CN111088466A - 一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，涉及耐磨材料技术领域，具体工艺如下：1）将硼酸、石墨以及石油焦混匀后加入多孔碳化硅以及蒸馏水，模压成样坯，经高温煅烧得到碳化硅复合粉末；2）将铝青铜溶化后加入预热的碳化硅复合粉末，充分混合后维持温度为950‑980℃；3）将原料融化加入碳化硅复合粉末，充分混合后浇筑到模具中成型，待温度降至900‑950℃，将步骤2）中的铝青铜液浇铸到钢球表面，加压复合凝固成型，得到钢球胚体；4）钢球胚体热处理后经水淬淬火，再经回火处理即可。本发明提供的耐磨钢球加工工艺，使得钢球具有较高硬度的同时，抗冲击形变能力得到增强，有效的提高了耐磨钢球的质量，延长使用寿命。

Description

一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺
技术领域
本发明属于耐磨材料技术领域，具体涉及一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺。
背景技术
耐磨钢球是一种用于球磨机中的粉碎介质，用于粉碎磨机中的物料。耐磨钢球是粉碎工业的第一大耐磨材料消耗件，每年国内的选矿行业以及水泥工业都需要消耗大量各种材质的钢球，耐磨钢球作为球磨机重要的基础零部件，尤其是精密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用，其广泛用于水泥厂、发电厂等。
球磨机用耐磨钢球在运转过程中，工作条件十分复杂，当运动件高速运转时，钢球与其支撑装置之间主要以点或线相接触，承受着集中的周期性的交变载荷，其应力变化可由零到最大，再由最大到零，接触面积越小，承受的应力就越大，同时钢球还要承受由于离心力引起的负荷以及与其支撑装置之间产生的弹性变形，因此对耐磨钢球的抗冲击变形性能有着较高的要求。目前耐磨钢球主要是铬系合金和锰系合金，如高铬钢球、低铬钢球、多元合金钢球和钒钛合金钢球等，在使用过程中，存在着易发生形变的缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，具体制备方法如下：
1）将一定量的硼酸、石墨以及石油焦按照重量比为70-80:10-13:8-12，混匀后形成混合粉，然后加入混合粉重量2-5%的多孔碳化硅粉末以及混合粉重量5-8%的蒸馏水，搅拌均匀后在20-25MPa压力下模压成样坯，在80-90℃下干燥10-15h，然后在1700-1800℃空气气氛中煅烧40-70min，自然冷却至室温后取出，得到碳化硅复合粉末；利用碳化硅的多孔结构为碳化硼晶粒的生长提供生长位点，使得碳化硼晶粒在碳化硅孔隙中生长形成规则的晶粒结构，从而形成微凸体结构复合物，在可以钢球中起到承载作用，限制了钢球在高温作用下的塑性变形，从而可以防止钢球在热处理过程以及使用过程中产生变形开裂；
2）用无水乙醇将碳化硅复合粉末在400-600W下超声清洗10-20min，再用去离子水超声清洗10-15min，然后放入100-120℃干燥箱中烘干备用，使用中频感应电炉，在1000-1100℃下将材质为QA110-4-4的铝青铜圆棒溶化，将溶化后的铝青铜打渣、精炼，然后按照铝青铜液重量的5-8%，将备用的碳化硅复合粉末预热至400-500℃，迅速放入铝青铜液中充分混合，并维持铝青铜液温度为950-980℃；通过将碳化硅复合物加入到熔融的铝青铜水中，经过后续的加压处理，使得铝青铜液可以均匀的渗透进碳化硅中，形成碳化硅/铝青铜连续相复合物，通过将铝青铜液渗入碳化硅中，可以对铝青铜在高温下的膨胀起到制约作用，而且由于碳化硅复合物的孔隙是相连通的，使得铝青铜液形成连续填充，从而对铝青铜的膨胀制约性增强，可以有效的降低钢球在运转过程中，摩擦产生的高温造成钢球表面的变形；
