CN106868417B - 一种高硬度低磨耗耐磨球及其制备方法 - Google Patents

一种高硬度低磨耗耐磨球及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高硬度低磨耗耐磨球及其制备方法，该耐磨球包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料包括以下成分：C、B、Mg、Si、Al、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、W、Y、P、Fe及不可避免的杂质。在制备过程中，采用激光熔覆和等离子熔覆，在耐磨球基体表面覆上两层熔覆层，经低温回火处理得到所述高硬度低磨耗耐磨球。本发明提出的一种高硬度低磨耗耐磨球，该耐磨球具有强度高、硬度大、韧性好、耐腐蚀、磨耗低、使用寿命长等优点。

Description

一种高硬度低磨耗耐磨球及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高硬度低磨耗耐磨球及其制备方法。
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粉磨设备，耐磨球作为球磨机中的粉碎介质，用于粉碎球磨机中的物料，其广泛用于水泥、电力、选矿、建材等行业。近年来，随着我国工业的迅速发展，耐磨球的消耗量很大。因此提高耐磨球硬度，改善其性能，降低其磨耗，提高其使用寿命，将会产生很大的经济效益。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高硬度低磨耗耐磨球及其制备方法，该耐磨球具有强度高、硬度大、韧性好、耐腐蚀、磨耗低、使用寿命长等优点。
本发明提出的一种高硬度低磨耗耐磨球，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.2～1.85％、B：0.05～0.2％、Mg： 0.08～0.2％、Si：0.9～1.5％、Al：0.05～0.12％、Ba：0.01～0.03％、Ti：0.08～ 0.2％、V：0.1～0.5％、Cr：18.5～24.5％、Mn：0.7～1.2％、Ni：0.35～0.55％、 Cu：0.1～0.25％、Zn：0.1～0.25％、Zr：0.03～0.09％、Nb：0.04～0.12％、W： 0.35～0.7％、Y：0.01～0.045％、P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
优选地，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.4～1.65％、B： 0.1～0.15％、Mg：0.1～0.16％、Si：1.1～1.3％、Al：0.07～0.1％、Ba：0.018～ 0.023％、Ti：0.1～0.15％、V：0.2～0.4％、Cr：20.5～22.5％、Mn：0.85～1％、 Ni：0.4～0.45％、Cu：0.15～0.2％、Zn：0.15～0.2％、Zr：0.05～0.08％、Nb： 0.06～0.1％、W：0.45～0.6％、Y：0.02～0.03％、P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种高硬度低磨耗耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体；
S2、将耐磨球坯体淬火处理，然后空冷至室温后进行低温回火得到耐磨球基体；
S3、将耐磨球基体经激光熔覆、等离子熔覆后得到初级耐磨球；
S4、将初级耐磨球经低温回火后得到所述高硬度低磨耗耐磨球。
优选地，在S1中，具体步骤如下：将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，升温至1400～1430℃，保温25～40min，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，升温至1450～1490℃，保温40～60min，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体。
优选地，在S3中，具体步骤如下：将激光熔覆粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经打磨清洗后的耐磨球基体表面，在120～135℃下烘干，放入激光熔覆装置中进行激光熔覆；所述激光熔覆工艺参数具体如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为2.2～2.8mm，扫描速度为5.4～6.2mm/s，功率为1.25～1.32kW ，激光熔覆层厚度为1.5～2mm；将Co基合金粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经激光熔覆处理后的耐磨球基体上，烘干后再对其进行等离子熔覆得到初级耐磨球；所述等离子熔覆工艺参数为：离子气体流量为1.5～3.5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为5～7.5L/min，转移弧电压为30～35V，转移电流为70～100A，喷距为11～17mm，功率为1.25～1.7kW ，扫描速度为6～9mm/s，等离子弧光斑直径为2～3mm，等离子熔覆层厚度为1～ 1.8mm。
优选地，在S3中，粘结剂为水玻璃、硝酸纤维素、醋酸纤维素和聚乙烯醇中的一种或多种。
优选地，在S3中，激光熔覆粉末的粒径为150～300nm，Co基合金粉末的粒径为50～150nm。
优选地，在S3中，激光熔覆粉末按质量分数包括以下成分：Ni：10～15％、 Cr：20～30％、Si：0.5～1.5％、W：0.8～1.2％、Co：3～8％、B：2.2～3％，其余为Fe及不可避免的杂质。
