CN108611544B - 一种高耐磨球墨铸铁磨球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高耐磨球墨铸铁磨球及其制备方法，属于金属耐磨材料技术领域，磨球中的各化学成分及重量百分比为：C：3.5~4.0%，Si：2.2~2.8%，Mn：1.4~2.0%，Cr：1.2~1.6%，Mo：0.2~0.6%，B：0.1~0.3%，Mg：0.05~0.1%，Cu：0.28~0.35%，Re：0.06~0.12%，P<0.05%，S<0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质，原材料在中频感应电炉中熔炼，添加镁合金球化剂和硅铁孕育剂进行球化孕育处理，采用一模四件的金属型铸造浇注成型，铸件经加热至950~980℃，保温1.5~4h，进行水淬+油淬，再进行加热回火，取出空冷至室温，可获得性能较好的球墨铸铁磨球，经检测磨球体积硬度为HRC54~60，冲击韧性为10~14J/cm2，球化率可达1~3级，石墨大小等级7~8级，石墨数量不少于256个/mm2。

Description

一种高耐磨球墨铸铁磨球及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高耐磨球墨铸铁磨球及其制备方法，属于金属耐磨材料技术领域。
背景技术
磨球广泛应用于矿山、汽车、冶金、水泥、建材、火力发电等行业，是最常用的研磨体之一，属于易磨损件，据统计磨球在耐磨材料中占磨损量的60%以上，全世界年消耗量大于400万吨。目前常用的磨球如铬合金系列ZQCr2、ZQCr12、ZQCr20等虽然硬度高，耐磨性好，但其韧性不高，加上Cr属于贵金属，使生产成本增加。传统铸造方法为砂型铸造，砂型铸造在生产过程中需要投资消耗大量的人力、物力及财力，且单次生产的数量有限，表面质量较差，生产周期长等特点。基于上述原因研究开发一种高耐磨、高冲击韧性的磨球具有重要意义。
CN 104831024 A 中公开了一种球墨铸铁等温淬火热处理工艺，将含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球加热至900~950℃，保温1~4h，迅速淬入温度为220~300℃的质量百分比为50%NaNO2+质量百分比浓度为50%KNO3的硝盐溶液中，保温2~4h后取出空冷，其HRC55，冲击韧性12J/cm2，提高了落球冲击次数。但是该热处理工艺未进行回火处理，使得磨球有较大的淬火应力；另外淬火介质采用盐浴，NaNO2和KNO3在高温时形成的盐蒸汽具有强烈的腐蚀性对环境造成盐浴污染。CN1262338 A公开了马氏体/贝氏体复合铸铁磨球及生产方法，其化学成分为：C：3.4-3.8%，Si：2.4-3.4%，Mn：0.1-0.5%，Cr：0.2~0.8%，B：0.003-0.03%，Cu：0.2-0.8%，P<0.08%，S<0.05%，热处理工艺采用余热淬火+回火，磨球开箱冷却到780-820℃时，淬入水玻璃溶液中淬冷至50-120℃后低温回火，虽然这种工艺能够获得较好性能马氏体/贝氏体复相组织，但其对热处理工艺要求较高，现场的热处理参数不易控制，造成磨球生产的质量不稳定。CN 104313452A 提出了一种含碳化物奥贝耐磨球铁及其制备方法，通过加入碳化物形成元素和微合金化元素，采用水玻璃溶液淬火，最终可获得硬度HRC55，抗拉强度800MPa的含碳化物奥贝耐磨球铁，但其采用的水玻璃淬火液在400℃下冷速较快，而球墨铸铁贝氏体的转变温度范围一般在400℃以下，冷速较快不利于贝氏体组织的转变。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的生产成本高、传统砂型铸造磨球生产周期长、盐浴等淬火介质对环境产生不利影响，淬火液冷速较快、磨球质量不稳定等问题，提供了一种高耐磨球墨铸铁磨球及其制备方法，通过采用合理的化学成分、浇注方法和热处理工艺，改善了组织的分布及形态，优化了磨球的硬度和韧性等力学性能，从而提高其耐磨性。