3）将重量百分比为C1.3-1.6%、Si0.2-0.4%、Mn1.2-1.5%、Cr2.7-3.2%、Mo0.2-0.3%、Ti0.21-0.26%、Zr0.25-0.29%、Nb0.03-0.07%、Ta0.02-0.03%、B0.03-0.04%、P≤0.03%、S≤0.03%、其余为Fe和不可避免的杂质的原料放入真空感应炉中，升温至1460-1530℃，待完全融化后形成钢水，扒渣后按照钢水总重量的0.6-1.3%，加入碳化硅复合粉末，充分混合后将形成的钢水在1380-1420℃下浇筑到模具中成型，待温度降至900-950℃，按照钢球重量的1-1.5%，将步骤2）中的铝青铜液浇铸到钢球表面，在25-35MPa下加压复合凝固成型，待合金溶体凝固后开模，取出空冷至室温，得到钢球胚体；通过将铝青铜液加注到钢球表面，进行加压复合凝固成型，有利于钢球表面的铝青铜液渗入碳化硅复合物中，同时铝青铜液还可以填充钢球成型过程中形成的少量孔隙，起到平滑钢球表面的作用；通过在钢球表面形成含有碳化硅复合物/铝青铜连续相复合物的复合层，复合层中的碳化硅复合物骨架一方面可以增强其对应力的承受作用，同时可以使钢球运转时产生的热量的传递和扩散减缓，从而使得钢球能够抵抗热冲击而不发生损坏，从而提高钢球的抗冲击形变能力；
4）钢球胚体放入电炉中，以2.5-4.5℃/min的升温速度，升温至600-640℃，保温1-1.5h，再升温至830-870℃，保温2-3h，经水淬淬火，冷却至室温，再升温至220-260℃进行回火处理，保温2-3h，冷却至室温即可。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提供的耐磨钢球加工工艺，通过将微凸体结构的碳化硅复合物加入到钢水原料中，在可以钢球中起到承载作用，限制了钢球在高温作用下的塑性变形，从而可以防止钢球在热处理过程中产生变形开裂，并且在钢球的凝固成型过程中，将含有碳化硅复合物的铝青铜液浇铸在钢球表面，通过加压复合成型，使得铝青铜液均匀渗入碳化硅复合物孔隙中的同时，使得碳化硅复合物也渗透进钢球表层，从而在钢球表面形成了含有碳化硅复合物/铝青铜连续相复合物的复合层，复合层中的碳化硅复合物骨架一方面可以增强其对应力的承受作用，同时可以使钢球运转时产生的热量的传递和扩散减缓，从而使得钢球能够抵抗热冲击而不发生损坏，从而提高钢球的抗冲击形变能力，有效的提高了耐磨钢球的质量，延长使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，具体制备方法如下：
1）将一定量的硼酸、石墨以及石油焦按照重量比为70:10:8，混匀后形成混合粉，然后加入混合粉重量2%的多孔碳化硅粉末以及混合粉重量5%的蒸馏水，搅拌均匀后在20MPa压力下模压成样坯，在80℃下干燥10h，然后在1700℃空气气氛中煅烧40min，自然冷却至室温后取出，得到碳化硅复合粉末；
2）用无水乙醇将碳化硅复合粉末在400W下超声清洗10min，再用去离子水超声清洗10min，然后放入100℃干燥箱中烘干备用，使用中频感应电炉，在1000℃下将材质为QA110-4-4的铝青铜圆棒溶化，将溶化后的铝青铜打渣、精炼，然后按照铝青铜液重量的5%，将备用的碳化硅复合粉末预热至400℃，迅速放入铝青铜液中充分混合，并维持铝青铜液温度为950℃；
3）将重量百分比为C1.3%、Si0.2%、Mn1.2%、Cr2.7%、Mo0.2%、Ti0.21%、Zr0.25%、Nb0.03%、Ta0.02%、B0.03%、P≤0.03%、S≤0.03%、其余为Fe和不可避免的杂质的原料放入真空感应炉中，升温至1460℃，待完全融化后形成钢水，扒渣后按照钢水总重量的0.6%，加入碳化硅复合粉末，充分混合后将形成的钢水在1380℃下浇筑到模具中成型，待温度降至900℃，按照钢球重量的1%，将步骤2）中的铝青铜液浇铸到钢球表面，在25MPa下加压复合凝固成型，待合金溶体凝固后开模，取出空冷至室温，得到钢球胚体；
4）钢球胚体放入电炉中，以2.5℃/min的升温速度，升温至600℃，保温1h，再升温至830℃，保温2h，经水淬淬火，冷却至室温，再升温至220℃进行回火处理，保温2h，冷却至室温即可。
