CN109182636A - 一种低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，属于金属材料领域。该贝氏体球墨铸铁磨球的成分重量比为：C：2.5～3.0％；Si：3.5～4.0％；Mn：1.5～2.0％；Mg：0.03～0.07％；RE：0.01～0.03％；P≤0.1％；S≤0.05％；余量为铁。其制备方法为：首先将原料放入中频感应炉中进行熔炼并利用金属型铸造制备铸态球墨铸铁磨球，接着运用连续冷却淬火和低温回火工艺对铸态磨球进行热处理，得到贝氏体球墨铸铁磨球。本方法制备的磨球的显微组织为针状下贝氏体、石墨和残余奥氏体，磨球的平均硬度为50～53HRC，冲击韧性为23～30J/cm2。与传统生产工艺相比，本方法的工艺流程简单易行，降低了环境污染，制备的磨球具有良好的综合力学性能和优异的耐磨性，可实现大规模工业生产。

Description

一种低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法。
背景技术
21世纪以来，随着全球经济的高速发展，各行各业对矿石原料的需求日益增加，提高了矿山机械设备的需求，也促进了相关耐磨件的发展。球磨机是粉磨行业的重要设备，磨球作为球磨机的主要磨料介质，在冶金、建材、矿山、电力、化工等多个行业有着大量的运用。随着我国经济的快速发展，对磨球的需求量也越来越大。据有关数据显示，国内磨球年消耗已经超过200万吨，其中矿山年消耗量达到140万吨以上，占磨球消耗总量的70％。目前，国内常用磨球包括普通锻钢球、铬系铸铁磨球、球墨铸铁磨球。普通锻钢球具有较高的强度和韧性，但硬度通常较低，导致耐磨性较差。高铬铸铁磨球耐磨性优良，破碎率较低，但是工艺周期长，成本高，难以大范围的应用和推广，此外，高铬铸铁磨球在腐蚀性的湿磨工况下，耐磨性不具有竞争力。中铬铸铁磨球与高铬磨球相比成本降低，耐磨性也降低。低铬铸铁磨球，耐磨性及成本适中，但是破碎率较高。中锰球墨铸铁磨球虽然具有成本优势，但是剥落严重，破碎率居高不下。
贝氏体球墨铸铁磨球由于其优异的强韧性能、耐磨性能、铸造性能、经济性能，越来越受到人们的重视，成为地位极其重要的磨球材料。我国是最早研制成功贝氏体球墨铸铁的国家，但由于生产管理不够完善等原因，使其应用水平与发达国家相比有较大的差距。所以，提高现有磨球的力学性能，改善其耐磨性，开发新型贝氏体球墨铸铁磨球是国内外学者的共同研究目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低合金贝氏体球墨铸铁及制备方法，通过改善成分设计、严格控制冶炼和浇注过程、优化热处理工艺，提高磨球的硬度、冲击韧性和耐磨性，为解决现有磨球存在的生产工艺复杂、淬火介质污染大、生产成本高等问题提供一种新途径。
本发明的目的在于提供一种低合金贝氏体球墨铸铁的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照成分重量比为：C：2.5～3.0％；Si：3.5～4.0％；Mn：1.5～2.0％；Mg：0.03～0.07％；RE：0.01～0.03％；P≤0.1％；S≤0.05％；余量为铁进行配料，然后在将原料放入中频感应炉中进行熔炼，得到铁合金液；
(2)控制铁合金液的温度为1450～1500℃，再加入一定量的球化剂和一次孕育剂，保温80～100s后，出炉；
(3)步骤(2)处理后的铁合金液进行浇注，浇注温度为1400～1450℃，铸造方式为金属型铸造，模具内放有一定量的二次孕育剂，空冷至室温，最后得到铸态磨球；
(4)将铸态磨球试样升温至840～920℃，保温1.5～2h，再进行连续冷却淬火处理；
(5)对步骤(4)处理后的磨球试样进行低温回火处理，回火温度180～220℃，保温1～1.5h，空冷至室温，得到贝氏体球墨铸铁磨球。
进一步地，铁合金液中的C、Si、Mn的质量百分数满足如下关系式：8.0％≤C+Si+Mn≤9％。
进一步地的，所述步骤(2)中，球化剂为QRMg8RE3稀土镁合金，粒度为10～30mm，加入量为铁液质量的2.0％；一次孕育剂为FeSi75合金，粒度为1～3mm，加入量为铁液质量的1.2％。
进一步地，所述步骤(3)中，二次孕育剂为FeSi75合金，粒度为1～3mm，加入量为铁液质量的0.6％。
进一步地，所述步骤(4)中，连续冷却淬火过程中使用的介质是质量分数为12～15％的NaCl溶液。
与传统的贝氏体球墨铸铁磨球相比，本发明将特定成分的磨球进行连续冷却淬火处理，该工艺利用NaCl溶液作为淬火介质，减轻了传统介质如亚硝酸盐等造成的污染，同时无需加入其他贵重合金元素即可获得贝氏体组织，生产工艺简单易行，降低了生产成本，减少了环境污染，可以实现大规模工业生产。
附图说明
图1是贝氏体球墨铸铁磨球的热处理工艺曲线图。
图2是球墨铸铁磨球的铸态和热处理态的显微组织图，(a)铸态200倍；(b)铸态1000倍；(c)热处理态200倍；(d)热处理态1000倍。
图3是贝氏体球墨铸铁磨球的冲击磨损累积失重曲线。
具体实施方式
以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的应用范围，其他应用领域等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各项权利要求限定。
具体实施方式一：
(1)按照成分重量比为：C：2.7％；Si：3.8％；Mn：1.9％；Mg：0.03％；RE：0.02％；P≤0.1％；S≤0.05％；余量为铁进行配料，然后在将原料放入中频感应炉中进行熔炼，得到铁合金液；
(2)控制铁合金液体温度为1450～1500℃，再加入一起加入球化剂和一次孕育剂。球化剂为QRMg8RE3稀土镁合金，粒度为10～30mm，加入量为铁液质量的2.0％；一次孕育剂为FeSi75合金，粒度为1～3mm，加入量为铁液质量的1.2％，保温90s后，出炉；
(3)步骤(2)处理后的铁合金液进行浇注，浇注温度为1400～1450℃，铸造方式为金属型铸造，模具内放有一定量的二次孕育剂，二次孕育剂为FeSi75合金，粒度为1～3mm，加入量为铁液质量的0.6％，空冷至室温，最后得到铸态磨球；
(4)将铸态磨球样品升温至880℃，保温1.5h，再进行连续冷却淬火处理，连续冷却淬火过程中使用的介质是质量分数为15％的NaCl溶液；
(5)对步骤(4)处理后的磨球进行低温回火处理，回火温度200℃，保温1h，空冷至室温，得到贝氏体球墨铸铁磨球。
具体实施方式二：配料、熔炼和浇铸成型步骤与具体实施方式一相同，不同点在于所述贝氏体球墨铸铁磨球的成分百分比为：C：2.9％；Si：4.0％；Mn：1.9％；Mg：0.04％；RE：0.02％；P≤0.1％；S≤0.05％。相应的热处理工艺制度调整为：将铸态磨球升温至900℃，保温1.5h，淬火后，200℃低温回火1h，空冷到室温，得到低合金贝氏体球墨铸铁磨球。
本发明主要考察了经过连续冷却淬火和低温回火后的球墨铸铁的组织与性能。以实施方式一为例，铸态磨球的组织为珠光体、石墨和铁素体，石墨球化级别为3级，尺寸级别为8级；经过热处理后，其基体组织转变为针状下贝氏体、石墨和残余奥氏体，如图2所示。进一步检测得到，铸态磨球的平均硬度为29HRC，冲击韧性为4.5J/cm2；经过热处理后，磨球的平均硬度为50～53HRC，冲击韧性为23～30J/cm2。图3反映磨球试样在MLD-10型冲击磨损实验机中不同冲击功下的磨损结果。由图3可知，磨球试样在磨损实验机中磨损150min，冲击频率为200次/min，最大失重量为0.97g，冲击功越高，失重量越低。
综上所述，采用本发明制备的低合金球墨铸铁磨球具有良好的综合力学性能和优异的耐磨性。

