CN113088805B - 一种经济型高耐磨钢球及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本的经济型高耐磨钢球及其制造方法，化学成分按质量百分含量计为C：0.95‑1.10％，Si：0.10‑0.25％，Mn：0.85‑1.00％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：0.35‑0.70％，Ti：0.008‑0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本发明通过冶炼、连铸、连铸坯加热、圆钢棒轧制、空冷，得到轧制钢球用的圆钢棒，然后将圆钢棒加热到970℃‑1100℃保温烧透后在轧球机上轧制成钢球，随后将有余热的钢球进行水冷淬火，钢球淬火后进行回火，回火温度160‑200℃，保温时间≥2小时。本发明的高耐磨钢球合金含量低、生产工艺简单，具有成本低、硬度高、表面和心部的硬度差小、组织均匀细小等特征，在使用过程中耐磨损、不破损、不失圆，使用寿命长。

Description

一种经济型高耐磨钢球及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种经济型高耐磨钢球及其制造方法。属于金属材料技术领域。

背景技术

球磨机是对破碎后的物料进行粉碎的关键设备，被广泛应用于矿山、冶金、建材和化工工业等基础性行业。球磨机中的磨球是球磨机中粉碎矿石的关键部分，在球磨机工作时，磨球不但会反复与矿石之间相互摩擦、撞击，同时也存在磨球之间相互摩擦和撞击，这必然会带来磨球的破损和磨球的磨耗，这将会导致停机更换磨球和补充磨球的频率增加进而增大生产成本；因而，延长磨球的使用寿命、保证磨球一定的冲击韧性、防治开裂、降低磨球的磨耗就显得是极为重要的任务。

提高磨球的硬度是降低磨耗最有效的方式。磨球的正常磨损是大球变小球的磨损过程，只有在整个磨损过程中保持圆的外形，并保证磨球内部和外部均有足够的硬度和耐磨性，才能保证磨球磨粉的正常功效。如果磨球的硬度不均匀，就会导致磨损过程中失圆，如果磨球内外的硬度相差大，硬化层浅，则外层的硬化层磨损后，磨耗就会剧烈增加；所以，好的磨球应该内外硬度相差很小。冶金矿山用磨球的行业标准就规定了磨球表面、心部硬度差不得大于3HRC。此外，磨球组织和晶粒的细化不但有利于强度和硬度的提高，也有利于韧性的提高，可降低钢球开裂的风险。

合金元素的增加对减小钢球的内外硬度差和提高钢球的耐磨性都是非常有利的，但这首先会增加合金原料的成本，其次会增加生产难度和生产工艺的复杂性，从而导致制造成本也会增加；因此，研发一种物美价廉的磨球用钢具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种经济型高耐磨钢球及其制造方法，采用该发明制作的钢球，成本低，生产工艺简单，钢球金相组织为马氏体+少量的残余奥氏体+碳化物，钢球具有高的硬度和均匀细小的组织与晶粒，钢球内部和外层硬度均能达到58-62HRC，并且最大硬度差≤2.5HRC。采用本发明的钢球成本低，在钢球使用过程中耐磨损、不破损、不失圆，使用寿命长。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种经济型高耐磨钢球，化学成分按质量百分含量计为：C：0.95-1.10％，Si：0.10-0.25％，Mn：0.85-1.00％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：0.35-0.70％，Ti：0.008-0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

提高磨球的硬度是降低磨球磨耗最有效的方式，在钢中所有元素中，C是钢中最经济、最基本的强化元素，可非常有效地提高硬度和耐磨性，钢的硬度、强度和耐磨性随着钢中含碳量的增加而增加，但是，随着钢中含碳量的增加韧性也会出现降低的现象，而且也会使得钢球淬火后形成较多的残余奥氏体。为保证钢球具有足够高的硬度和一定的韧性，并且还要析出一定数量的碳化物使得钢球具有高的耐磨性，本发明中的C含量范围确定为0.95-1.10％。

