(W)0.02-0.1％，稀土钇(Y-Re)0.1-0.2％，铁(Fe)80.1-83.7％。该发明采用钇稀土进行变质处理，使碳化物形状、分布改变，进而断网，同时使晶粒细化，组织致密，提高韧性。采用油介质淬火加回火热处理工艺，获得马氏体加断网的共晶碳化物，使高铬磨球硬度达到HRc64-66，显著提高了高铬磨球的韧性和耐磨性。

中国专利公开号CN101463450A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。其制备方法获得的磨球具有硬度高、韧性好的特点。中国专利公开号CN101280382A还公开了一种球磨机奥贝体球铁磨球及制造方法，其化学成分及化学成分所占重量份数比例为：铁92-93、碳3.6-3.8、锰0.6-0.8、钙0.02-0.04、镁0.03-0.05、硅2.4-2.5，其中有害成分磷0.05以下，硫0.015以下。制造过程有熔炼，球化，浇铸，油浴淬火。该发明的积极效果是：使非高铬材质的磨球具有特高的强度与耐磨性，达到硬度与韧性的完美结合，球体具有良好的抗冲击、抗疲劳、与性能指标相近的高铬磨球相比，制造成本低20-30％。

综上，目前国内外开发的各种磨球普遍存在以下问题，性能好的磨球，其制造成本高，推广应用较困难；制造成本低的磨球，其性能差，特别是磨球的质量稳定性低，球耗高，硬度低，使用寿命短，用户满意度差。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术存在的上述问题，提供一种硬度高、疲劳性能及耐磨性好，球耗低，生产成本低廉的多元合金铸铁磨球及其制备方法。

本发明涉及的一种多元合金铸铁磨球，包含成分及其质量百分比为：Q235废钢86.0～87.0％，合金钢钢屑5.0～5.5％，增碳剂3.0～3.2％，硼铁4.0～4.5％，锆硅铁合金0.20～0.25％，镁铝钙合金0.35～0.45％，钇基重稀土硅铁合金0.12～0.15％。

作为进一步优选，所述Q235废钢包含成分按质量百分比为：C0.14～0.22％、Mn 0.30～0.65％、Si≤0.30％、S≤0.050％、P≤0.045％，余量为Fe。

作为进一步优选，所述合金钢钢屑包含成分按质量百分比为：C≤0.12％,Si≤1.00％,Mn≤2.00％,S≤0.030％,P≤0.035％,Cr17.00～19.00％,Ni8.00～11.00％,Ti≤0.80％,余量为Fe。

作为进一步优选，所述增碳剂包含成分按质量百分比为：固定碳98.5～99.5％，灰分≤0.8％，挥发分≤0.5％，水分≤0.5％，S≤0.02％。

作为进一步优选，所述硼铁包含成分按质量百分比为：B 17.0～19.0％，C＜0.5％，Si＜3.5％，余量为Fe。

作为进一步优选，所述镁铝钙合金包含成分按质量百分比为：Al50～55％，Ca 4～5％，Mg 1.5～2.0％，余量为Fe。

作为进一步优选，所述钇基重稀土硅铁合金包含成分按质量百分比为：RE 40～45％，Si 35～40％，Ca 5～8％，余量为Fe。

作为进一步优选，所述锆硅铁合金包含成分按质量百分比为：Zr45～55％,Si 35～40％,C＜0.1％,S＜0.05％,P＜0.05％，余量为Fe。

本发明涉及的一种多元合金铸铁磨球的制备方法，采用电炉熔炼，包含步骤如下：

(1)将质量百分比为86.0～87.0％的Q235废钢、5.0～5.5％的合金钢钢屑和3.0～3.2％的增碳剂混合加热熔化，铁水熔清后测温，当铁水温度达到1480～1500℃时，加入质量百分比为4.0～4.5％的硼铁；当铁水温度达到1500～1520℃时，加入质量百分比为0.35～0.45％的镁铝钙合金，保温1～3分钟后出炉；

(2)铁水出炉过程中，当铁水出炉1/3～1/2时，用厚度小于1mm的薄钢片包裹好质量百分比为0.12～0.15％的钇基重稀土硅铁合金和质量百分比为0.20～0.25％的锆硅铁合金，随铁水流加入浇包；

(3)当铁水温度降至1400～1420℃时，在金属铸型中浇注成磨球；

(4)磨球经打磨和清理后进行热处理，热处理加热温度550～600℃，保温6～10小时，随后炉冷至500℃时出炉入缓冷坑，当磨球表面温度低于150℃时空冷至室温即可。