采用本实施例的加工工艺，制得规格为φ30mm的钢球，将钢球在摆锤式冲击试验机上参照GB229-63《金属常温冲击韧性试验方法》进行试验，共进行10个试样的测试，得到的结果为冲击韧性39J/cm2，将试样在洛氏硬度计上按GB/T230.1-2004《金属洛氏硬度试验方法》进行硬度测试，结果为56HRC。
实施例2
一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，具体制备方法如下：
1）将一定量的硼酸、石墨以及石油焦按照重量比为75:11:10，混匀后形成混合粉，然后加入混合粉重量3%的多孔碳化硅粉末以及混合粉重量7%的蒸馏水，搅拌均匀后在23MPa压力下模压成样坯，在85℃下干燥12h，然后在1750℃空气气氛中煅烧50min，自然冷却至室温后取出，得到碳化硅复合粉末；
2）用无水乙醇将碳化硅复合粉末在500W下超声清洗15min，再用去离子水超声清洗12min，然后放入110℃干燥箱中烘干备用，使用中频感应电炉，在1050℃下将材质为QA110-4-4的铝青铜圆棒溶化，将溶化后的铝青铜打渣、精炼，然后按照铝青铜液重量的6%，将备用的碳化硅复合粉末预热至450℃，迅速放入铝青铜液中充分混合，并维持铝青铜液温度为960℃；
3）将重量百分比为C1.5%、Si0.3%、Mn1.4%、Cr3.0%、Mo0.25%、Ti0.23%、Zr0.27%、Nb0.05%、Ta0.02%、B0.03%、P≤0.03%、S≤0.03%、其余为Fe和不可避免的杂质的原料放入真空感应炉中，升温至1500℃，待完全融化后形成钢水，扒渣后按照钢水总重量的0.8%，加入碳化硅复合粉末，充分混合后将形成的钢水在1400℃下浇筑到模具中成型，待温度降至930℃，按照钢球重量的1.3%，将步骤2）中的铝青铜液浇铸到钢球表面，在30MPa下加压复合凝固成型，待合金溶体凝固后开模，取出空冷至室温，得到钢球胚体；
4）钢球胚体放入电炉中，以3℃/min的升温速度，升温至620℃，保温1.3h，再升温至850℃，保温2.5h，经水淬淬火，冷却至室温，再升温至240℃进行回火处理，保温2.5h，冷却至室温即可。
采用本实施例的加工工艺，制得规格为φ30mm的钢球，将钢球在摆锤式冲击试验机上参照GB229-63《金属常温冲击韧性试验方法》进行试验，共进行10个试样的测试，得到的结果为冲击韧性41J/cm2，将试样在洛氏硬度计上按GB/T230.1-2004《金属洛氏硬度试验方法》进行硬度测试，结果为54HRC。
实施例3
一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，具体制备方法如下：
1）将一定量的硼酸、石墨以及石油焦按照重量比为80:13:12，混匀后形成混合粉，然后加入混合粉重量5%的多孔碳化硅粉末以及混合粉重量8%的蒸馏水，搅拌均匀后在25MPa压力下模压成样坯，在90℃下干燥15h，然后在1800℃空气气氛中煅烧70min，自然冷却至室温后取出，得到碳化硅复合粉末；
2）用无水乙醇将碳化硅复合粉末在600W下超声清洗20min，再用去离子水超声清洗15min，然后放入120℃干燥箱中烘干备用，使用中频感应电炉，在1100℃下将材质为QA110-4-4的铝青铜圆棒溶化，将溶化后的铝青铜打渣、精炼，然后按照铝青铜液重量的8%，将备用的碳化硅复合粉末预热至500℃，迅速放入铝青铜液中充分混合，并维持铝青铜液温度为980℃；
3）将重量百分比为C1.6%、Si0.4%、Mn1.5%、Cr3.2%、Mo0.3%、Ti0.26%、Zr0.29%、Nb0.07%、Ta0.03%、B0.04%、P≤0.03%、S≤0.03%、其余为Fe和不可避免的杂质的原料放入真空感应炉中，升温至1530℃，待完全融化后形成钢水，扒渣后按照钢水总重量的1.3%，加入碳化硅复合粉末，充分混合后将形成的钢水在1420℃下浇筑到模具中成型，待温度降至950℃，按照钢球重量的1.5%，将步骤2）中的铝青铜液浇铸到钢球表面，在35MPa下加压复合凝固成型，待合金溶体凝固后开模，取出空冷至室温，得到钢球胚体；