本发明的目的在于提供一种高耐磨球墨铸铁磨球，磨球中的各化学成分的重量百分比为：C：3.5~4.0%，Si：2.2~2.8%，Mn：1.4~2.0%，Cr：1.2~1.6%，Mo：0.2~0.6%，B：0.1~0.3%，Mg：0.05~0.1%，Cu：0.28~0.36%，Re：0.06~0.14%，P<0.05%，S<0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明提供所述高耐磨球墨铸铁磨球的制备方法，包括以下步骤：
（1）熔炼
利用中频感应电炉进行熔炼，按照化学成分重量配比添加生铁、废钢、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、硼铁、紫铜并进行升温，当温度为1470~1495℃时取样进行化学分析，合理补充炉料调控各化学成分在规定范围内，温度上升到1500~1530℃时，加入金属液重量的0.6%~0.85%的纯铝进行脱氧；
（2）球化孕育
将金属液重量的1.2%~1.6%的球化剂、金属液重量的0.2%~0.35%的孕育剂和0.1~0.28kg的覆盖剂放在堤坝式浇包内，金属液出炉倒入浇包内捣实进行2~3min的球化处理和一次孕育，加入0.3~0.5kg的铸液除渣剂除渣，再加入金属液重量的0.1~0.18%孕育剂进行二次孕育，搅拌使其均匀熔化后待浇；
（3）浇注
温度为1370~1430℃时浇注，进行分段式浇注，当铸型内磨球冷却1~3h后开箱，使其自然冷却后进行表面清理；
（4）淬火
将步骤（3）得到的磨球加热到950~980℃，保温1.5~4h，进行水淬+油淬，水淬至300~340℃取出放在温度为260~280℃中油淬，磨球表面温度在油中冷却到80~100℃时出油进行风冷至室温；
（5）回火
将淬火后的磨球进行回火，回火温度为250~300℃，保温4~6h，取出空冷至室温，可得球墨铸铁磨球。
步骤（2）所述球化剂为稀土硅镁合金Mg8Re3，成分及重量百分比为Si：43~46%，Mg：7.5~8.5%，Re：2.5~3.5%，Ca：2.5~3.5%，其余为Fe。
步骤（2）所述孕育剂为75硅铁孕育剂，成分及重量百分比为Si：73~78%，Al：0.8~1.6%，Ca：0.5~1.0%，Fe：20~26%。
步骤（2）所述覆盖剂型号为Fex-8的发热保温覆盖剂。
步骤（2）所述铸液除渣剂规格牌号为50~70目的TDW-S5。
步骤（3）采用一模四件的金属模具铸型进行浇注，金属型铸造模具采用3Cr2W8V热作模具钢制成，金属型铸造模具包括上模、下模、浇冒口，浇冒口设置在上模中间，浇道与浇冒口连通，上模、下模中分别设有四个半球形型腔，上模、下模采用螺栓组件固定。
步骤（3）所述分段式浇注每箱磨球的具体工艺如下：第一段浇注时间0.1~0.3min，浇铸速度50~70kg/min，第二段浇注时间0.25~0.5min，浇铸速度70~90kg/min，第三段浇注时间0.1~0.3min，浇铸速度50~70kg/min。
步骤（4）所述油淬时采用20号机械油，型号为L-AN22。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过优选材料配方，添加稀土硅镁合金球化剂和少量的合金元素Cu促进石墨球化和细化石墨球，使其力学性能更好。
（2）本发明采用一模多件的金属型铸造工艺，严格控制化学成分和熔炼工艺，易于实现磨球规模化和批量化生产，提高生产效率。
