CN105297005A - 一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，包括以下步骤：将废钢、铬钢、稀土合金、锰钢、钼钢、钒钢、钨渣、硅铁、钛锭、锆锭、铝锭和镁锭进行熔炼得到合金液；将合金液浇注得到球坯；将球坯热处理后得到回火球；将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，Fe基合金中的成份包括C、Cr、Co、Ni、Mo、Ti、V、B，激光熔覆的功率为2500-3000W，光斑直径为3-5mm，光斑移动速度为10-15mm/s，熔覆层厚度为5-10μm。本发明提出的激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其过程简单，条件易于控制，得到的成品硬度高、韧性好，使用寿命长。

Description

一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法
技术领域
本发明涉及耐磨球技术领域，尤其涉及一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法。
背景技术
球磨机是水泥、电力、选矿、建材等行业中广泛应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。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。近年来，随着我国工业的迅速发展，对耐磨球的质量和数量提出了更高的要求，而现有技术中所用的钢球其硬度和韧性之间往往很难达到平衡，从而限制了其应用范围。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其过程简单，条件易于控制，得到的成品硬度高、韧性好，使用寿命长。
本发明提出的一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，包括以下步骤：
S1、按重量份将100-150份废钢、50-80份铬钢、10-15份稀土合金、5-15份锰钢、5-15份钼钢、5-15份钒钢、10-35份钨渣和2-10份硅铁放入熔炼炉中，升温至1500-1650℃，保温0.5-1h后加入10-15份钛锭和15-30份锆锭，在1450-1500℃下保温10-25min，然后在1550-1600℃下加入5-12份铝锭和5-20份镁锭保温10-25min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液；
S2、浇注：将合金液进行浇注，待合金液凝固后冷却至室温得到球坯，其中，浇注的温度为1450-1550℃；
S3、热处理：将球坯放入电炉内，升温至550-650℃，保温2.5-3.5h，升温至700-780℃，保温0.5-2h，升温至900-950℃，保温20-50min，升温至980-1050℃，保温30-50min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至500-580℃，保温30-50min，然后降温至350-450℃，保温50-60min，水冷至室温得到回火球；
S4、将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，其中，Fe基合金与WC粉末的重量比为5-10:1；所述Fe基合金中，C的质量分数为0.1-0.5％，Cr的质量分数为11-15％，Co的质量分数为1.5-2.5％、Ni的质量分数为5-8％、Mo的质量分数为0.5-2％、Ti的质量分数为0.5-1.2％、V的质量分数为0.1-0.5％、B的质量分数为1-1.5％、余量为Fe；所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2500-3000W，光斑直径为3-5mm，光斑移动速度为10-15mm/s，熔覆层厚度为5-10μm。
优选地，在S1中，按重量份将135份废钢、70份铬钢、12份稀土合金、13.5份锰钢、10份钼钢、12份钒钢、30份钨渣和8份硅铁放入熔炼炉中，升温至1600℃，保温0.8h后加入12份钛锭和20份锆锭，在1480℃下保温20min，然后在1580℃下加入10份铝锭和15份镁锭保温20min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液。
优选地，在S3中，升温至550-650℃的过程中，平均升温速率为20-35℃/min。
优选地，在S3中，升温至900-950℃的过程中，平均升温速率为10-25℃/min。
优选地，在S3中，降温至350-450℃的过程中，平均降温速率为5-15℃/min。
优选地，在S3中，将球坯放入电炉内，升温至600℃，保温3.2h，升温至750℃，保温1.3h，升温至920℃，保温35min，升温至1000℃，保温40min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至550℃，保温38min，然后降温至400℃，保温55min，水冷至室温得到回火球。
优选地，在S4中，所述Fe基合金与WC粉末的重量比为8.5:1。
优选地，在S4中，所述Fe基合金中，C的质量分数为0.25％，Cr的质量分数为12％，Co的质量分数为2％、Ni的质量分数为7.5％、Mo的质量分数为1.3％、Ti的质量分数为1％、V的质量分数为0.35％、B的质量分数为1.2％、余量为Fe。
