CN105734399B - 一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球及加工工艺 - Google Patents

一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球及加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球及其加工工艺。奥铁体球铁磨球，包括以下质量百分比的组份：碳3.2％‑3.9％，硅2.30％‑2.93％，锰0.96％‑2.80％，铬0.21％‑0.90％，铜0.11％‑0.60％，钼0.10％‑0.80％，钒0.10％‑0.68％，钛0.10％‑0.78％，铌0.01％‑0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％、镁0.03％‑0.05％、稀土元素0.02％‑0.03％，余量为铁。加工时，首先铸造成型，制成铸态磨球，其次将铸态磨球经热处理工艺制成奥铁体球铁磨球。本发明所述的奥铁体球铁磨球的磨球心部硬度为54HRC，表面硬度为58HRC，冲击韧度为17‑20J/cm2，并且具有较高加工硬化能力，在磨损过程中磨损层被加工硬化，硬度可达62‑64HRC，磨耗为通用锻球的70％。

Description

一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球及加工工艺
技术领域
本发明涉及奥铁体球铁磨球，尤其涉及一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球及加工工艺。
背景技术
目前国内磨球现有的高铬球、低铬球、锻钢球、ADI磨球、CADI磨球等。
高铬球、低铬球是铸造加工球，因存在冲击韧性低，碎球率高，硬度低，耐磨差等缺陷，主要由碳化物与马氏体组成，只能用于小型球磨机。
半自磨机由于磨机半径大，所需磨球冲击值必须高，半自磨机目前国际国内使用磨球通用锻造球，是通过成品棒料钢材切割、锻造、热处理制造而成，因此没有偏析、疏松缺陷，性能稳定，冲击值高15-40J，但因淬透性差，心部硬度偏低，只有35-42HRC，几乎没有加工硬化能力，耐磨性差，磨耗高。
奥铁体球铁磨球，是一种铸造成型，通过特殊热处理而成的磨球，现在普遍用于球磨机，ADI磨球、CADI磨球属于这类磨球。
奥铁体球铁磨球是一种具有高强度高韧性，尤其具有强加工硬化能力的磨球，其应用领域广泛，适用于高冲击耐磨场合，属于铸造加工领域，在冶金矿山机械、水泥制造、火力发电等领域都有广泛的应用，但因铸造缺型陷、热处理工艺复杂，冲击值偏低，奥铁体球铁磨球一直不能在半自磨机上使用。
发明内容
鉴于上述不足因素，本发明目的在于提供一种新型球铁材料的磨球，通过成分优化设计、特殊铸造成型方法、合理热处理工艺，旨在解决提高奥铁体球铁磨球的冲击值、硬度、落球试验次数，通过现场试用，满足自磨机的使用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球，包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.10％-0.68％，钛0.10％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％、镁0.03％-0.05％、稀土元素0.02％-0.03％，余量为铁。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种奥铁体磨球，本发明是在CADI基础上优化合金成分，是在传统C-Si系球铁基础上优化了C、Si、Mn等含量，并添加了V、Ti、Mo、Cu、Nb等，在结晶过程中V、Ti、Nb的加入增多了行核点使晶粒细化，并有少量碳化物形成增加硬度，由于碳化物细小，在提高硬度的前提下而对韧性的影响很小，Mo、Cu的加入使铸锭整体淬透性增强，Ms点下移，下贝氏体铁素体更易形成，从而配置一种全新的球铁材料,将球墨铸铁铸态碳化物的含量控制在适量范围内。
本发明所述奥铁体球铁磨球具有韧性高、硬度高、硬化能力强等特点，解决了一般CADI磨球心部硬度低、冲击韧性差的问题,尤其对于直径大于120mm的磨球很好的解决了淬透性的问题。可以广泛应用于半自磨机等设备。
稀土元素主要是镧、铈、钇等。优选地，所述稀土元素为复合稀土。复合稀土指两种或两种以上稀土元素的混合。
采取上述技术方案的有益效果为：通过添加稀土元素使片状石墨呈球状；使球状石墨保持长时间不变形；可深度降低氧和硫的含量,降低磷、硫、氢、砷、锑、铋、铅、锡等低熔点元素的有害作用；能改变夹杂物的性质、形态和分布；能细化钢的凝固组织,从而改善钢的性能；偏聚于晶界,引起晶界的结构、化学成分和性能的变化,并影响其它元素的扩散和新相形核与长大,从而导致钢的组织与性能发生变化,这种变化被认为是稀土的微合金化作用。
本发明还提供一种上述的奥铁体球铁磨球在半自磨机中的应用。
本发明提供一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，包括以下步骤：