（3）本发明通过浇注的实际情况，获得磨球浇注工艺过程中的浇注时间并合理控制浇注速度，以保证浇注质量的稳定性，减少铸造缺陷。
（4）本发明通过合理的热处理工艺，利用油淬代替盐浴淬火以减少环境污染，获得性能较好的球墨铸铁磨球，磨球体积硬度为HRC54~60，冲击韧性为10~14J/cm2，耐磨性及减振性能好。
（5）本发明制备的磨球球化率和圆整度较高，球化率可达1~3级，石墨大小等级7~8级，石墨数量不少于256个/mm2。
附图说明
图1 本发明球墨铸铁磨球的金属模具铸型的结构示意图；
图2本发明球墨铸铁磨球的金属模具铸型上模的结构示意图；
图3本发明球墨铸铁磨球的金属模具铸型下模的结构示意图；
图4本发明实施例1球墨铸铁磨球的热处理工艺示意图；
图5本发明实施例1球墨铸铁磨球球化后石墨金相图；
图6本发明实施例1球墨铸铁磨球在光学显微镜下的金相组织图；
图中，1-浇冒口，2-上模，3-下模，4-螺栓组件，5-半球形型腔，6-浇道。
具体实施方式
下面列举具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例一种规格为ф120mm的高耐磨球墨铸铁磨球，该磨球各化学成分的重量百分比为：C：3.62%，Si：2.41%，Mn：1.41%，Cr：1.37%，Mo：0.45%，B：0.22%，Mg：0.05%，Re：0.06%，Cu：0.28%，P：0.021%，S：0.017%，余量为Fe及不可避免的杂质。
按照本实施例各化学成分的重量百分比制备高耐磨球墨铸铁磨球，具体步骤如下：
（1）熔炼
利用中频感应电炉进行熔炼，按照化学成分重量配比添加生铁、废钢、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、硼铁、紫铜并进行升温，当温度为1482℃时取样进行化学分析，合理补充炉料调控各化学成分在规定范围内，温度上升到1528℃时，加入金属铁液重量的0.82%的纯铝进行脱氧；
（2）球化孕育
将金属铁液重量的1.56%的球化剂、0.33%的孕育剂和0.25kg的覆盖剂放在堤坝式浇包内，金属液出炉倒入浇包内捣实进行3min的球化处理和一次孕育，加入0.45kg的铸液除渣剂除渣，扒渣后加入金属铁液重量的0.12%孕育剂进行二次孕育，适当搅拌使其均匀熔化后待浇，球化剂为稀土硅镁合金Mg8Re3，孕育剂为75硅铁孕育剂，覆盖剂型号为Fex-8的发热保温覆盖剂，铸液除渣剂规格牌号为50~70目的TDW-S5；
（3）浇注
采用一模四件的金属模具铸型进行浇注，金属型铸造模具采用3Cr2W8V热作模具钢制成，金属型铸造模具如图1、2、3所示，包括浇冒口1、上模2、下模3，浇冒口1设置在上模2中间，浇道6与浇冒口1连通，上模2、下模3中设有有四个半球形型腔5，上模2、下模3采用螺栓组件4固定，步骤（2）金属液温度为1382℃时进行分段式浇注，具体工艺如下：第一段浇注时间0.3min，浇铸速度70kg/min，第二段浇注时间0.5min，浇铸速度90kg/min，第三段浇注时间0.25min，浇铸速度50kg/min，当铸型内磨球冷却3h后开箱，使其自然冷却后进行表面清理；
（4）淬火
将步骤（3）得到的磨球加热到975℃，保温4h，进行水淬+油淬，水淬至312℃取出放在温度为270℃中油淬，磨球表面温度在油中冷却到95℃时出油进行风冷至室温，油淬时采用20号机械油，型号为L-AN22油；
（5）回火
将淬火后的磨球放进行回火，回火温度为275℃，保温6h，取出空冷至室温，可得球墨铸铁磨球。
本实施例的热处理工艺如图4所示，本实施例制备的磨球硬度为60HRC，冲击韧性为13 J/cm2，取磨球试样进行研磨、抛光、清洗后用金相检验软件进行球化率、石墨大小等级检测，腐蚀后用光学显微镜观察金相组织，结果显示如图5球化率为1级，石墨大小等级为8级，石墨数量328个/mm2，在显微镜不同倍数下观察磨球金相组织如图6所示，含有球状石墨、碳化物、奥氏体、贝氏体和马氏体的复相组织。
