CN104532139A - 高强韧性钢球及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强韧性钢球及其生产方法。高强韧性钢球，按重量百分比计，含有0.15％-0.3％C、1.3-2.0％Si、1.5％-2.5％Mn、0.5％-1.0％Cr、0.2-0.5％Mo，余量为Fe及不可避免的杂质；制备方法包括以下步骤：冶炼钢水；浇铸形成连铸坯；加热铸坯然后轧制：连铸坯加热至1150-1300℃并保温1-4h后轧制；形成钢球坯；将钢球坯加热至1100-1250℃并保温10-60s，然后锻造成所需断面钢球，终锻温度900-1050℃；锻造后的钢球空冷至其表层温度为750～850℃，然后水中淬火，当钢球表层温度降至60-80℃取出迅速进行回火处理，再进行去油及精整处理，得到钢球。所得钢球具有高硬度和良好的冲击韧性。

Description

高强韧性钢球及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁材料，更具体地讲，涉及一种高强韧性钢球及其生产方法。

背景技术

目前，球磨机领域广泛应用的锻轧钢球多为碳含量0.60％-0.85％的铁素体-珠光体钢或珠光体钢，这类钢的特点是碳含量高，辅以适量Si、Mn、Cr、V、Nb、Ti等元素，经淬火及回火处理后，直径80-150mm的钢球表层硬度能够达到60HRC以上，直径80mm钢球心部硬度不低于55HRC、而直径150mm钢球心部硬度不低于40HRC，具有生产成本低、工艺简单、成材率高等特点，钢球综合性能基本满足一般球磨机的研磨需要。

然而，由于碳含量较高，这类钢球显著的特点是具有高强硬度的同时韧塑性特别是冲击韧性较低，一般在钢球1/2半径或球心部位无缺口试样的冲击韧性低于20J，在应用过程中发生破裂的比例较高，需定时检查、遴选、更换，对于球磨领域要求较高的行业，并非最理想的选择。因此，亟需一种强硬度与现有珠光体类钢球相近，但韧塑性大幅提升的高性能钢球。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种高强韧性钢球，所得钢球具有高硬度的同时具有良好的冲击韧性。

本发明提供一种高强韧性钢球，按重量百分比计，其成分含有0.15％-0.30％C、1.30-2.00％Si、1.50％-2.50％Mn、0.50％-1.00％Cr、0.20-0.50％Mo，余量为Fe及不可避免的杂质；其制备方法包括依次进行的以下步骤：

a、冶炼钢水；

b、浇铸以形成连铸坯；

c、加热铸坯，然后轧制：将连铸坯加热至1150-1300℃并保温1-4h后轧制；

d、切割经轧制后的铸坯，形成钢球坯；

e、将钢球坯加热至1100-1250℃并保温10-60s，然后锻造钢球，终锻温度控制在900-1050℃；

f、将经锻造后的钢球空冷至其表层温度为750～850℃，然后将钢球坯以连续滚动的方式在温度为30-50℃的水中淬火，待钢球坯表层降至60-80℃时从水中取出并迅速置于温度为200-250℃的机械油或机油中回火，回火4-10h后取出，随后进行去油及精整处理，得到钢球。

本发明的有益效果：

采用本发明所述方法制得的钢球，距离钢球表层5mm处硬度60.2-61.1HRC、球心部位硬度55.8-57.1HRC、1/2半径处冲击功50-72J、球心部位冲击功56-78J，钢球断面硬度分布均匀，随着局里钢球表层局里的增加并未出现硬度的显著降低，钢球获得高硬度的同时获得了良好的冲击韧性。

附图说明

图1本发明中六组实施例及对比例断面硬度分布。

具体实施方式

本发明采用如下化学成分，以重量百分比计，含有0.15％-0.30％C、1.30-2.00％Si、1.50％-2.50％Mn、0.50％-1.00％Cr、0.20-0.50％Mo，余量为Fe及不可避免的杂质：上述化学成分的钢再轧制为钢球，再热轧空冷至室温条件下，钢球显微组织为共析铁素体+贝氏体+马氏体+少量残余奥氏体，不同于现有珠光体类钢球室温条件下以珠光体组织为主，同时包含少量铁素体的的组织。

含有上述成分的钢水采用转炉或电炉冶炼，经过LF精炼及RH真空处理后浇铸为200mm×200mm-450mm×450mm连铸坯：采用LF处理主要是为了降低钢中S等有害元素含量，提高钢质纯净度；采用RH真空处理目的是进一步降低钢中O、N、H等气体元素含量，避免钢球因产生白点缺陷在使用过程中开裂。

所得连铸坯在加热炉中重新加热至1150-1300℃并保温1-4h后出炉轧制为60mm×60mm-75mm×75mm方钢：钢坯重新进行奥氏体化并保温1-4h后，坯料全断面温度分布均匀，适宜轧制，钢坯出炉后进行高压水除磷，采用孔型法或万能法将坯料轧制为一定长度的60mm×60mm-75mm×75mm方钢，具体方钢尺寸以最终钢球规格确定，完成轧制的方钢直接空冷至室温。