优选地，在S4中，所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2850W，光斑直径为4mm，光斑移动速度为12mm/s，熔覆层厚度为8μm。
优选地，在S4中，所述Fe基合金的粒度为250-350目；所述WC粉末的粒度为150-250nm。
本发明激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法中，选择了废钢、铬钢、稀土合金、锰钢、钼钢、钒钢、钨渣、硅铁、钛锭、锆锭、铝锭和镁锭为原料，通过调节各原料的含量，并控制熔炼过程中的加料顺序和熔炼温度，使得到的球坯具有优异的耐磨性、硬度和韧性，根据上述参数得到的球坯能满足高硬高韧耐磨球的使用要求，其中，钨渣中含有W、Mn、Nd、Ti等合金元素，其与体系中的锰钢、钛锭、锆锭、钒钢具有协同作用，能与体系中的碳结合形成熔点很高的碳化物，从而起到异相成核的作用，细化一次结晶组织，同时能降低体系后中奥氏体的稳定性，有利于体系中马氏体的形成，另外还能阻碍奥氏体的晶粒长大，起到细化晶粒的作用，提高了体系的韧性和强度；在之后的热处理过程中，合理控制了热处理的工艺参数，使的基体中的残余奥氏体转变为马氏体组织，在高温过程中组织中的连续网状结构转化为了断网状结构，从而进一步细化了晶粒，改善了碳化物的形貌，进一步提高了体系的韧性、硬度和强度；之后将回火球的表面进行了激光熔覆，在激光熔覆的过程中，选择了Fe基合金熔覆粉末，其与球坯的结合性好，且在熔覆粉末中含有铬、锰、钼、碳等元素，起到了调整硬度、细化晶粒、净化晶界、控制碳化物含量和形貌的作用，进一步提高了耐磨球的硬度、抗冲刷性、耐磨损性和耐腐蚀性，延长了耐磨球的使用寿命。
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
本发明提出的一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，包括以下步骤：
S1、按重量份将150份废钢、50份铬钢、15份稀土合金、15份锰钢、5份钼钢、15份钒钢、10份钨渣和2份硅铁放入熔炼炉中，升温至1650℃，保温0.5h后加入15份钛锭和15份锆锭，在1500℃下保温10min，然后在1600℃下加入5份铝锭和20份镁锭保温10min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液；
S2、浇注：将合金液进行浇注，待合金液凝固后冷却至室温得到球坯，其中，浇注的温度为1450℃；
S3、热处理：将球坯放入电炉内，升温至650℃，保温2.5h，升温至780℃，保温0.5h，升温至900℃，保温50min，升温至980℃，保温50min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至500℃，保温50min，然后降温至350℃，保温60min，水冷至室温得到回火球；
S4、将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，其中，Fe基合金与WC粉末的重量比为5:1；所述Fe基合金中，C的质量分数为0.5％，Cr的质量分数为11％，Co的质量分数为2.5％、Ni的质量分数为5％、Mo的质量分数为2％、Ti的质量分数为0.5％、V的质量分数为0.5％、B的质量分数为1％、余量为Fe；所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2500W，光斑直径为5mm，光斑移动速度为10mm/s，熔覆层厚度为10μm。
实施例2
本发明提出的一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，包括以下步骤：
S1、按重量份将100份废钢、80份铬钢、10份稀土合金、5份锰钢、15份钼钢、5份钒钢、35份钨渣和10份硅铁放入熔炼炉中，升温至1500℃，保温1h后加入10份钛锭和30份锆锭，在1450℃下保温25min，然后在1550℃下加入12份铝锭和5份镁锭保温25min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液；
S2、浇注：将合金液进行浇注，待合金液凝固后冷却至室温得到球坯，其中，浇注的温度为1550℃；
S3、热处理：将球坯放入电炉内，升温至550℃，保温3.5h，升温至700℃，保温2h，升温至950℃，保温20min，升温至1050℃，保温30min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至580℃，保温30min，然后降温至450℃，保温50min，水冷至室温得到回火球；
S4、将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，其中，Fe基合金与WC粉末的重量比为10:1；所述Fe基合金中，C的质量分数为0.1％，Cr的质量分数为15％，Co的质量分数为1.5％、Ni的质量分数为8％、Mo的质量分数为0.5％、Ti的质量分数为1.2％、V的质量分数为0.1％、B的质量分数为1.5％、余量为Fe；所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为3000W，光斑直径为3mm，光斑移动速度为15mm/s，熔覆层厚度为5μm。
实施例3
本发明提出的一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，包括以下步骤：