本发明的有益效果是：本发明多元合金铸铁磨球主要以低碳Q235废钢和合金钢钢屑为原料，废钢和合金钢钢屑中油污多，因此加入镁铝钙合金，主要起脱氧、脱硫、净化铁水和改善夹杂物形态与分布的作用，从而提高磨球强度和韧性，防止磨球使用中出现破碎。

本发明加入的硼铁，主要是利用硼与铁化合，生成高硬度的Fe₂B相，从而提高磨球硬度，改善耐磨性；部分硼还可进入基体，提高基体淬透性和淬硬性，防止磨球组织中出现低硬度的珠光体或铁素体组织。镁铝钙合金中的铝是一种活泼元素，易与RE和氧反应，生成REAlO₃。REAlO₃熔点高达2050℃，REAlO₃作为奥氏体结晶时的异质核心，有效促进奥氏体形核，细化初生奥氏体和共晶奥氏体。导致共晶反应时，碳化物和硼化物的生长受到抑制，促进碳化物和硼化物的断网和孤立。镁铝钙合金中的钙也易与钢中残存的硫结合，生成CaS。CaS熔点高达2525℃，CaS作为共晶硼化物、共晶碳化物的异质核心，硼化物、碳化物依附于CaS共生生长，促进硼化物、碳化物颗粒的形成。加入少量锆硅铁合金，也具有明显细化硼化物，改善硼化物形态和分布的效果，从而可提高磨球的综合性能。

稀土加入铁液中中具有脱硫、除气的作用，同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子，具有加速凝固的形核作用，稀土元素的这些特性能细化含多元合金铸铁磨球晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发挥稀土的有益作用，克服其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。这是使用钇稀土获得洁净组织对钢污染少的重要原因。

因此，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明的多元合金铸铁磨球以废钢和合金钢钢屑为主要原料，不含价格昂贵的钼、钒、钨、铌等合金元素，生产成本低廉；

(2)本发明的多元合金磨球经合金钢钢屑和硼铁进行合金化处理，具有强度高、韧性好，硬度高，表面和心部硬度落差小等特点，生产直径130mm磨球，磨球表面硬度可达到55～57HRC，中心部硬度达到54～55HRC，磨球冲击韧性达到7.0-8.5J/cm²。

(3)本发明磨球具有优异的耐磨性，疲劳性能及耐磨性好，球耗低，本发明的磨球适用于研磨铁矿石、煤粉和水泥熟料，球耗比低铬铸铁磨球降低1倍以上，使用过程中无碎球现象出现。

具体实施方式

实施例1

本发明所涉及的一种多元合金铸铁磨球，包含成分及其质量百分比为：Q235废钢86.0～87.0％，合金钢钢屑5.0～5.5％，增碳剂3.0～3.2％，硼铁4.0～4.5％，锆硅铁合金0.20～0.25％，镁铝钙合金0.35～0.45％，钇基重稀土硅铁合金0.12～0.15％。

作为优选，所述Q235废钢包含成分按质量百分比为：C 0.14～0.22％、Mn 0.30～0.65％、Si≤0.30％、S≤0.050％、P≤0.045％，余量为Fe。所述合金钢钢屑包含成分按质量百分比为：C≤0.12％,Si≤1.0％,Mn≤2.0％,S≤0.03％,P≤0.035％,Cr17.00～19.00％,Ni8.00～11.00％,Ti≤0.80％,余量为Fe。所述增碳剂包含成分按质量百分比为：固定碳98.5～99.5％，灰分≤0.8％，挥发分≤0.5％，水分≤0.5％，S≤0.02％。所述硼铁包含成分按质量百分比为：B 17.0～19.0％，C＜0.5％，Si＜3.5％，余量为Fe。

作为优选，所述镁铝钙合金包含成分按质量百分比为：Al 50～55％，Ca 4～5％，Mg 1.5～2.0％，余量为Fe。所述钇基重稀土硅铁合金包含成分按质量百分比为：RE 40～45％，Si 35～40％，Ca 5～8％，余量为Fe。所述锆硅铁合金包含成分按质量百分比为：Zr 45～55％,Si 35～40％,C＜0.1％,S＜0.05％,P＜0.05％，余量为Fe。

实施例2

本发明所涉及的一种多元合金铸铁磨球，包含成分及其质量百分比为：Q235废钢86.0％，合金钢钢屑5.5％，增碳剂3.2％，硼铁4.5％，锆硅铁合金0.2％，镁铝钙合金0.45％，钇基重稀土硅铁合金0.15％。

所述Q235废钢包含成分按质量百分比为：C 0.14％、Mn 0.65％、Si 0.05％、S 0.050％、P 0.01％，余量为Fe。所述合金钢钢屑包含成分按质量百分比为：C 0.01％、Si 1.0％、Mn 0.1％、S 0.03％、P 0.01％、Cr19.00％,Ni 8.00％,Ti0.80％,余量为Fe。所述增碳剂包含成分按质量百分比为：固定碳98.5％，灰分0.5％，挥发分0.5％，水分0.48％，S 0.02％。所述硼铁包含成分按质量百分比为：B 17.0％，C 0.45％，Si 3.4％，余量为Fe。