由于大型球磨机领域常用钢球的直径在80mm-150mm之间，依据方钢断面及钢球直径换算结果，同时考虑氧化铁皮等损耗，采用等离子切割机或锯床切割成单个钢球坯料并依次置于感应加热炉中进行加热及保温。当钢球坯表层温度达到1100-1250℃时保温10-60s后取出置于250kg或500kg空气锤下锻造为直径80mm-150mm所需断面钢球，锻造过程中应采用鼓风机等设备去除氧化皮。上述参数及操作工序设定的原因是：加热过程中，如钢球坯料表层温度低于1100℃，奥氏体化程度不充分，在锻造过程中随着温度的降低，变形抗力显著增加，钢球的圆度难以保证；如钢球坯料表层温度高于1250℃，奥氏体晶粒将面临显著长大甚至出现过热、过烧的问题，性能显著恶化；因此，钢球坯料的加热温度选择1100-1250℃；保温时间10-60s的原因是：奥氏体均匀化过程对钢球最终性能影响很大，相比于普通碳素钢，由于本发明钢中合金元素含量相对较高，钢球坯料表层到达规定温度后续维持保温一段时间，如保温时间低于10s，坯料心部温度较低，无法满足锻造要求；如保温时间高于60s，则增加电能消耗，对组织与性能也无显著益处；因此，保温温度设定为10-60s。钢球坯料取出后，置于250kg或500kg空气锤下均匀模锻，锻造过程采用鼓风机等去除氧化铁皮，避免压入钢球产生折叠等缺陷。

钢球终锻后温度在900-1050℃之间，一般随着钢球直径的增加，终锻温度随之提高。将钢球置于底部带有通孔的台架上静置冷却，当钢球表层温度降至750-850℃时投入温度为30-50℃的带有水槽的流动清水中连续滚动淬火直至钢球表层温度降至60-80℃时从水中取出，进行上述设置的原因是：如果淬火开始温度高于850℃，由于钢球入水后表面剧烈气化并形成水膜，降低了淬火介质的冷却速度，钢球心部性能较低；如果淬火开始温度低于750℃，则易形成先共析铁素体等软质相，同样降低钢球的硬度；因此，淬火开始温度介于750-850℃之间。水温设定在30-50℃的原因是：如果温度高于50℃，同样导致钢球硬度偏低，无法满足使用要求；如果水温低于30℃，则钢球因内应力过大易破裂。当钢球表层温度降至60-80℃时，钢球表层至一定深度内的相变已完成；同时，可有效降低应力，同样避免钢球破裂。由于淬火后的钢球含有马氏体、残余奥氏体等亚稳态组织，需通过回火处理促进上述组织转变为回火马氏体等稳态组织，同时调整钢球的硬度及韧性等综合性能。采用200-250℃机械油或机油中回火处理4-10h，取出进行去油及表面精整处理即得到成品钢球。

在下文中，将结合实施例来具体描述本发明中一种高强韧性钢球及其生产方法。

实施例选用以下六组本发明所述钢球化学成分，详见表1，实施例1-6记为A1-A6。

对比例选用现有高碳珠光体材质钢球化学成分，详见表2，对比例记为D1。

表1本发明六组实施例化学成分

表2对比例化学成分

含有上述化学成分的钢水经转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理后连铸为450mm×360mm断面方坯，通过轧机轧制为75mm×75mm断面方钢，等离子切割机下料后，锻造为直径120mm钢球，过程热处理参数如表3所示。

表3本发明中实施例及对比例热处理过程参数控制

分别在完成热处理及后续去油、精整工艺的成品钢球的中间切割厚度为10mm的薄片，以每隔5mm间距测量表层5mm直至球心部位(60mm)的硬度；同时，在1/2半径及球心部位取10mm×10mm×55mm无缺口冲击试样测试冲击功，结果详见表4，硬度分布见图1。

表4本发明中六组实施例及对比例力学性能

采用本发明所述方法的六组实施例中，距离钢球表层5mm处硬度60.2-61.1HRC、球心部位硬度55.8-57.1HRC、1/2半径处冲击功50-72J、球心部位冲击功56-78J，钢球断面硬度分布均匀，随着距离钢球表层局里的增加并未出现硬度的显著降低，钢球获得高硬度的同时获得了良好的冲击韧性。相比之下，现有珠光体钢球的表层硬度同样达到60.0HRC，但随着距表层局里的增加，硬度显著降低，球心部位仅为45.8HRC；同时，1/2半径及球心部位的冲击功仅为11J、9J，钢球展示出强硬度较高但韧性不足的特点。因此，本发明所述钢球适用于对钢球破球率、失圆率较高的球磨领域。

Claims (1)

1.高强韧性钢球，其特征在于，按重量百分比计，其成分含有0.15％-0.30％C、1.30-2.00％Si、1.50％-2.50％Mn、0.50％-1.00％Cr、0.20-0.50％Mo，余量为Fe及不可避免的杂质；其制备方法包括依次进行的以下步骤：

a、冶炼钢水；

b、浇铸以形成连铸坯；

c、加热连铸坯，然后轧制：将连铸坯加热至1150-1300℃并保温1-4h后轧制；

d、切割经轧制后的铸坯，形成钢球坯；

e、将钢球坯加热至1100-1250℃并保温10-60s，然后锻造成钢球，终锻温度控制在900-1050℃；

f、将经锻造后的钢球空冷至其表层温度为750～850℃，然后将钢球以连续滚动的方式在温度为30-50℃的水中淬火，当钢球表层温度降至60-80℃时取出并置于温度为200-250℃的机械油或机油中回火，回火4-10h后取出，随后进行去油及精整处理，得到钢球。