优选地，在S3中，Co基合金粉末按质量分数包括以下成分：C：0.8～1.2％、 Cr：14～18％、Fe：5～10％、Nb：0.6～1.2％、B：1.4～2.2％、Al：1.5～2.2％、 Si：0.6～0.9％、Y：0.05～0.15％，其余为Co及不可避免的杂质。
本发明中通过控制C、Cr、Si、Ni的含量，为耐磨球基体具有良好的强度、硬度、抗氧化性、韧性、耐磨性奠定了基础；Nb、Y、Zr配合，使耐磨球基体内部组织致密，细化组织晶粒，避免晶间腐蚀，提高了耐磨球基体耐腐蚀性与抗氧化性，同时提高耐磨球基体的强度、硬度、韧性等力学性能；在制备过程中，对耐磨球坯体进行热处理，然后在耐磨球基体表面进行激光熔覆和等离子熔覆，激光熔覆选用Fe基合金粉末作为过渡层，由于与耐磨球基体同是以Fe、Cr为主要元素，在等离子熔覆时两者进行冶金结合，具有良好的结合强度，通过合理选择等离子熔覆工艺参数，使等离子熔覆层中组织晶粒细化，与耐磨球基体达到良好的冶金结合，等离子熔覆层过程中选用Co基合金粉末，其中，Al、Nb、 Si、Y配合，使激光熔覆层具有优异的耐腐蚀性与抗氧化性，Cr、Si、B与C配合形成微小的碳化物，同时生成强化相CrB，提高激光熔覆层的硬度、韧性与耐磨性，通过合理选择激光熔覆层粉末和等离子熔覆层粉末的成分和含量，且合理设置等离子熔覆和激光熔覆的工艺参数，使熔覆层与耐磨球基体具有较高的结合强度与韧性，提高了耐磨球表面的平整度，同时使耐磨球的硬度与韧性得到同步提高；再经低温回火消除耐磨球中的残留应力，对耐磨球各项性能进一步强化。本发明通过合理设定温度和时间及各成分含量，实现成分设计所需达到的性能，使得熔覆层与耐磨球基体保持良好的冶金结合，没有出现裂纹、孔洞等现象，综合提高了耐磨球强度、硬度、韧性、抗冲击性等力学性能，同时使得耐磨球具有良好的抗腐蚀性能、抗氧化性、耐磨性能，降低了耐磨球的磨耗，大大增加了耐磨球的使用寿命。本发明提出的高硬度低磨耗耐磨球，其具有强度高、硬度大、韧性好、耐腐蚀、磨耗低、使用寿命长等优点。
对所述高硬度低磨耗耐磨球进行性能测试，测试结果如下：硬度值达70～ 74HRC，抗压强度为580～620MPa，屈服强度为360～400MPa，冲击韧性≥ 13.5J/cm2，平均球耗为45～60g/t,破碎率为0.04～0.06％，寿命约为普通耐磨球的8～9倍，具有十分显著的经济效益。
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
本发明提出的一种高硬度低磨耗耐磨球，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.2％、B：0.2％、Mg：0.08％、Si： 1.5％、Al：0.05％、Ba：0.03％、Ti：0.08％、V：0.5％、Cr：18.5％、Mn：1.2％、 Ni：0.35％、Cu：0.25％、Zn：0.1％、Zr：0.09％、Nb：0.04％、W：0.7％、Y：0.01％、 P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提出了一种高硬度低磨耗耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体；
S2、将耐磨球坯体淬火处理，然后空冷至室温后进行低温回火得到耐磨球基体；
S3、将耐磨球基体经激光熔覆、等离子熔覆后得到初级耐磨球；
S4、将初级耐磨球经低温回火后得到所述高硬度低磨耗耐磨球。
实施例2
本发明提出的一种高硬度低磨耗耐磨球，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.85％、B：0.05％、Mg：0.2％、Si： 0.9％、Al：0.12％、Ba：0.01％、Ti：0.2％、V：0.1％、Cr：24.5％、Mn：0.7％、 Ni：0.55％、Cu：0.1％、Zn：0.25％、Zr：0.03％、Nb：0.12％、W：0.35％、Y：0.045％、 P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提出了一种高硬度低磨耗耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体；
S2、将耐磨球坯体淬火处理，然后空冷至室温后进行低温回火得到耐磨球基体；
S3、将耐磨球基体经激光熔覆、等离子熔覆后得到初级耐磨球；
S4、将初级耐磨球经低温回火后得到所述高硬度低磨耗耐磨球。
实施例3
本发明提出的一种高硬度低磨耗耐磨球，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.5％、B：0.12％、Mg：0.14％、Si： 1.15％、Al：0.09％、Ba：0.02％、Ti：0.14％、V：0.32％、Cr：21.5％、Mn：0.95％、 Ni：0.45％、Cu：0.18％、Zn：0.15％、Zr：0.06％、Nb：0.08％、W：0.52％、Y： 0.03％、P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提出了一种高硬度低磨耗耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，升温至1420℃，保温30min，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，升温至1470℃，保温50min，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体；
S2、将耐磨球坯体淬火处理，然后空冷至室温后进行低温回火得到耐磨球基体；