实施例2
本实施例一种规格为ф100mm的高耐磨球墨铸铁磨球，该磨球各化学成分的重量百分比为：C：3.72%，Si：2.80%，Mn：1.79%，Cr：1.41%，Mo：0.60%，B：0.30%，Mg：0.097%，Re：0.095%，Cu：0.36%，P：0.041%，S：0.034%，余量为Fe及不可避免的杂质。
按照本实施例各化学成分的重量百分比制备高耐磨球墨铸铁磨球，具体步骤如下：
（1）熔炼
利用中频感应电炉进行熔炼，按照化学成分重量配比添加生铁、废钢、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、硼铁、紫铜并进行升温，当温度为1475℃时取样进行化学分析，合理补充炉料调控各化学成分在规定范围内，温度上升到1520℃时，加入金属铁液重量的0.72%的纯铝进行脱氧；
（2）球化孕育
将金属铁液重量的1.48%的球化剂、0.29%的孕育剂和0.14kg的覆盖剂放在堤坝式浇包内，金属液出炉倒入浇包内捣实进行2.8min的球化处理和一次孕育，加入0.4kg的铸液除渣剂除渣，扒渣后加入金属铁液重量的0.15%孕育剂进行二次孕育，适当搅拌使其均匀熔化后待浇，球化剂为稀土硅镁合金Mg8Re3，孕育剂为75硅铁孕育剂，覆盖剂型号为Fex-8的发热保温覆盖剂，铸液除渣剂规格牌号为50~70目的TDW-S5；
（3）浇注
步骤（2）金属液温度为1430℃时，采用与实施例1相同的金属模具铸型进行分段式浇注，具体工艺如下：第一段浇注时间0.1min，浇铸速度60kg/min第二段浇注时间0.4min，浇铸速度80kg/min第三段浇注时间0.3min，浇铸速度70kg/min，当铸型内磨球冷却2.5h后开箱，使其自然冷却后进行表面清理；
（4）淬火
将步骤（3）得到的磨球加热到965℃，保温3h，进行水淬+油淬，水淬至318℃取出放在温度为275℃中油淬，磨球表面温度在油中冷却到92℃时出油进行风冷至室温，油淬时采用20号机械油，型号为L-AN22油；
（5）回火
将淬火后的磨球放进行回火，回火温度为300℃，保温5h，取出空冷至室温，可得球墨铸铁磨球。
本实施例制备的磨球硬度为56HRC，冲击韧性为14 J/cm2，取磨球试样进行研磨、抛光、清洗后用金相检验软件进行球化率、石墨大小等级检测，腐蚀后用光学显微镜观察金相组织，结果显示球化率为2级，石墨等级为7级，石墨数量285个/mm2，在显微镜不同倍数下观察发现磨球金相组织中含有球状石墨、碳化物、奥氏体、贝氏体和马氏体的复相组织。
实施例3
本实施例一种规格为ф80mm的高耐磨球墨铸铁磨球，该磨球各化学成分的重量百分比为：C：3.49%，Si：2.21%，Mn：1.83%，Cr：1.20%，Mo：0.38%，B：0.14%，Mg：0.079%，Re：0.076%，Cu：0.32%，P：0.028%，S：0.033%，余量为Fe及不可避免的杂质。
按照本实施例各化学成分的重量百分比制备高耐磨球墨铸铁磨球，具体步骤如下：
（1）熔炼
利用中频感应电炉进行熔炼，按照化学成分重量配比添加生铁、废钢、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、硼铁、紫铜并进行升温，当温度为1470℃时取样进行化学分析，合理补充炉料调控各化学成分在规定范围内，温度上升到1500℃时，加入金属铁液重量的0.6%的纯铝进行脱氧；
（2）球化孕育
将金属铁液重量的1.2%的球化剂、0.2%的孕育剂和0.28kg的覆盖剂放在堤坝式浇包内，金属液出炉倒入浇包内捣实进行2.5min的球化处理和一次孕育，加入0.3kg的铸液除渣剂除渣，扒渣后加入金属铁液重量的0.1%孕育剂进行二次孕育，适当搅拌使其均匀熔化后待浇，球化剂为稀土硅镁合金Mg8Re3，孕育剂为75硅铁孕育剂，覆盖剂型号为Fex-8的发热保温覆盖剂，铸液除渣剂规格牌号为50~70目的TDW-S5；