S1、按重量份将135份废钢、70份铬钢、12份稀土合金、13.5份锰钢、10份钼钢、12份钒钢、30份钨渣和8份硅铁放入熔炼炉中，升温至1600℃，保温0.8h后加入12份钛锭和20份锆锭，在1480℃下保温20min，然后在1580℃下加入10份铝锭和15份镁锭保温20min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液；
S2、浇注：将合金液进行浇注，待合金液凝固后冷却至室温得到球坯，其中，浇注的温度为1500℃；
S3、热处理：将球坯放入电炉内，升温至600℃，保温3.2h，升温至750℃，保温1.3h，升温至920℃，保温35min，升温至1000℃，保温40min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至550℃，保温38min，然后降温至400℃，保温55min，水冷至室温得到回火球；其中，升温至600℃的过程中，平均升温速率为30℃/min；升温至920℃的过程中，平均升温速率为20℃/min；降温至400℃的过程中，平均降温速率为10℃/min；
S4、将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，其中，Fe基合金与WC粉末的重量比为8.5:1；所述Fe基合金中，C的质量分数为0.25％，Cr的质量分数为12％，Co的质量分数为2％、Ni的质量分数为7.5％、Mo的质量分数为1.3％、Ti的质量分数为1％、V的质量分数为0.35％、B的质量分数为1.2％、余量为Fe；所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2850W，光斑直径为4mm，光斑移动速度为12mm/s，熔覆层厚度为8μm；其中，所述Fe基合金的粒度为250-350目；所述WC粉末的粒度为150-250nm。
实施例4
本发明提出的一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，包括以下步骤：
S1、按重量份将120份废钢、72份铬钢、12份稀土合金、14份锰钢、9份钼钢、13份钒钢、20份钨渣和9份硅铁放入熔炼炉中，升温至1520℃，保温0.8h后加入12份钛锭和26份锆锭，在1470℃下保温22min，然后在1570℃下加入10份铝锭和10份镁锭保温20min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液；
S2、浇注：将合金液进行浇注，待合金液凝固后冷却至室温得到球坯，其中，浇注的温度为1480℃；
S3、热处理：将球坯放入电炉内，升温至630℃，保温2.9h，升温至760℃，保温1h，升温至935℃，保温28min，升温至1020℃，保温38min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至560℃，保温38min，然后降温至420℃，保温53min，水冷至室温得到回火球；升温至630℃的过程中，平均升温速率为20℃/min；，升温至935℃的过程中，平均升温速率为25℃/min；降温至420℃的过程中，平均降温速率为5℃/min；
S4、将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，其中，Fe基合金与WC粉末的重量比为6:1；所述Fe基合金中，C的质量分数为0.4％，Cr的质量分数为12％，Co的质量分数为2.2％、Ni的质量分数为5.8％、Mo的质量分数为1.6％、Ti的质量分数为0.8％、V的质量分数为0.4％、B的质量分数为1.2％、余量为Fe；所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2750W，光斑直径为4mm，光斑移动速度为12mm/s，熔覆层厚度为8.5μm。
实施例5
本发明提出的一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，包括以下步骤：
S1、按重量份将140份废钢、60份铬钢、13.5份稀土合金、10份锰钢、12份钼钢、8份钒钢、33份钨渣和5份硅铁放入熔炼炉中，升温至1630℃，保温0.6h后加入13.5份钛锭和20份锆锭，在1490℃下保温18min，然后在1580℃下加入8份铝锭和16份镁锭保温18min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液；
S2、浇注：将合金液进行浇注，待合金液凝固后冷却至室温得到球坯，其中，浇注的温度为1530℃；
S3、热处理：将球坯放入电炉内，升温至575℃，保温3.2h，升温至720℃，保温1.6h，升温至920℃，保温40min，升温至990℃，保温45min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至520℃，保温45min，然后降温至380℃，保温58min，水冷至室温得到回火球；升温至575℃的过程中，平均升温速率为35℃/min；升温至920℃的过程中，平均升温速率为10℃/min；降温至380℃的过程中，平均降温速率为15℃/min；
S4、将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，其中，Fe基合金与WC粉末的重量比为8:1；所述Fe基合金中，C的质量分数为0.25％，Cr的质量分数为13.5％，Co的质量分数为1.9％、Ni的质量分数为7.2％、Mo的质量分数为1％、Ti的质量分数为1％、V的质量分数为0.25％、B的质量分数为1.4％、余量为Fe；所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2850W，光斑直径为3mm，光斑移动速度为13.8mm/s，熔覆层厚度为7μm。