S3、将激光熔覆粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经打磨清洗后的耐磨球基体表面，在128℃下烘干，放入激光熔覆装置中进行激光熔覆；所述激光熔覆工艺参数具体如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为 2.5mm，扫描速度为5.8mm/s，功率为1.28kW ，激光熔覆层厚度为1.8mm；将Co 基合金粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经激光熔覆处理后的耐磨球基体上，烘干后再对其进行等离子熔覆得到初级耐磨球；所述等离子熔覆工艺参数为：离子气体流量为2.5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为6.5L/min，转移弧电压为32V，转移电流为85A，喷距为15mm，功率为1.5kW ，扫描速度为7.5mm/s，等离子弧光斑直径为2.5mm，等离子熔覆层厚度为1.4mm；
S4、将初级耐磨球经低温回火后得到所述高硬度低磨耗耐磨球。
其中，在S3中，粘结剂水玻璃；
在S3中，激光熔覆粉末的粒径为240nm，Co基合金粉末的粒径为100nm；
激光熔覆粉末按质量分数包括以下成分：Ni：12.5％、Cr：25％、Si：1.1％、 W：0.98％、Co：5％、B：2.8％，其余为Fe及不可避免的杂质；
Co基合金粉末按质量分数包括以下成分：C：1％、Cr：15.5％、Fe：7.5％、 Nb：0.86％、B：1.85％、Al：1.86％、Si：0.75％、Y：0.1％，其余为Co及不可避免的杂质。
实施例4
本发明提出的一种高硬度低磨耗耐磨球，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.35％、B：0.15％、Mg：0.11％、Si： 1.35％、Al：0.075％、Ba：0.025％、Ti：0.11％、V：0.42％、Cr：19.8％、Mn：1.1％、 Ni：0.39％、Cu：0.21％、Zn：0.14％、Zr：0.08％、Nb：0.06％、W：0.62％、Y： 0.018％、P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提出了一种高硬度低磨耗耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，升温至1400℃，保温40min，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，升温至1450℃，保温60min，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体；
S2、将耐磨球坯体淬火处理，然后空冷至室温后进行低温回火得到耐磨球基体；
S3、将激光熔覆粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经打磨清洗后的耐磨球基体表面，在120℃下烘干，放入激光熔覆装置中进行激光熔覆；所述激光熔覆工艺参数具体如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为 2.2mm，扫描速度为5.4mm/s，功率为1.25kW ，激光熔覆层厚度为1.5mm；将Co 基合金粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经激光熔覆处理后的耐磨球基体上，烘干后再对其进行等离子熔覆得到初级耐磨球；所述等离子熔覆工艺参数为：离子气体流量为1.5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为5L/min，转移弧电压为30V，转移电流为70A，喷距为11mm，功率为1.25kW ，扫描速度为6mm/s，等离子弧光斑直径为2mm，等离子熔覆层厚度为1mm；
S4、将初级耐磨球经低温回火后得到所述高硬度低磨耗耐磨球。
其中，在S3中，粘结剂为硝酸纤维素、醋酸纤维素和聚乙烯醇按重量比1:1:1 组成；
在S3中，激光熔覆粉末的粒径为150nm，Co基合金粉末的粒径为50nm；
激光熔覆粉末按质量分数包括以下成分：Ni：10％、Cr：30％、Si：0.5％、W： 1.2％、Co：3％、B：3％，其余为Fe及不可避免的杂质；
Co基合金粉末按质量分数包括以下成分：C：0.8％、Cr：18％、Fe：5％、 Nb：1.2％、B：1.4％、Al：2.2％、Si：0.6％、Y：0.15％，其余为Co及不可避免的杂质。
实施例5
本发明提出的一种高硬度低磨耗耐磨球，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.65％、B：0.08％、Mg：0.18％、Si：1.12％、Al：0.95％、Ba：0.015％、Ti：0.18％、V：0.22％、Cr：23.5％、Mn：0.85％、 Ni：0.5％、Cu：0.14％、Zn：0.22％、Zr：0.04％、Nb：0.09％、W：0.45％、Y：0.035％、 P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提出了一种高硬度低磨耗耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，升温至1430℃，保温25min，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，升温至1490℃，保温40min，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体；
S2、将耐磨球坯体淬火处理，然后空冷至室温后进行低温回火得到耐磨球基体；