2)Si含量的确定

Si是钢中常用的脱氧元素，它在钢中不形成碳化物，它固溶于铁素体中增加钢的硬度和强度，同时也会降低韧性，Si具有强化和提高淬透性的作用。当Si含量低于0.10％时，脱氧效果差；但Si含量过高时又会降低钢球的韧性。考虑到本发明中已经采用了最经济的、较高的C来进行强化了，所以，本发明的Si含量控制在≤0.25％的范围。因此，本发明的Si含量设计控制在0.10-0.25％一个比较窄的范围内，不但能起到良好脱氧效果、不降低韧性；而且还使得钢球的性能能够稳定在一个较窄的范围内。

3)Mn含量的确定

Mn是弱碳化物形成元素，在钢中主要以固溶的形式存在，Mn在钢中的主要作用是提高淬透性，保证钢球心部也容易淬火得到马氏体组织，减小钢球淬火后内外的硬度差，同时Mn也具有一定的固溶强化的效果，但过高的Mn含量有使晶粒粗化的倾向，从而导致容易出现淬火开裂和韧性降低的现象。为保证足够的淬透性并使晶粒不发生明显的粗化，本发明Mn含量的范围设定为0.85-1.00％。

4)P、S含量的确定

对钢球来说，P、S为杂质元素和有害元素，对钢棒及钢球的力学性能和热加工性能均有害；应尽量减少其含量，越低越好；但考虑到降低P含量和S含量的成本因素，本发明控制P≤0.030％，S≤0.030％。

5)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体中的Cr能使钢的C曲线右移，起到提高淬透性的作用，尤其是与其它合金元素(Mn、Ni、Mo等)适当搭配时，更能显著提高钢的淬透性，从而提高钢球整体的强度和硬度，并能保证钢球心部也容易淬火得到马氏体组织，减小钢球淬火后内外的硬度差，此外，在合金元素当中，Cr也不是贵重合金元素，它的价格也是比较低的。本发明Cr含量的范围设计为0.35-0.70％。

6)Ti含量的确定

Ti既是强碳化物形成元素，又是强氮化物形成元素。钢中的Ti与C和N结合形成TiN或Ti(C,N)质点，通过钉扎晶界能有效地阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。在高温析出的、弥散分布的TiN质点，对阻碍奥氏体晶粒长大最为有效，钢材加热到1200℃时，仍然具有细小的奥氏体晶粒；一般来说，Al与N结合形成AlN也可以细化晶粒，但AlN细化晶粒的温度是有限的，一般温度超过970℃后它就起不到细化晶粒的效果了，当温度进一步升高时采用Ti来细化晶粒是有效的措施，由于本发明的钢球轧制加热温度大多都在1000℃以上，所以，在本发明中采用Ti来细化晶粒。但是，Ti含量过高，一方面成本较高，另一方面也会形成大块的TiN化合物，对钢的质量和细化晶粒也是很不利的；根据试验研究结果，本发明设计Ti含量的范围为0.008-0.020％(目标值为0.015％)，这样的话，加Ti的成本就会很低，加入0.01％的Ti后每吨钢合金成本仅增加9元，虽然Ti的加入量比较少，但起到细化晶粒的效果却明显，可以明显提高韧性，正好可以弥补钢球采用高碳后会引起韧性降低的问题，既提高了硬度，又不会明显降低韧性，成本也低；因而该发明为经济型高耐磨钢球。

本发明的经济型高耐磨钢球制造方法包括：冶炼、连铸、连铸坯加热、圆钢棒轧制、空冷、圆钢棒加热、钢球轧制、钢球余热淬火、回火。具体步骤和方法如下：

1)按设计的成分进行冶炼，并将成分合格的钢水浇铸成连铸坯，连铸过程中控制中间包的钢水过热度≤35℃。

2)将上述1)所得的连铸坯置于轧钢加热炉中加热至1100～1250℃保温烧透后进入连轧机组轧制成圆钢棒，轧制后空冷。由于该成分具有合适的淬透性，该成分的钢棒轧制后空冷即可，无需缓冷，空冷后钢棒不会出现由于冷却较快出现的开裂等质量问题，生产工艺简单，效率也高。