将铸造成型的铸态磨球进行热处理工艺；
所述铸态磨球包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.10％-0.68％，钛0.10％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％，镁0.03％-0.05％，稀土元素0.02％-0.03％，余量为铁；
所述热处理工艺的具体操作为：将铸态磨球升温后保温，之后盐浴等温淬火，得到制作完成的奥铁体球铁磨球。
本发明所述的加工工艺具有操作简单、制作的奥铁体球铁磨球具有韧性高、硬度高、硬化能力强等优点。
进一步，所述铸造成型的方法为：
将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化，孕育浇注在覆砂铁模中成型，成型后去掉浇冒口制成铸态磨球；
所述熔炼铁水包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.10％-0.68％，钛0.10％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％、余量为铁；
所述球化剂的加入量为熔炼铁水的质量的1％；所述球化剂含有的镁的质量分数为3％-5％，所述球化剂含有的稀土元素的质量分数为2％-3％。
本发明的有益效果是：本发明通过上述的配方并采用铸造成型、等温淬火等工艺，制备的磨球具有韧性高、硬度高、硬化能力强等特点，解决了一般CADI磨球心部硬度低、冲击韧性差的问题，尤其对于直径大于120mm的磨球很好的解决了淬透性的问题，目前对于直径150mm的磨球心部也可以淬透，本发明的磨球心部硬度为54HRC，表面硬度为58HRC，冲击韧度为17-20J/cm2，并且具有较高加工硬化能力，在磨损过程中磨损层被加工硬化，硬度可达62-64HRC，磨耗为通用锻球的70％。
进一步，铁水出炉温度为1500-1560℃。
采用上述进一步方案的有益效果是：保证过共晶石墨溶解，有利于晶粒边界上氧化物夹杂、熔炼性气孔最少；如果温度过低，容易出现晶粒边界上氧化物夹杂、熔炼性气孔增多；如果温度过高，浪费能源损害炉衬。
进一步，所述将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化的球化温度为1450-1500℃。
采用上述进一步方案的有益效果是：保证得到细小的、圆整的、均匀的球状石墨形态，有利于冲击值得提高；如果温度过低，不利于氧化物夹渣和气体上浮。容易出现铸造夹杂与气孔问题；如果温度过高，容易出现球化剂损失过大问题。
进一步，浇注时，利用浇注机自动浇注，10分钟内浇注结束，浇注温度为1380℃-1420℃。
采用上述进一步方案的有益效果是：合适的浇注时间以及浇注温度，有利于球状石墨形态圆整度；如果浇注温度过低，容易出现铸件疏松缺陷等问题；如果时间过长、温度过高，容易出现石墨衰退、漂浮等问题。
进一步，所述铸态磨球升温后保温具体操作是：将制成的铸态磨球装入热处理炉，进行升温保温过程，保温的温度830-880℃，保温时间2-3小时。
采用上述进一步方案的有益效果是：合适的保温时间以及保温温度，有利于均匀细小的奥氏体晶粒形成；如果时间过短、温度过低，容易出现奥氏体化不完全或奥氏体化不均匀等问题；如果时间过长、温度过高，容易出现奥氏体晶粒粗大问题。
进一步，所述盐浴等温淬火具体操作是：在盐浴炉中，230-260℃盐浴等温淬火2小时。
所述盐浴时，使用的熔盐含有质量浓度为50％的KNO3以及质量分数为50％的NaNO2。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用该温度以及淬火时间有利于下贝氏体铁素体形成，如果时间过短，容易出现铸件心部为珠光体或屈氏体组织、淬不透等问题；如果温度过高得到上贝氏体铁素体降低硬度与韧性；温度过低，容易出现马氏体组织增多、韧性下降等问题。
本发明还提供一种上述工艺制造的奥铁体球铁磨球在半自磨机中的应用。
附图说明
图1为本发明所述的奥铁体球铁磨球的显微组织结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
奥铁体球铁磨球生产状态为热处理的铸造球，包括以下工艺过程：
1)铸造成型：
将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化，熔炼铁水出炉温度1500-1560℃，铁水包内球化，球化温度1450-1500℃。浇注机自动浇注，10分钟内浇注结束，浇注温度1380℃-1420℃。铁模覆砂成型工艺。成型后去掉浇冒口制成铸态磨球。
所述熔炼铁水包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.10％-0.68％，钛0.10％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％、余量为铁；
所述球化剂的加入量为熔炼铁水的质量的1％；所述球化剂含有的镁的质量分数为3％-5％，所述球化剂含有的稀土元素的质量分数为2％-3％。