（3）浇注
步骤（2）金属液温度为1370℃时，采用与实施例1相同的金属模具铸型进行进行分段式浇注，具体工艺如下：第一段浇注时间0.25min，浇铸速度70kg/min第二段浇注时间0.3min，浇铸速度80kg/min，第三段浇注时间0.1min，浇铸速度60kg/min，当铸型内磨球冷却2h后开箱，使其自然冷却后进行表面清理；
（4）淬火
将步骤（3）得到的磨球加热到980℃，保温2h，进行水淬+油淬，水淬至300℃取出放在温度为260℃中油淬，磨球表面温度在油中冷却到80℃时出油进行风冷至室温，油淬时采用20号机械油，型号为L-AN22；
（5）回火
将淬火后的磨球放进行回火，回火温度为250℃，保温4.5h，取出空冷至室温，可得球墨铸铁磨球。
本实施例制备的磨球硬度为58HRC，冲击韧性为10J/cm2，取磨球试样进行研磨、抛光、清洗后用金相检验软件进行球化率、石墨大小等级检测，腐蚀后用光学显微镜观察金相组织，结果显示球化率为3级，石墨等级为7级，石墨数量256个/mm2，在显微镜不同倍数下观察发现磨球金相组织中含有球状石墨、碳化物、奥氏体、贝氏体和马氏体的复相组织。
实施例4
本实施例一种规格为ф60mm的高耐磨球墨铸铁磨球，该磨球各化学成分的重量百分比为：C：3.94%，Si：2.54%，Mn：1.98%，Cr：1.58%，Mo：0.20%，B：0.10%，Mg：0.069%，Re：0.14%，Cu：0.27%，P：0.038%，S：0.044%，余量为Fe及不可避免的杂质。
按照本实施例各化学成分的重量百分比制备高耐磨球墨铸铁磨球，具体步骤如下：
（1）熔炼
利用中频感应电炉进行熔炼，按照化学成分重量配比添加生铁、废钢、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、硼铁、紫铜并进行升温，当温度为1495℃时取样进行化学分析，合理补充炉料调控各化学成分在规定范围内，温度上升到1530℃时，加入金属铁液重量的0.85%的纯铝进行脱氧；
（2）球化孕育
将金属铁液重量的1.6%的球化剂、0.35%的孕育剂和0.1kg的覆盖剂放在堤坝式浇包内，金属液出炉倒入浇包内捣实进行2min的球化处理和一次孕育，加入0.5kg的铸液除渣剂除渣，扒渣后加入金属铁液重量的0.18%孕育剂进行二次孕育，适当搅拌使其均匀熔化后待浇，球化剂为稀土硅镁合金Mg8Re3，孕育剂为75硅铁孕育剂，覆盖剂型号为Fex-8的发热保温覆盖剂，铸液除渣剂规格牌号为50~70目的TDW-S5；
（3）浇注
步骤（2）金属液温度为1394℃时，采用与实施例1相同的金属模具铸型进行分段式浇注，具体工艺如下：第一段浇注时间0.1min ，浇铸速度50kg/min，第二段浇注时间0.25min，浇铸速度70kg/min，第三段浇注时间0.1min，浇铸速度70kg/min，当铸型内磨球冷却1h后开箱，使其自然冷却后进行表面清理；
（4）淬火
将步骤（3）得到的磨球加热到950℃，保温1.5h，进行水淬+油淬，水淬至340℃取出放在温度为280℃中油淬，磨球表面温度在油中冷却到100℃时出油进行风冷至室温，油淬时采用20号机械油，型号为L-AN22油；
（5）回火
将淬火后的磨球放进行回火，回火温度为285℃，保温4h，取出空冷至室温，可得球墨铸铁磨球。
本实施例制备的磨球硬度为58HRC，冲击韧性为12.5J/cm2，取磨球试样进行研磨、抛光、清洗后用金相检验软件进行球化率、石墨大小等级检测，腐蚀后用光学显微镜观察金相组织，结果显示球化率为2级，石墨等级为8级，石墨数量306个/mm2，在显微镜不同倍数下观察发现磨球金相组织中含有球状石墨、碳化物、奥氏体、贝氏体和马氏体的复相组织。