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 (10)

1.一种激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按重量份将100-150份废钢、50-80份铬钢、10-15份稀土合金、5-15份锰钢、5-15份钼钢、5-15份钒钢、10-35份钨渣和2-10份硅铁放入熔炼炉中，升温至1500-1650℃，保温0.5-1h后加入10-15份钛锭和15-30份锆锭，在1450-1500℃下保温10-25min，然后在1550-1600℃下加入5-12份铝锭和5-20份镁锭保温10-25min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液；
S2、浇注：将合金液进行浇注，待合金液凝固后冷却至室温得到球坯，其中，浇注的温度为1450-1550℃；
S3、热处理：将球坯放入电炉内，升温至550-650℃，保温2.5-3.5h，升温至700-780℃，保温0.5-2h，升温至900-950℃，保温20-50min，升温至980-1050℃，保温30-50min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至500-580℃，保温30-50min，然后降温至350-450℃，保温50-60min，水冷至室温得到回火球；
S4、将回火球清洗后选用Fe基合金和WC粉末为熔覆粉末进行激光熔覆得到所述高硬高韧耐磨球，其中，Fe基合金与WC粉末的重量比为5-10:1；所述Fe基合金中，C的质量分数为0.1-0.5％，Cr的质量分数为11-15％，Co的质量分数为1.5-2.5％、Ni的质量分数为5-8％、Mo的质量分数为0.5-2％、Ti的质量分数为0.5-1.2％、V的质量分数为0.1-0.5％、B的质量分数为1-1.5％、余量为Fe；所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2500-3000W，光斑直径为3-5mm，光斑移动速度为10-15mm/s，熔覆层厚度为5-10μm。
2.根据权利要求1所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S1中，按重量份将135份废钢、70份铬钢、12份稀土合金、13.5份锰钢、10份钼钢、12份钒钢、30份钨渣和8份硅铁放入熔炼炉中，升温至1600℃，保温0.8h后加入12份钛锭和20份锆锭，在1480℃下保温20min，然后在1580℃下加入10份铝锭和15份镁锭保温20min，捞出浮在液体表面的炉渣后得到合金液。
3.根据权利要求1或2所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S3中，升温至550-650℃的过程中，平均升温速率为20-35℃/min。
4.根据权利要求1-3中任一项所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S3中，升温至900-950℃的过程中，平均升温速率为10-25℃/min。
5.根据权利要求1-4中任一项所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S3中，降温至350-450℃的过程中，平均降温速率为5-15℃/min。
6.根据权利要求1-5中任一项所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S3中，将球坯放入电炉内，升温至600℃，保温3.2h，升温至750℃，保温1.3h，升温至920℃，保温35min，升温至1000℃，保温40min，然后空冷至室温得到淬火球；将淬火球升温至550℃，保温38min，然后降温至400℃，保温55min，水冷至室温得到回火球。
7.根据权利要求1-6中任一项所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S4中，所述Fe基合金与WC粉末的重量比为8.5:1。
8.根据权利要求1-7中任一项所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S4中，所述Fe基合金中，C的质量分数为0.25％，Cr的质量分数为12％，Co的质量分数为2％、Ni的质量分数为7.5％、Mo的质量分数为1.3％、Ti的质量分数为1％、V的质量分数为0.35％、B的质量分数为1.2％、余量为Fe。
9.根据权利要求1-8中任一项所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S4中，所述激光熔覆过程中，激光熔覆的功率为2850W，光斑直径为4mm，光斑移动速度为12mm/s，熔覆层厚度为8μm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述激光熔覆制备高硬高韧耐磨球的方法，其特征在于，在S4中，所述Fe基合金的粒度为250-350目；所述WC粉末的粒度为150-250nm。
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