CN109852876B - 一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，包括如下工艺步骤：1)冶炼：合金冶炼，经过真空感应炉冶炼并控制磨球材料的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.65‑2.95％，Si为0.48‑0.56％，Mn为0.74‑1.74％，Cr为17.1‑21.2％，V为0.24‑0.55％，Ti为0.21‑0.29％，RE<0.1％，余量为Fe；2)应力退火：冶炼结束后，钢锭在200℃下进行去应力退火；3)热处理：400℃预热30min，600℃预热30min，960℃保温4h，冷却到750℃等温3h，随炉冷却到室温；4)去皮，采用机加工方法剥去氧化皮；5)硬化处理工艺，940℃保温2h，出炉空冷。
Description
技术领域
本发明属于磨球材料领域，具体涉及一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法。
背景技术
在建材、选矿、水泥、火力发电及化肥生产的主要研磨设备中，磨球是损耗量最大的抗磨件。因此，随着建材等重点工业的不断发展，对磨球的性能要求会越来越高，对磨球的需求量会越来越大。
仅据近年来不完全统计，全国每年就消耗数百万吨各种磨球，价值达数十亿元，2004年北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了世界一次能源的1/3。我国每年因磨损造成的经济损失在1000亿元人民币以上，仅磨料磨损每年就要消耗300多万t金属耐磨材料，且还以每年15％的速度在增长。高寿命耐磨材料的研制和使用，关系到国民经济的长期稳定发展。由此可见磨球产业在我国的发展起越来越重要的作用，但同时也出现了新产品研制滞后，工艺落后等问题，目前，国内用于磨球生产的材质主要是铬系白口铸铁。高铬合金铸铁虽有耐磨性高、破碎率低的优点，但是由于必须加入较多的合金元素及用电炉熔炼等原因，使得磨球成本较高，例如添加高成本，难得到的Ni和W等来改善磨球的韧性。
目前磨球材料的主要发展趋势是高强度、高耐磨性、高韧性，材料良好的耐磨性和强度是优质耐磨材料的基本特征。要保证材料各项性能达到要求，在对磨球材料的成分和组织进行严格控制的同时，还要求选择好合适的磨球基体，添加稀土、钒、钛等有益金属含量的控制，还要尽量降低钢种的有害物质和气体的含量，减少钢中的杂物。目前，添加有益金属已成为改善磨球质量主要途径，是保证磨球材料综合性能的主要措施和手段。
如何利用国内富有的钒、钛资源，采用先进的铸造技术研制、生产一种强韧性高铬铸铁磨球，以解决大型球磨机研磨体依赖进口的难题，这不仅对于促进我国水泥工业的发展而且对于促进电力、冶金选矿行业各类球磨机研磨体的更新换代、提高生产效率均具有重大经济价值。为了提高磨球材料的耐磨性、强度等性质，是本领域技术人员需不断攻克的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，所述方法通过有效利用其它原料以代替现有技术中常使用的Ni和W元素，实现所制备的磨球材料不仅性能好，还能降低成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，包括如下工艺步骤：
1)冶炼：合金冶炼，经过真空感应炉冶炼并控制磨球材料的组分在以下范围，按质量分数计，包含如下组分：C为2.65-2.95％，Si为0.48-0.56％，Mn为0.74-1.74％，Cr为17.1-21.2％，V为0.24-0.55％，Ti为0.21-0.29％，RE<0.1％，余量为Fe；
2)应力退火：冶炼结束后，钢锭在200℃下进行去应力退火；
3)热处理：400℃预热30min，600℃预热30min，960℃保温4h，冷却到750℃等温3h，随炉冷却到室温；
4)去皮，采用机加工方法剥去氧化皮；
5)硬化处理工艺，940℃保温2h，出炉空冷。
作为以上方案的优选，所述步骤1)中磨球的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.8％，Si为0.56％，Mn为0.82％，Cr为17.9％，V为0.48％，Ti为0.24％，RE<0.1％，余量为Fe。
作为以上方案的优选，所述步骤1)中磨球的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.7％，Si为0.48％，Mn为0.82％，Cr为17.1％，V为0.41％，Ti为0.21％，RE<0.1％，余量为Fe。
作为以上方案的优选，所述步骤1)中磨球的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.65％，Si为0.52％，Mn为0.74％，Cr为18.4％，V为0.55％，Ti为0.29％，RE<0.1％，余量为Fe。
进一步，所述磨球材料的洛氏硬度为61.7-63.7HRC，冲击韧性为1.5-2.3J。
本发明的有益效果在于：
本发明通过合理的搭配原材料组分以及控制其含量，通过电镜及能谱分析对试样进行分析发现，少量钒、钛的加入，会形成TiC及VC等化合物，所形成的奥氏体不但提高了材料的硬度，而且保证了材料的韧性。可实现所制备的磨球的耐磨性能和韧性较传统的磨球材料更为优化，可达到或优于现有技术中常使用的Ni和W元素制备的磨球材料所呈现的性能，但从成本上远远低于使用Ni和W元素。
附图说明
图1为实施例1所制备的磨球材料的含量检测图；
图2为实施例2所制备的磨球材料的含量检测图；
图3为实施例3所制备的磨球材料的含量检测图；
图4为实施例4所制备的磨球材料的含量检测图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明做出更详细的说明：
实施例1
一种高硬度高韧性磨球材料，其重量百分比组成为：C为2.8％，Si为0.56％，Mn为0.82％，Cr为17.9％，V为0.48％，Ti为0.24％，RE<0.1％，余量为Fe。
实施例2
一种高硬度高韧性磨球材料，其重量百分比组成为：C为2.7％，Si为0.48％，Mn为0.82％，Cr为17.1％，V为0.41％，Ti为0.21％，RE<0.1％，余量为Fe。