Claims (6)

1.一种高耐磨球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）熔炼
利用中频感应电炉进行熔炼，按照化学成分重量配比添加生铁、废钢、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、硼铁、紫铜并进行升温，当温度为1470~1495℃时取样进行化学分析，补充炉料调控各化学成分使其在规定范围内，温度上升到1500~1530℃时，加入金属液重量0.6%~0.85%的纯铝进行脱氧；最后磨球中的各化学成分及重量百分比为：C：3.5~4.0%，Si：2.2~2.8%，Mn：1.4~2.0%，Cr：1.2~1.6%，Mo：0.2~0.6%，B：0.1~0.3%，Mg：0.05~0.1%，Cu：0.28~0.36%，Re：0.06~0.14%，P<0.05%，S<0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质
（2）球化孕育
将金属液重量的1.2%~1.6%的球化剂、金属液重量的0.2%~0.35%的孕育剂和0.1~0.28kg的覆盖剂放在堤坝式浇包内，金属液出炉倒入浇包内捣实进行2~3min的球化处理和一次孕育，加入0.3~0.5kg的铸液除渣剂除渣，扒渣后加入金属液重量的0.1~0.18%孕育剂进行二次孕育，搅拌使其均匀熔化后待浇；
（3）浇注
温度为1370~1430℃时浇注，进行分段式浇注，当铸型内磨球冷却1~3h后开箱，使其自然冷却后进行表面清理；
采用一模四件的金属模具铸型进行浇注，金属型铸造模具采用3Cr2W8V热作模具钢制成，金属型铸造模具包括上模、下模、浇冒口，浇冒口设置在上模中间，浇道与浇冒口连通，上模、下模中分别设有四个半球形型腔，上模、下模采用螺栓组件固定；分段式浇注每箱磨球的具体工艺如下：第一段浇注时间0.1~0.3min，浇铸速度50~70kg/min，第二段浇注时间0.25~0.5min，浇铸速度70~90kg/min，第三段浇注时间0.1~0.3min，浇铸速度50~70kg/min；
（4）淬火
将步骤（3）得到的磨球加热到950~980℃，保温1.5~4h，进行水淬+油淬，水淬至300~340℃取出放在温度为260~280℃中油淬，磨球表面温度在油中冷却到80~100℃时出油进行风冷至室温；
（5）回火
将淬火后的磨球进行回火，回火温度为250~300℃，保温4~6h，取出空冷至室温，可得球墨铸铁磨球。
2.根据权利要求1所述高耐磨球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述球化剂为稀土硅镁合金Mg8Re3。
3.根据权利要求1所述高耐磨球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述孕育剂为75硅铁孕育剂。
4.根据权利要求1所述高耐磨球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述覆盖剂型号为Fex-8的发热保温覆盖剂。
5.根据权利要求1所述高耐磨球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述铸液除渣剂规格牌号为50~70目的TDW-S5。
6.根据权利要求1所述高耐磨球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述油淬时采用20号机械油，型号为L-AN22。
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