所述镁铝钙合金包含成分按质量百分比为：Al 50％，Ca 5％，Mg 1.5％，余量为Fe。所述钇基重稀土硅铁合金包含成分按质量百分比为：RE 40％，Si 40％，Ca 5％，余量为Fe。所述锆硅铁合金包含成分按质量百分比为：Zr 45％,Si 40％,C 0.05％,S 0.01％,P 0.01％，余量为Fe。

本发明涉及的一种多元合金铸铁磨球的制备方法，采用1500公斤中频感应电炉熔炼，具体工艺步骤如下：

(1)将质量百分比为86.0％的Q235废钢，5.5％的合金钢钢屑和3.2％的增碳剂混合加热熔化，铁水熔清后测温，当铁水温度达到1481℃时，加入质量百分比为4.5％的硼铁，当铁水温度达到1504℃时，加入质量百分比为0.45％的镁铝钙合金，保温3分钟后出炉。

(2)铁水出炉过程中，当铁水出炉1/3～1/2时，用厚度0.60mm的薄钢片包裹好质量百分比为0.15％的钇基重稀土硅铁合金和质量百分比为0.2％的锆硅铁合金，随铁水流加入浇包。

(3)当铁水温度降至1403℃时，在金属铸型中浇注成直径Φ130mm的磨球。

(4)磨球经打磨和清理后进行热处理，热处理加热温度550℃，保温10小时，随后炉冷至500℃时出炉入缓冷坑，当磨球表面温度低于150℃时空冷至室温即可。制得磨球的力学性能见表2。

实施例3

本发明所涉及的一种多元合金铸铁磨球，包含成分及其质量百分比为：Q235废钢87.0％，合金钢钢屑5.0％，增碳剂3.2％，硼铁4.0％，锆硅铁合金0.25％，镁铝钙合金0.40％，钇基重稀土硅铁合金0.15％。

所述Q235废钢包含成分按质量百分比为：C 0.22％、Mn 0.30％、Si 0.30％、S 0.01％、P 0.045％，余量为Fe。所述合金钢钢屑包含成分按质量百分比为：C 0.12％,Si0.1％,Mn2.0％,S0.01％,P 0.035％,Cr17.00％,Ni11.00％,Ti0.1％,余量为Fe。所述增碳剂包含成分按质量百分比为：固定碳99.5％，灰分0.1％，挥发分0.3％，水分0.09％，S 0.01％。所述硼铁包含成分按质量百分比为：B 19.0％，C 0.1％，Si 3.4％，余量为Fe。

所述镁铝钙合金包含成分按质量百分比为：Al 55％，Ca 4％，Mg 2.0％，余量为Fe。所述钇基重稀土硅铁合金包含成分按质量百分比为：RE45％，Si 35％，Ca 8％，余量为Fe。所述锆硅铁合金包含成分按质量百分比为：Zr 55％,Si 35％,C 0.08％,S 0.01％,P0.04％，余量为Fe。

(1)将质量百分比为87.0％的Q235废钢，5.0％的合金钢钢屑和3.2％的增碳剂混合加热熔化，铁水熔清后测温，当铁水温度达到1497℃时，加入质量百分比为4.0％的硼铁，当铁水温度达到1519℃时，加入质量百分比为0.40％的镁铝钙合金，保温3分钟后出炉。

(2)铁水出炉过程中，当铁水出炉1/3～1/2时，用厚度0.50mm的薄钢片包裹好质量百分比为0.15％的钇基重稀土硅铁合金和质量百分比为0.25％的锆硅铁合金，随铁水流加入浇包。

(3)当铁水温度降至1419℃时，在金属铸型中浇注成直径Φ130mm的磨球。

(4)磨球经打磨和清理后进行热处理，热处理加热温度600℃，保温6小时，随后炉冷至500℃时出炉入缓冷坑，当磨球表面温度低于150℃时空冷至室温即可。制得磨球的力学性能见表2。

实施例4

本发明所涉及的一种多元合金铸铁磨球，包含成分及其质量百分比为：Q235废钢86.68％，合金钢钢屑5.3％，增碳剂3.0％，硼铁4.3％，锆硅铁合金0.25％，镁铝钙合金0.35％，钇基重稀土硅铁合金0.12％。