实施例3
一种高硬度高韧性磨球材料，其重量百分比组成为：C为2.65％，Si为0.52％，Mn为0.74％，Cr为18.4％，V为0.55％，Ti为0.29％，RE<0.1％，余量为Fe。
实施例4(基样)
一种高硬度高韧性新型磨球材料，其重量百分比组成为：C为2.95％，Si为0.51％，Mn为1.74％，Cr为21.2％，Ni为0.44％，W为0.42％，RE<0.1％，余量为Fe。
以上实施例均按照如下所述方法进行制备：
1)冶炼：合金冶炼，经过真空感应炉冶炼并控制其成分在上述范围；
2)应力退火：冶炼结束后，钢锭在200℃下进行去应力退火；
3)热处理：400℃预热30min，600℃预热30min，960℃保温4h，冷却到750℃等温3h，随炉冷却到室温；
4)去皮，采用机加工方法剥去氧化皮；然后用线切割方式切出拉伸试样、冲击试样、硬度试样、磨损试样的毛坯；
5)硬化处理工艺，940℃保温2h，出炉空冷。
下面分别采用TH550型洛氏硬度计，以GB/T 230.1-2004为测试标准测试实施例1～4所制备磨球材料的洛氏硬度；采用摆锤式冲击试验机(JBNS-300型号)，以GB/T 229-2007为测试标准测试实施例1～4所制备磨球材料的的韧性；采用往复式磨损实验机，用坚硬的SiC为对磨材料，用万分之一克分析天平称量试件磨损前后的质量。得到如表1所示的性能参数表。
表1实施例1-4的具体性能参数
由上表可反映出，本发明实施例1～3所制备的磨球材料从洛氏硬度、冲击韧性、耐磨性能与实施例4使用的Ni和W元素制备的磨球材料基本相近或更优。
进一步对实施例1～4所制备的磨球材料中碳化物进行检测，分别得到如表1～表4所示的含量，以及图1～图4的含量检测图。
表1实施例1磨球材料碳化物含量
表2实施例2磨球材料碳化物含量
| Element | Wt％ | At％ |
| CK | 05.79 | 21.54 |
| TiK | 00.40 | 00.37 |
| VK | 02.15 | 01.88 |
| CrK | 49.20 | 42.25 |
| MnK | 01.54 | 01.25 |
| FeK | 40.92 | 32.71 |
表3实施例3磨球材料碳化物含量
| Element | Wt％ | At％ |
| CK | 06.02 | 22.23 |
| TiK | 00.39 | 00.36 |
| VK | 02.58 | 02.25 |
| CrK | 49.11 | 41.88 |
| MnK | 01.21 | 00.97 |
| FeK | 40.69 | 32.31 |
表4实施例4磨球材料碳化物含量
| Element | Wt％ | At％ |
| CK | 05.37 | 20.33 |
| SiK | 00.23 | 00.38 |
| CrK | 52.38 | 45.82 |
| MnK | 02.41 | 01.99 |
| FeK | 38.23 | 31.14 |
| WL | 01.38 | 00.34 |
对图1～图4及表1～表4进行解析可得出，四种材料中，由于碳化物的形成，基体中含铬量在11～12％左右，而实施例1～实施例3材料除了Cr7C3化合物外，还存在TiC及VC等化合物，有利于耐磨性的提高，而实施例4基样中则只有Cr7C3，没有TiC及VC等化合物，故其耐磨性不如实施例1～实施例3。
由以上实施例可验证本发明通过合理的搭配原材料组分以及控制其含量，通过电镜及能谱分析对试样进行分析发现，少量钒、钛的加入，会形成TiC及VC等化合物，所形成的奥氏体不但提高了材料的硬度，而且保证了材料的韧性。可实现所制备的磨球的耐磨性能和韧性较传统的磨球材料更为优化，可达到或优于现有技术中常使用的Ni和W元素制备的磨球材料所呈现的性能，但从成本上远远低于使用Ni和W元素。
最后说明的是，对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
1)冶炼：合金冶炼，经过真空感应炉冶炼并控制磨球材料的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.65-2.95％，Si为0.48-0.56％，Mn为0.74-1.74％，Cr为17.1-21.2％，V为0.24-0.55％，Ti为0.21-0.29％，RE<0.1％，余量为Fe；
2)应力退火：冶炼结束后，钢锭在200℃下进行去应力退火；
3)热处理：400℃预热30min，600℃预热30min，960℃保温4h，冷却到750℃等温3h，随炉冷却到室温；
4)去皮，采用机加工方法剥去氧化皮；
5)硬化处理工艺，940℃保温2h，出炉空冷。
2.根据权利要求1所述一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中磨球的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.8％，Si为0.56％，Mn为0.82％，Cr为17.9％，V为0.48％，Ti为0.24％，RE<0.1％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中磨球的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.7％，Si为0.48％，Mn为0.82％，Cr为17.1％，V为0.41％，Ti为0.21％，RE<0.1％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中磨球的组分，按质量分数计，包含如下组分：C为2.65％，Si为0.52％，Mn为0.74％，Cr为18.4％，V为0.55％，Ti为0.29％，RE<0.1％，余量为Fe。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种高硬度高韧性磨球材料的制备方法，其特征在于：所述磨球材料洛氏硬度为61.7-63.7HRC，冲击韧性为1.5-2.3J。
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