4）钢球胚体放入电炉中，以4.5℃/min的升温速度，升温至640℃，保温1.5h，再升温至870℃，保温3h，经水淬淬火，冷却至室温，再升温至260℃进行回火处理，保温3h，冷却至室温即可。
采用本实施例的加工工艺，制得规格为φ30mm的钢球，将钢球在摆锤式冲击试验机上参照GB229-63《金属常温冲击韧性试验方法》进行试验，共进行10个试样的测试，得到的结果为冲击韧性40J/cm2，将试样在洛氏硬度计上按GB/T230.1-2004《金属洛氏硬度试验方法》进行硬度测试，结果为55HRC。
对照组1
1）将一定量的硼酸、石墨以及石油焦按照重量比为80:13:12，混匀后形成混合粉，然后加入混合粉重量5%的多孔碳化硅粉末以及混合粉重量8%的蒸馏水，搅拌均匀后在25MPa压力下模压成样坯，在90℃下干燥15h，然后在1800℃空气气氛中煅烧70min，自然冷却至室温后取出，得到碳化硅复合粉末；2）将重量百分比为C1.6%、Si0.4%、Mn1.5%、Cr3.2%、Mo0.3%、Ti0.26%、Zr0.29%、Nb0.07%、Ta0.03%、B0.04%、P≤0.03%、S≤0.03%、其余为Fe和不可避免的杂质的原料放入真空感应炉中，升温至1530℃，待完全融化后形成钢水，扒渣后按照钢水总重量的1.3%，加入碳化硅复合粉末，充分混合后将形成的钢水在1420℃下浇筑到模具中成型，待合金溶体凝固后开模，取出空冷至室温，得到钢球胚体；3）钢球胚体放入电炉中，以4.5℃/min的升温速度，升温至640℃，保温1.5h，再升温至870℃，保温3h，经水淬淬火，冷却至室温，再升温至260℃进行回火处理，保温3h，冷却至室温即可。
采用该对照组的加工工艺，制得规格为φ30mm的钢球，将钢球在摆锤式冲击试验机上参照GB229-63《金属常温冲击韧性试验方法》进行试验，共进行10个试样的测试，得到的结果为冲击韧性32J/cm2，将试样在洛氏硬度计上按GB/T230.1-2004《金属洛氏硬度试验方法》进行硬度测试，结果为59HRC。
对照组2
1）将一定量的硼酸、石墨以及石油焦按照重量比为80:13:12，混匀后形成混合粉，然后加入混合粉重量5%的多孔碳化硅粉末以及混合粉重量8%的蒸馏水，搅拌均匀后在25MPa压力下模压成样坯，在90℃下干燥15h，然后在1800℃空气气氛中煅烧70min，自然冷却至室温后取出，得到碳化硅复合粉末；2）用无水乙醇将碳化硅复合粉末在600W下超声清洗20min，再用去离子水超声清洗15min，然后放入120℃干燥箱中烘干备用，使用中频感应电炉，在1100℃下将材质为QA110-4-4的铝青铜圆棒溶化，将溶化后的铝青铜打渣、精炼，然后按照铝青铜液重量的8%，将备用的碳化硅复合粉末预热至500℃，迅速放入铝青铜液中充分混合，并维持铝青铜液温度为980℃；3）将重量百分比为C1.6%、Si0.4%、Mn1.5%、Cr3.2%、Mo0.3%、Ti0.26%、Zr0.29%、Nb0.07%、Ta0.03%、B0.04%、P≤0.03%、S≤0.03%、其余为Fe和不可避免的杂质的原料放入真空感应炉中，升温至1530℃，待完全融化后形成钢水，将钢水在1420℃下浇筑到模具中成型，待温度降至950℃，按照钢球重量的1.5%，将步骤2）中的铝青铜液浇铸到钢球表面，在35MPa下加压复合凝固成型，待合金溶体凝固后开模，取出空冷至室温，得到钢球胚体；4）钢球胚体放入电炉中，以4.5℃/min的升温速度，升温至640℃，保温1.5h，再升温至870℃，保温3h，经水淬淬火，冷却至室温，再升温至260℃进行回火处理，保温3h，冷却至室温即可。
采用本实施例的加工工艺，制得规格为φ30mm的钢球，将钢球在摆锤式冲击试验机上参照GB229-63《金属常温冲击韧性试验方法》进行试验，共进行10个试样的测试，得到的结果为冲击韧性34J/cm2，将试样在洛氏硬度计上按GB/T230.1-2004《金属洛氏硬度试验方法》进行硬度测试，结果为57HRC。