最终制得的铸态磨球，包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.10％-0.68％，钛0.10％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％，镁0.03％-0.05％，稀土元素0.02％-0.03％，余量为铁。
2)将铸态磨球进行热处理工艺：将铸态磨球装入热处理炉，升温保温，奥氏体化保温温度830-880℃，保温2-3小时，230-260℃盐浴等温淬火2小时，盐浴时，使用的盐溶液含有质量浓度为50％的KNO3以及质量分数为50％的NaNO2。出盐浴炉，奥铁体球铁磨球制造完成。
因为热处理过程不涉及组分的改变，所以步骤1)得到的铸态磨球和经过热处理后得到的步骤2)的奥铁体球铁磨球的组分是一致的。
实施例1至实施例3中，稀土元素为镧钇复合稀土。
下面通过具体的实施例具体介绍。
实施例1
一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，包括以下工艺过程：
1)铸造成型：
将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化，熔炼铁水出炉温度1500℃，铁水包内球化，球化温度1470℃。浇注机自动浇注，10分钟内浇注结束，浇注温度1380℃。铁模覆砂成型工艺。成型后去掉浇冒口制成铸态磨球。
所述熔炼铁水包括以下质量百分比的组分：碳3.2％，硅2.30％，锰0.96％，铬0.21％，铜0.11％，钼0.10％，钒0.10％，钛0.10％，铌0.01％，余量为铁。
所述球化剂的加入量为熔炼铁水的质量的1％；所述球化剂含有的镁的质量分数为3％，所述球化剂含有的稀土的质量分数为2％。
最终制得的铸态磨球，包括以下质量百分比的组份：碳3.2％，硅2.30％，锰0.96％，铬0.21％，铜0.11％，钼0.10％，钒0.10％，钛0.10％，铌0.01％，镁0.03％，稀土元素0.02％，余量为铁。
2)热处理工艺：将铸态磨球装入热处理炉，升温保温，奥氏体化保温温度830℃，保温2小时，260℃盐浴等温淬火2小时，盐浴时，使用的熔盐含有质量浓度为50％的KNO3以及质量分数为50％的NaNO2，出盐浴炉，奥铁体球铁磨球制造完成。
实施例2
一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，包括以下工艺过程：
1)铸造成型：
将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化，熔炼铁水出炉温度1560℃，铁水包内球化，球化温度1500℃。浇注机自动浇注，10分钟内浇注结束，浇注温度1420℃。铁模覆砂成型工艺。成型后去掉浇冒口制成铸态磨球。
所述熔炼铁水包括以下质量百分比的组份：碳3.9％，硅2.93％，锰2.80％，铬0.90％，铜0.60％，钼0.80％，钒0.68％，钛0.78％，铌0.09％，磷0.045％，硫0.023％，余量为铁。
所述球化剂的加入量为熔炼铁水的质量的1％；所述球化剂含有的镁的质量分数为5％，所述球化剂含有的稀土的质量分数为3％。
最终制得的铸态磨球，包括以下质量百分比的组份：碳3.9％，硅2.93％，锰2.80％，铬0.90％，铜0.60％，钼0.80％，钒0.68％，钛0.78％，铌0.09％，磷0.045％，硫0.023％，镁0.05％，稀土元素0.03％，余量为铁。
2)热处理工艺：将铸态磨球装入热处理炉，升温保温，奥氏体化保温温度880℃，保温3小时，230℃盐浴等温淬火2小时，盐浴时，使用熔盐含有质量浓度为50％的KNO3以及质量分数为50％的NaNO2，出盐浴炉，奥铁体球铁磨球制造完成。
实施例3
一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，包括以下工艺过程：
1)铸造成型：
将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化，熔炼铁水出炉温度1530℃，铁水包内球化，球化温度1450℃。浇注机自动浇注，10分钟内浇注结束，浇注温度1400℃。铁模覆砂成型工艺。成型后去掉浇冒口制成铸态磨球。
所述熔炼铁水包括以下质量百分比的组份：碳3.50％，硅2.53％，锰1.96％，铬0.51％，铜0.31％，钼0.40，钒0.48％，钛0.48％，铌0.05％，磷0.02％，硫0.02％，余量为铁。
所述球化剂的加入量为熔炼铁水的质量的1％；所述球化剂含有的镁的质量分数为4％，所述球化剂含有的稀土的质量分数为2.5％。
最终制得的铸态磨球，包括以下质量百分比的组份：碳3.50％，硅2.53％，锰1.96％，铬0.51％，铜0.31％，钼0.40，钒0.48％，钛0.48％，铌0.05％，磷0.02％，硫0.02％，镁0.04％、稀土元素0.025％，余量为铁。
2)热处理工艺：将铸态磨球装入热处理炉，升温保温，奥氏体化保温温度850℃，保温2.5小时，240℃盐浴等温淬火2小时，盐浴时，使用的熔盐含有质量浓度为50％的KNO3以及质量分数为50％的NaNO2，出盐浴炉，奥铁体球铁磨球制造完成。
