CN104561502B - 高淬透性钢球的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高淬透性钢球的生产方法，该生产方法工艺步骤简单，生产周期短，生产效率高，并且能够生产具有高淬透性深硬化层的高韧性钢球。该生产方法包括以下步骤；锻造钢球；钢球锻造完成后，将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中冷却，所述混合物中工业食盐和生灰石重量百分比计为：工业食盐为30～50％，生灰石为50～70％；当钢球表层温度降低至650～900℃时，将钢球连同表层的附着物置于清水中进行水淬，水淬完成后对钢球进行回火。采用该方法生产钢球，能够简化生产工艺步骤，提高生产率，降低生产成本，提高钢球表面硬度，提高钢球心部硬度，钢球的冲击值较高。同时，适用于铁矿石等高硬度矿石的研磨。

Description

高淬透性钢球的生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢球的生产方法，尤其是一种高淬透性钢球的生产方法。

背景技术

公知的：钢球在实际生产过程中，存在着硬度偏低，硬度分布不均匀，加工过程中极易开裂和钢球使用时的磨损量居高不下等问题。钢球产品的使用效果不好，远远达不到国际标准。

现有技术中，专利号为：ZL 201310008177.1，专利名称为：《锻钢球的制造方法》的专利中，公开了一种锻钢球的制造方法，包括钢球坯选择、下料、加热、模锻、预冷、淬火和回火步骤，其中，钢球进行两次淬火，第一次淬火至钢球的表层温度为260～340℃，再将钢球表层温度升至360～420℃后进行第二次淬火，第二次淬火至钢球的表层温度为170～220℃；淬火介质为25～50℃的清水；回火在以空气为介质的回火装置中进行。本发明生产出的钢球表面硬度为55～62，芯部硬度50～55，表面冲击韧性大于16J/cm2，芯部冲击韧性大于18J/cm2，选矿时钢球磨耗可降低35～80％，大大提高使用寿命，尤其适合使用在磨矿用的大型磨机使用。虽然通过该方法生产出的钢球，钢球表面和心部的硬度值虽然较高，钢球的冲击韧性较好，但是该生产方法的工艺步骤复杂，在淬火的过程中进行了两次淬火，延长了生产周期，同时第一次淬火后进行加热，然后才能进行第二次淬火；因此能耗较高，成本较高；生产周期长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高淬透性钢球的生产方法，该生产方法能够简化传统生产方法的工艺步骤，提高生产效率，降低生产成本；同时能够生产具有高淬透性深硬化层的高韧性钢球。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高淬透性钢球的生产方法，包括以下步骤：锻造钢球；钢球锻造完成后，将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中冷却，所述混合物中工业食盐和生灰石重量百分比计为：工业食盐为30～50％，生灰石为50～70％；当钢球表层温度降低至650～900℃时，将钢球连同表层的附着的混合物置于水中进行水淬；当钢球表面温度达到40～60℃时，将钢球进行回火。

优选的，锻造钢球时，钢球坯的成分按重量百分比计为：C为0.76～0.88％，Si为0.30～0.80％，Mn为1.00～1.40％，Cr为0.20～0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

优选的，锻造钢球采用以下步骤：钢球坯料采用连铸浇成380×280mm的大方坯，采用加热炉加热至1250℃±50℃，采取轧机轧成60×60mm或75×75mm的方钢，根据需要生产钢球的大小将四联方钢锯切为相应长度的锯切料，将锯切料放进感应加热炉中升温至1000～1200℃，保温5～10min后取出，经锻造机锻造成钢球。

优选的，钢球水淬时，在水中设置快速导位装置，利用钢球自身的重力在快速导位装置上快速移动；淬火时间根据钢球直径的大小而不同，直径60mm的钢球淬火时间为3～5min，直径120mm的钢球淬火时间为6～8min。