所述Q235废钢包含成分按质量百分比为：C 0.18％、Mn 0.5％、Si 0.15％、S 0.03％、P 0.025％，余量为Fe。所述合金钢钢屑包含成分按质量百分比为：C0.08％,Si0.5％,Mn1.0％,S0.02％,P0.02％,Cr18.0％,Ni9.50％,Ti0.50％,余量为Fe。所述增碳剂包含成分按质量百分比为：固定碳99.0％，灰分0.5％，挥发分0.3％，水分0.19％，S 0.01％。所述硼铁包含成分按质量百分比为：B 18.0％，C 0.3％，Si 2.5％，余量为Fe。

所述镁铝钙合金包含成分按质量百分比为：Al 52％，Ca 4.5％，Mg 1.8％，余量为Fe。所述钇基重稀土硅铁合金包含成分按质量百分比为：RE 42％，Si 38％，Ca 6.5％，余量为Fe。所述锆硅铁合金包含成分按质量百分比为：Zr 50％,Si 37.5％,C 0.05％,S 0.02％,P 0.02％，余量为Fe。

(1)将质量百分比为86.68％的Q235废钢，5.3％的合金钢钢屑和3.0％的增碳剂混合加热熔化，铁水熔清后测温，当铁水温度达到1489℃时，加入质量百分比为4.3％的硼铁，当铁水温度达到1519℃时，加入质量百分比为0.35％的镁铝钙合金，保温3分钟后出炉。

(2)铁水出炉过程中，当铁水出炉1/3～1/2时，用厚度0.60mm的薄钢片包裹好质量百分比为0.12％的钇基重稀土硅铁合金和质量百分比为0.25％的锆硅铁合金，随铁水流加入浇包。

(3)当铁水温度降至1410℃时，在金属铸型中浇注成直径Φ130mm的磨球。

(4)磨球经打磨和清理后进行热处理，热处理加热温度580℃，保温8小时，随后炉冷至500℃时出炉入缓冷坑，当磨球表面温度低于150℃时空冷至室温即可。制得磨球的力学性能见表2。

表2

本发明的磨球适用于冶金矿山、火力发电和水泥行业，用于研磨铁矿石、金矿石、铜矿石、煤粉和水泥熟料等。本发明磨球强度高，韧性好，硬度高，且表面和心部硬度落差小，耐磨性好。本发明磨球使用过程中无碎球现象出现，在相同使用条件下，其球耗比低铬铸铁磨球降低1倍以上。本发明利用中频电炉熔炼多元合金铸铁，大量利用废钢、钢屑等再生资源，不仅使得多元合金铸铁磨球质量提高，性能更加稳定，而且减少了对环境的污染。推广应用本发明磨球，具有显著的经济和社会效益。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

1.一种多元合金铸铁磨球，其特征在于包含成分及其质量百分比为：Q235废钢86.0～87.0％，合金钢钢屑5.0～5.5％，增碳剂3.0～3.2％，硼铁4.0～4.5％，锆硅铁合金0.20～0.25％，镁铝钙合金0.35～0.45％，钇基重稀土硅铁合金0.12～0.15％。

2.根据权利要求1所述的多元合金铸铁磨球，其特征在于：所述Q235废钢包含成分按质量百分比为：C 0.14～0.22％、Mn 0.30～0.65％、Si≤0.30％、S≤0.050％、P≤0.045％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的多元合金铸铁磨球，其特征在于：所述合金钢钢屑包含成分按质量百分比为：C≤0.12％,Si≤1.00％,Mn≤2.00％,S≤0.030％,P≤0.035％,Cr17.00～19.00％,Ni8.00～11.00％,Ti≤0.80％,余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的多元合金铸铁磨球，其特征在于：所述增碳剂包含成分按质量百分比为：固定碳98.5～99.5％，灰分≤0.8％，挥发分≤0.5％，水分≤0.5％，S≤0.02％。

5.根据权利要求1所述的多元合金铸铁磨球，其特征在于：所述硼铁包含成分按质量百分比为：B 17.0～19.0％，C＜0.5％，Si＜3.5％，余量为Fe。

6.根据权利要求1所述的多元合金铸铁磨球，其特征在于：所述镁铝钙合金包含成分按质量百分比为：Al 50～55％，Ca 4～5％，Mg 1.5～2.0％，余量为Fe。

7.根据权利要求1所述的多元合金铸铁磨球，其特征在于：所述钇基重稀土硅铁合金包含成分按质量百分比为：RE 40～45％，Si35～40％，Ca 5～8％，余量为Fe。

8.根据权利要求1所述的多元合金铸铁磨球，其特征在于：所述锆硅铁合金包含成分按质量百分比为：Zr 45～55％,Si 35～40％,C＜0.1％,S＜0.05％,P＜0.05％，余量为Fe。

9.一种用于制造如权利要求1所述的多元合金铸铁磨球的制备方法，其特征在于，采用电炉熔炼，包含步骤如下：