利用金相显微镜检测实施例1-3制备的奥铁体球铁磨球的金相组织。
本发明实施例2制备的奥铁体球铁磨球的显微组织结构如图1所示，从图1中可以看出，(标注1)为黑色球团状为球状石墨，(标注2)左下角白亮组织为碳化物，余下为针状铁素体与奥氏体混合物(标注3+4)。说明碳化物硬度高，与铁素体与奥氏体混合物结合硬韧耐磨，球状石墨抑制微裂纹扩展阻止开裂。实施例1和实施例3制备的奥铁体球铁磨球的显微组织结构也与实施2一致。
将实施例1至实施例3制备的奥铁体球铁磨球进行力学性能测试。同时分别将高铬球、低铬球、锻钢球、ADI磨球、CADI磨球作为对照组。
一、检测方法：参照本领域常用的检测方法。
1、硬度检测方法：将磨球过球心线切割切开，用洛氏硬度试验机测试硬度值，心部硬度为心部硬度最低值，外表硬度为距离外表1-2mm处硬度最高值。
2、冲击值检测方法：线切割穿球心取10×10×55冲击试样，冲击试验机检测冲击值。
3、落球试验检测方法：每组取球18-20个，放入10米高落球试验机，依次10米高自由落体冲落，与下面有3-5摞置磨球相冲，记录次数，检验磨球开裂及表面剥落状态，开裂立即取出该球其余试验继续进行，球表面剥落20％立即取出该球其余试验继续进行至无落球停止记录，计算平均值。
二、检测结果
表2检测结果以及性能的对比
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球，其特征在于，包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.48％-0.68％，钛0.48％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％、镁0.03％-0.05％、稀土元素0.02％-0.03％，余量为铁。
2.根据权利要求1所述一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球，其特征在于，所述稀土元素为复合稀土元素。
3.一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将铸造成型的铸态磨球进行热处理工艺；
所述铸态磨球包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.48％-0.68％，钛0.48％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％、镁0.03％-0.05％、稀土元素0.02％-0.03％，余量为铁；
所述热处理工艺的具体操作为：将铸态磨球升温后保温，之后盐浴等温淬火，得到制作完成的奥铁体球铁磨球。
4.根据权利要求3所述适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，其特征在于，所述铸造成型的方法为：
将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化，孕育浇注在覆砂铁模中成型，成型后去掉浇冒口制成铸态磨球；
所述熔炼铁水包括以下质量百分比的组份：碳3.2％-3.9％，硅2.30％-2.93％，锰0.96％-2.80％，铬0.21％-0.90％，铜0.11％-0.60％，钼0.10％-0.80％，钒0.48％-0.68％，钛0.48％-0.78％，铌0.01％-0.09％，0≤磷＜0.05％，0≤硫＜0.03％、余量为铁；
所述球化剂的加入量为熔炼铁水的质量的1％；所述球化剂含有的镁的质量分数为3％-5％，所述球化剂含有的稀土元素的质量分数为2％-3％。
5.根据权利要求4所述一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，其特征在于，熔炼铁水出炉温度为1500-1560℃。
6.根据权利要求4所述一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，其特征在于，所述将熔炼铁水使用球化剂在铁水包内球化的球化温度为1450-1500℃。
7.根据权利要求4-6任一项所述一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，其特征在于，浇注时，利用浇注机自动浇注，10分钟内浇注结束，浇注温度为1380℃-1420℃。
8.根据权利要求3或4所述一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，其特征在于，所述铸态磨球升温后保温具体操作是：将制成的铸态磨球装入热处理炉，进行升温保温过程，保温的温度830-880℃，保温时间2-3小时。
9.根据权利要求3或4所述一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球的加工工艺，其特征在于，所述盐浴等温淬火具体操作是：230-260℃盐浴等温淬火2小时。
10.一种权利要求1所述的奥铁体球铁磨球在半自磨机中的应用。
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