优选的，所述快速导位装置为辊道。

进一步的，钢球淬火后，采取油侵入式低温回火，回火温度为150～250℃，保温时间4～8h。

本发明的有益效果是：采用本发明所述的高淬透性钢球的生产方法制造钢球，通过将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中预冷；预冷后得到的钢球只需要经过一次水淬，就能生产出具有高淬透性深硬化层的高韧性钢球。因此简化了传统生产方法的工艺步骤，提高生产效率，降低生产成本；同时得到的钢球表面硬高，钢球心部硬度高，冲击韧性好。钢球具有良好的强韧性和性能均匀性,使用过程中滚动接触疲劳性能和耐磨损性能好，适用于铁矿石等高硬度矿石的研磨。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

高淬透性钢球的生产方法，包括以下步骤：锻造钢球；钢球锻造完成后，将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中冷却，所述混合物中工业食盐和生灰石重量百分比计为：工业食盐为30～50％，生灰石为50～70％；当钢球表层温度降低至650～900℃时，将钢球连同表层的附着物置于清水中进行水淬；当钢球表面温度达到40～60℃时，将钢球进行回火。

将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中冷却一般冷却速度为0.5～0.8℃/s。钢球在水中进行水淬时，钢球温度由650～900℃在水中快速降温到40～60℃时，钢球在水中的淬火时间为3～12min。

本发明所述的高淬透性钢球的生产方法采取将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中冷却，工业食盐和生灰石混合物其作用如下：1、不论是工业食盐还是生石灰，随钢球进入水中，都将增加钢球的淬透性。根据金属学原理，钢材在进行淬火时，钢材置于食盐水或碱性溶液中，冷却速度均大于钢材置于清水中淬火；2、钢球刚进入水中淬火时，钢球表面由于高温与水接触而汽化，在钢球表面形成气泡膜，削弱了钢球表面淬透性。如采用本发明所述的高淬透性钢球的生产方法，钢球在预冷时，钢球表面由于附着有工业食盐和生石灰，钢球表面的气泡膜由于食盐和生石灰融于水中，有效的破坏钢球表面的气泡膜，增加淬透性；3、锻后钢球，置于工业食盐和生石灰的混合物中，有助于钢球表面的保温，降低了钢球淬火前的冷却速度，从而降低钢球内部热应力，有助于钢球在使用过程当中，不易破碎。

由于将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中冷却；因此在将钢球放入水中进行水淬时，钢球表面会附着一层工业食盐和生灰石的混合物。从而可以提高钢球的淬透性；有助于钢球表面的保温，降低了钢球淬火前的冷却速度，从而降低钢球内部热应力，有助于钢球在使用过程当中，不易破碎；提高了钢球表面和心部的硬度，同时使得钢球表面具有一层高淬透性深硬化层，钢球的冲击韧性好。

现有技术中钢球的预冷是将钢球直接置于底部带有通孔的台架上进行预冷，带孔的台架上预冷需人工操作，且降温速度慢，降温不均匀；或者是采用等温螺旋机进行降温，但是采用螺旋机进行降温，钢球冷却速度较快，心部热应力较大，使用过程中易碎，同时钢球在螺旋机上易发生碰撞或挤压，造成钢球破碎或是形状不规则。而本发明采用将钢球放置到于工业食盐和生灰石混合物中缓慢冷却，相对于钢球在空气中静置或在螺旋机上，冷却速度稍慢，内应力更小，钢球之间也不易碰撞而发生破碎或影响使用性能。

综上所述，本发明所述的高淬透性钢球的生产方法中，首先采取将钢球置于工业食盐和生石灰混合物后进行预冷后再进行水淬。现有技术中往往为了增加钢球表面的强度，对钢球采取两次淬火的工艺处理，如专利号为：ZL 201310008177.1，专利名称为：《锻钢球的制造方法》的专利中采取的是二次淬火，二次淬火将大大增加能源消耗；使得工艺步骤繁琐；工艺稳定性差。钢的淬火是指将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。