3)将冷却后的圆钢棒在钢球轧制线的加热炉加热到970℃-1100℃保温烧透后出炉，然后在轧球机上轧制成钢球。为了保证获得细小的晶粒和组织，钢棒加热温度应严格控制在970-1100℃的范围内。

4)钢球轧制结束后，将有余热的钢球沿辊道进入淬火水槽中进行水冷淬火，淬火时钢球入水温度800℃-880℃，根据钢球的直径不同淬火时间20-250秒。

5)钢球淬火后进行回火，回火温度160-200℃，保温时间≥2小时。

通过设计合理的化学成分和与之相匹配的生产工艺，本发明制作的钢球，成本低，生产工艺简单，钢球表层和心部的组织均匀、晶粒细小，金相组织为马氏体+少量的残余奥氏体+碳化物，钢球内部和外层硬度均能达到58-62HRC，并且最大硬度差≤2.5HRC。本发明的钢球在使用过程中耐磨损、不破损、不失圆，使用寿命长。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、钢球表层和心部的组织均匀、细小，金相组织为马氏体+少量残余奥氏体+碳化物，钢球表面硬度和心部硬度均能达到58-62HRC，且钢球表面和心部的硬度之差≤2.5HRC。

2、采用该发明制作的钢球生产工艺简单、成本低，在使用过程中耐磨损、不破损、不失圆，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明实施例中圆钢棒材。

图2为本发明实施例中的钢球。

图3为本发明实施例中直径76.2mm(3英寸)的钢球的截面硬度分布。

图4为本发明实施例中钢球表层金相组织。

图5为本发明实施例中钢球心部金相组织。

图6为本发明实施例中钢球的表层晶粒。

图7为本发明实施例中钢球二分之一半径(R/2)处晶粒。

图8为本发明实施例中钢球心部晶粒。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用一种经济型高耐磨钢球及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1：

本实施例为直径76.2mm的钢球。化学成分及其质量百分含量如下：C：1.01％，Si：0.23％，Mn：0.92％，P：0.012％，S：0.011％，Cr：0.63％，Ti 0.013％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

采用的制造方法为：冶炼—连铸—连铸坯加热—轧制圆钢棒—空冷—钢球厂圆钢棒加热—钢球轧制—钢球余热淬火—回火—检验、入库。

更具体的是：选用废钢加生铁，按设计的成分进行冶炼，并将成分合格的钢水浇铸成250方的连铸坯，连铸过程中控制中间包的钢水过热度≤35℃。然后将连铸坯置于轧钢加热炉中加热至1100～1250℃保温120-150分钟后进入连轧机组轧制成直径75mm的圆钢棒，轧制后空冷。经上述制造流程制造的圆钢棒材在钢球厂加热炉加热，加热到970～1100℃保温60-90分钟后进轧球机轧制成76.2mm(3英寸)的钢球，然后将有余热的钢球沿辊道进入淬火水槽中淬火，淬火介质为不超过35℃的水，钢球在水中停留时间60-80S。钢球淬火后进行回火，回火温度180℃，保温时间2-2.5小时。得到的成品钢球如图2所示。测量钢球硬度显示，距表面3mm处硬度为60.5HRC，钢球二分之一半径处硬度为59HRC，钢球心部硬度为58.8HRC，钢球表面和心部硬度之差为1.7HRC。从钢球表面至心部的金相组织为回火马氏体(M)+少量残余奥氏体(Ar)+碳化物(K)。