空白组
选用宁国市华夏耐磨材料有限公司生产的牌号为ZQCr10，规格为φ30mm的高铬合金铸球，将铸球在摆锤式冲击试验机上参照GB229-63《金属常温冲击韧性试验方法》进行试验，共进行10个试样的测试，得到的结果为冲击韧性24J/cm2，将试样在洛氏硬度计上按GB/T230.1-2004《金属洛氏硬度试验方法》进行硬度测试，结果为62HRC。
通过对上述实施例、对照组以及空白组的钢球进行测试的结果可知，本发明提供的耐磨钢球，在钢球的硬度达到行业需求标准的同时，其冲击韧性得到显著提升，其抗冲击形变的性能得到增强，有效的提高了耐磨钢球的质量，延长使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，其特征在于，具体制备方法如下：
1）将一定量的硼酸、石墨以及石油焦混匀后形成混合粉，然后加入适量的多孔碳化硅粉末以及一定量的蒸馏水，搅拌均匀后模压成样坯，干燥后在1700-1800℃空气气氛中煅烧40-70min，自然冷却至室温后取出，得到碳化硅复合粉末；
2）用无水乙醇将碳化硅复合粉末进行超声清洗10-20min，再用去离子水超声清洗10-15min，然后放入100-120℃干燥箱中烘干备用，使用中频感应电炉，在1000-1100℃下将铝青铜溶化，将溶化后的铝青铜打渣、精炼，然后将备用的碳化硅复合粉末预热至400-500℃，迅速放入铝青铜液中充分混合，并维持铝青铜液温度为950-980℃；
3）将一定重量百分比的原料放入真空感应炉中，升温至1460-1530℃，待完全融化后扒渣，然后加入少量的碳化硅复合粉末，充分混合后将形成的钢水浇筑到模具中成型，待温度降至900-950℃，将步骤2）中的铝青铜液浇铸到钢球表面，在25-35MPa下加压复合凝固成型，待合金溶体凝固后开模，取出空冷至室温，得到钢球胚体；
4）钢球胚体放入电炉中，升温至600-640℃，保温1-1.5h，再升温至830-870℃，保温2-3h，经水淬淬火，冷却至室温，再升温至220-260℃进行回火处理，保温2-3h，冷却至室温即可。
2.如权利要求1所述的一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，其特征在于，制备步骤1）中，所述硼酸、石墨以及石油焦的重量比为70-80:10-13:8-12；所述多孔碳化硅粉末的添加量为混合粉重量的2-5%；所述蒸馏水的添加量为混合粉重量的5-8%；所述样坯模压的压力为20-25MPa；所述干燥温度为80-90℃，干燥时间10-15h。
3.如权利要求1所述的一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，其特征在于，制备步骤2）中，所述超声清洗的功率为400-600W；所述碳化硅复合粉末的添加量为铝青铜液重量的5-8%；所述铝青铜的材质为QA110-4-4。
4.如权利要求1所述的一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，其特征在于，制备步骤3）中，所述原料中，C1.3-1.6%、Si0.2-0.4%、Mn1.2-1.5%、Cr2.7-3.2%、Mo0.2-0.3%、Ti0.21-0.26%、Zr0.25-0.29%、Nb0.03-0.07%、Ta0.02-0.03%、B0.03-0.04%、P≤0.03%、S≤0.03%、其余为Fe和不可避免的杂质；所述碳化硅复合粉末的添加量为钢水总重量的0.6-1.3%；所述钢水浇铸温度为1380-1420℃；所述铝青铜液的浇铸量为钢球重量的1-1.5%。
5.如权利要求1所述的一种耐磨钢球抗冲击形变性能增强的加工工艺，其特征在于，制备步骤4）中，所述升温速度均为2.5-4.5℃/min。
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