本发明所述的高淬透性钢球的生产方法，在钢球的预冷过程中，通过将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中预冷；预冷后得到的钢球只需要经过一次水淬，就能生产出具有高淬透性深硬化层的高韧性钢球；通过一次淬火得到高韧性的钢球，从而简化了工艺，降低了能耗，节能减排。因此本发明所述的高淬透性钢球的生产方法简化了传统生产方法的工艺步骤，提高生产效率，降低生产成本；同时得到的钢球表面硬度高，钢球心部硬度高，冲击韧性好；钢球具有良好的强韧性和性能均匀性,使用过程中滚动接触疲劳性能和耐磨损性能好，适用于铁矿石等高硬度矿石的研磨。

锻造钢球时，钢球坯的成分按重量百分比计为：C为0.76～0.88％，Si为0.30～0.80％，Mn为1.00～1.40％，Cr为0.20～0.50％，其余为Fe或是不可避免的杂质。上述钢球坯为高碳钢轨钢成分，采用的是高碳高铬含量，碳含量较高能提高钢球的耐磨性，铬含量较高能提高钢球的淬透性。在此成分下，能大大提高钢球的耐磨性和淬透性，同时得到良好的强韧性匹配。如Cr的百分比含量较高，钢球的韧性将下降；如Cr的百分比含量较低，钢球强度将降低。钢球坯的成分及各成分的重量百分比均为公知的传统钢球生产中钢球坯料成分组成。

钢球可以采用多种锻造工艺进行制造，为了使得得到的钢球的致密度较高，锻造钢球采用以下步骤：钢球坯料采用连铸浇成380×280mm的大方坯，采用加热炉加热到1250℃左右，采取轧机轧成75×75mm或60×60mm的方钢，根据需要生产钢球的大小将四联方钢锯切为相应长度的锯切料，将锯切料放进感应加热炉中升温至1000～1200℃，保温5～10min后取出，经锻造机锻造成钢球。钢球经加热+轧制+二次加热+锻造等大压下量的生产加工，使得钢球的组织细密；钢球的致密度显著提高，同时提高了钢球的韧性。

生产过程中，钢球坯料采用连铸浇成380×280mm的大方坯后，一般采用两种方式进行钢坯清理和加热。当钢坯无缺陷时，为了提高钢坯加热效率，可进行热装热送(钢坯可在几百摄氏度时进行加热)。当钢坯有缺陷需要清理时，一般需要将钢坯表面清理后，冷却150℃以下观察是否清除缺陷后方可进行加热。

将锯切料放进感应加热炉中升温至1000～1200℃，采用感应加热炉快速加热，是钢球小批量生产过程当中最简单最快捷的方法；将钢球升温至1000～1200℃，是为了保证奥氏体的均匀化，提高钢球性能的稳定性，同时也是保证能顺利锻造钢球的温度。一般钢材在轧制或锻造前，都需将钢材加热至1000～1200℃左右。高于1200℃，钢材易过烧，低于1000℃，钢材轧制力或锻造力较大，设备负荷较大。将锯切料放进感应加热炉中快速升温至1000～1200℃，保温5～10min为钢球小批量生产过程中的公知参数。

钢球水淬时，在水中设置快速导位装置，利用钢球自身的重力在快速导位装置上快速移动进行淬火；淬火时间根据钢球直径的大小而不同，直径60mm的钢球淬火时间为3～5min，直径120mm的钢球淬火时间为6～8min。

在钢球水淬时，设置快速导位装置，有利于钢球在水中的快速移动，从而加快降温速度，提高淬透性。由于淬火后的钢球表面温度为40～60℃。因此直径为60mm的钢球淬火时间为3～5min，直径为120mm的钢球淬火时间为6～8min。从而能够保证钢球进行水淬后表面温度为40～60℃。快速导位装置是指能够对钢球起到导向作用，同时能够加快钢球在水中移动的装置，增加钢球的淬透性。

为了加快钢球在水中的降温速度，所述快速导位装置为辊道。在水中钢球的在自身重力的作用下在辊道上快速移动，从而增加钢球的冷却速度，提高淬透性。

钢球淬火后，采取油侵入式低温回火，回火温度为150～250℃，保温时间4～8h。采用油侵式低温回火，由于油为液体，相对于空气或是固体介质，控制温度较为稳定。有助于保证钢球温度的均匀性，不易发生较大的温度波动。同时保温温度介于150至250℃之间，如采用其他保温方式，能耗较高。