实施例2：

本实施例为直径38.1mm(1.5英寸)的钢球。化学成分及其质量百分含量如下：C：0.99％，Si：0.18％，Mn：0.89％，P：0.009％，S：0.003％，Cr：0.40％，Ti 0.017％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

采用的制造方法为：冶炼—连铸—连铸坯加热—轧制圆钢棒—空冷—钢球厂圆钢棒加热—钢球轧制—钢球余热淬火—回火—检验、入库。

更具体的是：选用废钢加生铁，按设计的成分进行冶炼，并将成分合格的钢水浇铸成250方的连铸坯，连铸过程中控制中间包的钢水过热度≤35℃。然后将连铸坯置于轧钢加热炉中加热至1100～1250℃保温120-150分钟后进入连轧机组轧制成直径35mm的圆钢棒，轧制后空冷。经上述制造流程制造的圆钢棒材在钢球厂加热炉加热，加热到970～1100℃保温30-60分钟后进轧球机轧制成38.1mm(1.5英寸)的钢球，然后将有余热的钢球沿辊道进入淬火水槽中进行淬火，淬火介质为不超过35℃的水，钢球在水中停留时间30-50S。钢球淬火后进行回火，回火温度170℃，保温时间2-2.3小时。得到的成品钢球硬度测量为：距表面3mm处硬度为61.6HRC，钢球二分之一半径处硬度为61.3HRC，钢球心部硬度为60.1HRC，钢球表面和心部硬度之差为1.5HRC。从钢球表面至心部的金相组织为回火马氏体(M)+少量残余奥氏体(Ar)+碳化物(K)。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种经济型高耐磨钢球，其特征在于：所述钢球的化学成分按质量百分含量计为：C：0.99-1.10%，Si：0.10-0.25%，Mn：0.85-1.00%，P≤0.030%，S≤0.030%，Cr：0.35-0.70%，Ti：0.008-0.020%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；

所述钢球表面硬度和心部硬度均能达到58-62 HRC，且钢球表面和心部的硬度之差≤2.5 HRC；

从钢球表面至心部的金相组织为回火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物。

2.根据权利要求1所述的经济型高耐磨钢球，其特征在于：所述钢球的化学成分按质量百分含量计为： C：0.99-1.10%，Si：0.10-0.25%，Mn：0.85-1.00%，P≤0.030%，S≤0.030%，Cr：0.35-0.70%，Ti：0.015%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

3.一种如权利要求1所述的经济型高耐磨钢球的制造方法，其特征在于：所述方法包括：冶炼—连铸—连铸坯加热—轧制圆钢棒—空冷—钢球厂圆钢棒加热—钢球轧制—钢球余热淬火—回火—检验、入库，具体步骤如下：

1）按设计的成分进行冶炼，并将成分合格的钢水浇铸成连铸坯，连铸过程中控制中间包的钢水过热度≤35℃；

2）将上述1）所得的连铸坯置于轧钢加热炉中加热至1100～1250℃保温烧透后进入连轧机组轧制成圆钢棒，轧制后空冷；

3）将冷却后的圆钢棒在钢球轧制线的加热炉加热到970℃-1100℃保温烧透后出炉，然后在轧球机上轧制成钢球；

4）钢球轧制结束后，将有余热的钢球沿辊道进入淬火水槽中进行水冷淬火，淬火时钢球入水温度800℃-880℃，根据钢球的直径不同淬火时间20-250秒；

5）钢球淬火后进行回火，回火温度160-200℃，保温时间≥2小时。

4.根据权利要求3所述的一种经济型高耐磨钢球的制造方法，其特征在于：所述连铸坯加热后保温时间为120-150分钟。

5.根据权利要求3所述的一种经济型高耐磨钢球的制造方法，其特征在于：所述圆钢棒加热后保温时间为30-90分钟。

6.根据权利要求3所述的一种经济型高耐磨钢球的制造方法，其特征在于：所述水冷淬火的淬火介质为不超过35℃的水。

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