S3、将激光熔覆粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经打磨清洗后的耐磨球基体表面，在135℃下烘干，放入激光熔覆装置中进行激光熔覆；所述激光熔覆工艺参数具体如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为 2.8mm，扫描速度为6.2mm/s，功率为1.32kW ，激光熔覆层厚度为2mm；将Co基合金粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经激光熔覆处理后的耐磨球基体上，烘干后再对其进行等离子熔覆得到初级耐磨球；所述等离子熔覆工艺参数为：离子气体流量为3.5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为7.5L/min，转移弧电压为35V，转移电流为100A，喷距为17mm，功率为1.7kW ，扫描速度为9mm/s，等离子弧光斑直径为3mm，等离子熔覆层厚度为1.8mm；
S4、将初级耐磨球经低温回火后得到所述高硬度低磨耗耐磨球。
其中，粘结剂为水玻璃、硝酸纤维素按重量比1:1组成；
在S3中，激光熔覆粉末的粒径为300nm，Co基合金粉末的粒径为150nm；
激光熔覆粉末按质量分数包括以下成分：Ni：15％、Cr：20％、S i：1.5％、W：0.8％、Co：8％、B：2.2％，其余为Fe及不可避免的杂质；
Co基合金粉末按质量分数包括以下成分：C：1.2％、Cr：14％、Fe：10％、 Nb：0.6％、B：2.2％、Al：1.5％、Si：0.9％、Y：0.05％，其余为Co及不可避免的杂质。
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 (5)

1.一种高硬度低磨耗耐磨球，其特征在于，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.2～1.85％、B：0.05～0.2％、Mg：0.08～0.2％、Si：1.3～1.5％、Al：0.05～0.12％、Ba：0.01～0.03％、Ti：0.08～0.2％、V：0.2～0.5％、Cr：18.5～24.5％、Mn：0.7～1％、Ni：0.35～0.55％、Cu：0.1～0.25％、Zn：0.1～0.25％、Zr：0.03～0.09％、Nb：0.06～0.12％、W：0.35～0.7％、Y：0.01～0.045％、P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述高硬度低磨耗耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体；
S2、将耐磨球坯体淬火处理，然后空冷至室温后进行低温回火得到耐磨球基体；
S3、将耐磨球基体经激光熔覆、等离子熔覆后得到初级耐磨球；
S4、将初级耐磨球经低温回火后得到所述高硬度低磨耗耐磨球；
S3中，具体步骤如下：将激光熔覆粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经打磨清洗后的耐磨球基体表面，在120～135℃下烘干，放入激光熔覆装置中进行激光熔覆；所述激光熔覆工艺参数具体如下：单道扫描，氩气保护激光池，光斑直径为2.2～2.8mm，扫描速度为5.4～6.2mm/s，功率为1.25～1.32kW ，激光熔覆层厚度为1.5～2mm；将Co基合金粉末与粘结剂混合均匀后制成膏状，然后涂覆在经激光熔覆处理后的耐磨球基体上，烘干后再对其进行等离子熔覆得到初级耐磨球；所述等离子熔覆工艺参数为：离子气体流量为1.5～3.5L/min，保护气体为氩气且氩气流量为5～7.5L/min，转移弧电压为30～35V，转移电流为70～100A，喷距为11～17mm，功率为1.25～1.7kW ，扫描速度为6～9mm/s，等离子弧光斑直径为2～3mm，等离子熔覆层厚度为1～1.8mm；
S3中，激光熔覆粉末按质量分数包括以下成分：Ni：10～15％、Cr：20～30％、Si：0.5～1.5％、W：0.8～1.2％、Co：3～8％、B：2.2～3％，其余为Fe及不可避免的杂质；
Co基合金粉末按质量分数包括以下成分：C：0.8～1.2％、Cr：14～18％、Fe：5～10％、Nb：0.6～1.2％、B：1.4～2.2％、Al：1.5～2.2％、Si：0.6～0.9％、Y：0.05～0.15％，其余为Co及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述高硬度低磨耗耐磨球，其特征在于，包括熔覆层与耐磨球基体，耐磨球基体其原料按质量分数包括以下成分：C：1.4～1.65％、B：0.1～0.15％、Mg：0.1～0.16％、Si：1.3％、Al：0.07～0.1％、Ba：0.018～0.023％、Ti：0.1～0.15％、V：0.2～0.4％、Cr：20.5～22.5％、Mn：0.85～1％、Ni：0.4～0.45％、Cu：0.15～0.2％、Zn：0.15～0.2％、Zr：0.05～0.08％、Nb：0.06～0.1％、W：0.45～0.6％、Y：0.02～0.03％、P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述高硬度低磨耗耐磨球，其特征在于，在S1中，具体步骤如下：将废钢、锰铁合金、铬铁合金和生铁置于中频感应炉中进行熔炼，升温至1400～1430℃，保温25～40min，再加入稀土合金、钒铁合金、铌铁合金和钨铁合金，升温至1450～1490℃，保温40～60min，经脱氧、扒渣、浇注，得到耐磨球坯体。
4.根据权利要求1所述高硬度低磨耗耐磨球，其特征在于，在S3中，粘结剂为水玻璃、硝酸纤维素、醋酸纤维素和聚乙烯醇中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述高硬度低磨耗耐磨球，其特征在于，在S3中，激光熔覆粉末的粒径为150～300nm，Co基合金粉末的粒径为50～150nm。
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