采用高淬透性钢球的生产方法生产钢球的具体实施步骤如下：

1、钢球坯的成分按重量百分比计为：C为0.76～0.88％，Si为0.30～0.80％，Mn为1.00～1.40％，Cr为0.20～0.50％；采用转炉或电炉冶炼钢球钢水，经LF炉精炼(钢包精炼炉)、RH真空处理后连铸为钢坯后送至加热炉中加热，加热温度为1200～1300℃，保温时间为3～8h，采用孔型法或万能法将钢坯轧制为方钢。所述RH是指炼钢的一种真空脱气方法，它利用真空罐底部两条插入钢液的耐火管，其中一条通以氩气，导致两管内的钢液产生密度差，从而使钢液在钢包与真空罐之间上下循环流动，发生脱气反应。

2、将轧好的方钢，根据需要生产钢球的大小锯切为相应长度的锯切料，将锯切料放进感应加热炉中快速升温至1000～1200℃，保温5～10min后取出，经锻造机锻造成相应规格尺寸的钢球。

3、锻造完的钢球经辊道滚入由工业食盐(主要成分NaCl)和生石灰(主要成分为CaO)的混合物中以0.5～0.8℃/s的速度缓慢冷却。当钢球表面温度降低至650～900℃时，放入水中进行淬火。

4、在水中设置有辊道，钢球依靠自身重力在水中的辊道上来回滚动进行淬火。在淬火时，需快速移动钢球，除去钢球表面的蒸汽层，达到快速冷却的目的，提高钢球的淬透性。因此，在水中设置辊道，能够使得钢球达到充分快速冷却，提高钢球的淬透性。

5、当钢球表面温度冷至40～60℃时，取出放入150～250℃的油液中，保温4～8h。以便进行充分的回火处理，提高钢球的冲击性能和韧性，降低钢球的内应力。

实施例

在下文中，将结合实施例和对比例来具体描述本发明中生产高淬透性钢球的方法。

本发明实施例以及相应的对比例的钢球化学成分如下表所示。

表1 实施例及对比例化学成分的重量百分比/％

续表1

注:表中为列出的钢球坯的余量为Fe和不可避免的杂质。

采用转炉冶炼含有上述化学成分的钢坯，经LF精炼、真空处理后连铸为280mm×380mm连铸坯后送至加热炉中加热，加热温度1270℃，采用万能轧机将钢坯轧制为方钢，冷却后加工12个直径60mm的钢球原料。原料经感应加热迅速升温至1000～1200℃，保温5～10min后取出，锻造成12个直径60mm的钢球。锻造完的钢球分为两组，编号为1#-5#的为一组，放置于工业食盐和氧化钙的混合物中，标为实施例；编号6#-12#的为另外一组，标为对比例。实施例和对比例中工业食盐和氧化钙重量百分比例见表2所示。

表2 工业食盐和生石灰比例表

续表2

当实施例和对比例中的钢球表层温度降低至表3中t1温度时，将其迅速放入水中淬火，采用人工干预+辊道滑动进行淬火。在水中设置辊道，使得钢球在辊道上来回快速移动；从而实现在水中淬火。

当钢球表层温度降低至表3中t2温度时，放入温度为表3中t3的油液中进行回火处理，回火保温表3中H小时后，断电待油温冷至室温。将钢球取出进行硬度及冲击检验。

实施例和对比例的钢球淬火前后的温度、钢球回火温度、钢球回火时间如表3所示。

表3 钢球淬火前后的温度、钢球回火温度、钢球回火时间

分别将12个钢球从中间锯开，再在锯开的半个钢球上锯厚度为15mm的钢球片，刨平磨光后，沿垂直于钢球圆心的方向划线，以中心为原点向两边每隔5mm画点，并进行洛氏硬度检验。检验结果见表3。硬度检验完后，将钢球片中的硬度检验压痕磨光，采用线切割的方式在钢球中心处各取3个10×10×50mm的无缺口冲击试样，冲击检验值见表4。