Claims (6)

1.一种低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)按照成分重量比为：C：2.5～3.0％；Si：3.5～4.0％；Mn：1.5～2.0％；Mg：0.03～0.07％；RE：0.01～0.03％；P≤0.1％；S≤0.05％；余量为铁进行配料，然后在将原料放入中频感应炉中进行熔炼，得到铁合金液；
(2)控制铁合金液的温度为1450～1500℃，再加入一定量的球化剂和一次孕育剂，保温80～100s后，出炉；
(3)步骤(2)处理后的铁合金液进行浇注，浇注温度为1400～1450℃，铸造方式为金属型铸造，模具内放有一定量的二次孕育剂，空冷至室温，最后得到铸态磨球；
(4)将铸态磨球试样升温至840～920℃，保温1.5～2h，再进行连续冷却淬火处理；
(5)对步骤(4)处理后的磨球试样进行低温回火处理，回火温度180～220℃，保温1～1.5h，空冷至室温，得到贝氏体球墨铸铁磨球。
2.根据权利1所述的低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，铁合金液中的C、Si、Mn的质量百分数满足如下关系式：8.0％≤C+Si+Mn≤9％。
3.根据权利1所述的低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，球化剂为QRMg8RE3稀土镁合金，粒度为10～30mm，加入量为铁液质量的2.0％；一次孕育剂为FeSi75合金，粒度为1～3mm，加入量为铁液质量的1.2％。
4.根据权利1所述的低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，二次孕育剂为FeSi75合金，粒度为1～3mm，加入量为铁液质量的0.6％。
5.根据权利1所述的低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，连续冷却淬火过程中使用的介质是质量分数为12～15％的NaCl溶液。
6.根据权利1所述的低合金贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)和(5)中，具体工艺如下：将铸态磨球升温至880℃，保温1.5h，淬火后，200℃低温回火1h，空冷到室温，得到低合金贝氏体球墨铸铁磨球。
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