表4 直径60mm钢球的硬度值和冲击值

注：表中洛氏硬度1点处为钢球表面硬度值，6点处为钢球心部硬度值；2至5点处为钢球表面到球心之间各位置的硬度值；表中冲击值第2点处的冲击值为钢球心部冲击值。

为了保证钢球具有较好的硬度，钢球坯料在传统方案中均采用高碳钢轨钢成分。结合表1和表4可以得出钢球坯的成分按重量百分比计为：C为0.76～0.88％，Si为0.30～0.80％，Mn为1.00～1.40％，Cr为0.20～0.50％，其余为Fe或是不可避免的杂质，为最优选择。

结合表3和表4可以看出钢球进行回火的温度在大于250℃以及小于150℃时也能满足条件，但是最终得到的钢球心部硬度值和表面硬度值之差较大，钢球稳定性较低，因此回火温度优选为250℃～150℃。

结合表2和表4可以看出钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中进行预冷，最终得到的钢球其心部硬度值和表面硬度值均较高。钢球在未采用工业食盐和生灰石混合物进行预冷时，得到的钢球其心部硬度值和表面硬度值均较低，无法满足实际使用需求。

结合表2和表4中可以得出，实施例中1#至5#的钢球，钢球心部均已淬透，心部硬度均超过57HRC，同时钢球冲击值均大于17J；对比例中6#至12#的钢球，钢球心部硬度值较低，冲击韧性较高，未完全淬透。

综上所述，本发明提供了一种高淬透性钢球的生产方法，通过将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中预冷；预冷后得到的钢球只需要经过一次水淬，就能生产出具有高淬透性深硬化层的高韧性钢球。因此简化了传统生产方法的工艺步骤，提高生产效率，降低生产成本。同时该方法能够得到高耐磨、高韧性、性能稳定的钢球，在钢球表面硬度达到或超过64HRC的情况下，心部硬度均超过或达到57HRC以上。同时，钢球冲击值也能达到或超过17J，最高冲击值达到20J，产品适用于高硬度高耐磨的铁矿石研磨机或是需要高耐磨高硬度高韧性的钢球。

Claims (6)

1.高淬透性钢球的生产方法，其特征在于包括以下步骤：锻造钢球；钢球锻造完成后，将钢球放置于工业食盐和生灰石混合物中冷却，所述混合物中工业食盐和生灰石重量百分比计为：工业食盐为30～50％，生灰石为50～70％；当钢球表层温度降低至650～900℃时，将钢球连同表层的附着的混合物置于清水中进行水淬；当钢球表面温度达到40～60℃时，将钢球进行回火。

2.如权利要求1所述的高淬透性钢球的生产方法，其特征在于：锻造钢球时，钢球坯的成分按重量百分比计为：C为0.76～0.88％，S i为0.30～0.80％，Mn为1.00～1.40％，Cr为0.20～0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的高淬透性钢球的生产方法，其特征在于：锻造钢球采用以下步骤：钢球坯料采用连铸浇成380×280mm的大方坯；采用加热炉加热至1250℃±50℃；采取轧机轧成60×60mm或是75×75mm的方钢，根据钢球大小将方钢锯切为相应长度的锯切料，将锯切料放进感应加热炉中升温至1000～1200℃，保温5～10min后取出，经锻造机锻造成钢球。

4.如权利要求1或2所述的高淬透性钢球的生产方法，其特征在于：钢球水淬时，在水中设置快速导位装置，利用钢球自身的重力在快速导位装置上快速移动；淬火时间根据钢球直径的大小而不同，直径60mm的钢球淬火时间为3～5min，直径120mm的钢球淬火时间为6～8min。

5.如权利要求4所述的高淬透性钢球的生产方法，其特征在于：所述快速导位装置为辊道。

6.如权利要求1或2所述的高淬透性钢球的生产方法，其特征在于：钢球淬火后，采取油侵入式低温回火，回火温度为150～250℃，保温时间4～8h。