CN113637889B - 一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法 - Google Patents

一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法，按照如下重量百分比含量的化学组成成分：C：1.9‑2.7％、Si：0.5‑0.9％、Mn：0.4‑0.8％、Cr：13.0‑20.0％、Cu：0.3‑0.7％、B：0.4‑0.9％、Ti：0.2‑0.5％、S：≤0.03％、P：≤0.05％，其余为Fe及不可避免杂质进行配料并熔炼，得到熔炼液；向所得熔炼液中加入孕育剂进行孕育处理，再浇铸成型，得到球坯；将所得球坯加热至880‑980℃，保温1‑2h后，淬入盐浴中保温1‑3h，盐浴温度为160‑250℃，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球耐磨钢球性能稳定，硬度高，韧性好，耐磨性能优良，制备方法操作方便，工艺容易控制，产品质量稳定。

Description

一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法。
背景技术
钢铁耐磨材料在矿山领域有着广泛的应用前景和作用，随着技术的革新，传统材料逐渐被淘汰，取而代之的是多功能复合材料，多功能复合材料具有传统材料所不具有的优点如耐磨损、耐压、抗疲劳等。目前这些复合材料在铸铁领域尤其是耐磨球铸造制备中应用较为广泛，如根据耐磨球制备材料中金属铬的含量不同，将耐磨球分为高铬、中铬以及低铬，且不同铬含量的耐磨球其性能相差较大。
高铬铸铁磨球在干磨介质中，耐磨性好，但生产成本高，破碎率较高，低合金白口铸铁性能较差，目前较少使用，而中锰球铁磨球制造方便、生产成本低，但冲击韧性低，磨球破碎率高。现有技术中，减少高铬铸铁磨球破碎率的方法是进一步提高磨球硬度。公开专利CN109930057A中，其所提出的一种铬铸铁研磨体按质量百分含量的化学成分是：C：2.5-2.8％、Si≤0.5％、Mn：0.15-0.25％、Mo：0-2.5％、Cr：15-20％、Al：0.01-0.8％、Ni：0.05-0.10％、Re：0.1-0.2％、P≤0.05％、S≤0.05％，余量为Fe；该技术采用淬火+回火工艺，虽获得硬度HRC≥65的耐磨铸铁，但工艺复杂、热处理成本高。
目前，在高铬铸铁磨球容易破碎的现状下，除了需要增加钢球的硬度，还需要确保钢球具有足够韧性。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法，所得耐磨钢球性能稳定，硬度高，韧性好，耐磨性能优良，制备方法操作方便，工艺容易控制，产品质量稳定。
本发明提出的一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法，其具体包括如下步骤：
(1)、按照如下重量百分比含量的化学组成成分：C：1.9-2.7％、Si：0.5-0.9％、Mn：0.4-0.8％、Cr：13.0-20.0％、Cu：0.3-0.7％、B：0.4-0.9％、Ti：0.2-0.5％、S：≤0.03％、P：≤0.05％，其余为Fe及不可避免杂质进行配料并熔炼，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入孕育剂进行孕育处理，再浇铸成型，得到球坯；
(3)、将所得球坯加热至880-980℃，保温1-2h后，淬入盐浴中保温1-3h，盐浴温度为160-250℃，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，即得到所述耐磨钢球。
本发明所述耐磨钢球性能取决于金相组织，而一定的组织取决于热处理工艺，本发明化学成分是通过下述原理调控的：
碳(C)：C是调控高铬钢球强度和韧性的主要元素，在本发明所述合金组成中，为了避免C含量过高导致碳化物增加，碳化物虽然可以改善钢球耐磨性能，但是随着碳化物的含量增加韧性随之却下降，因此为了兼顾所得耐磨钢球的耐磨性和韧性，将钢球中C的含量控制为1.9-2.7％。
硅(Si)：Si是通过脱氧和固溶强化来有效提高强度的元素，但Si元素含量过高会导致钢的韧性下降，为了获得上述强度增强的效果，将钢球中Si的含量控制为0.5-0.9％。
锰(Mn)：Mn是可以有效增加淬火性同时提高钢强度和韧性的元素，但是Mn元素含量过高时，会使钢板有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能。为了确保所得钢球的硬度和韧性，Mn的含量控制为0.4-0.8％。
铬(Cr)：Cr是高铬钢球中的主要合金元素，当Cr含量大于12％时，碳化物主要为高硬度的铁铬碳化物，该碳化物使高铬钢球的耐磨性得到提升，但是Cr含量过高时，材料熔炼困难，通过将Cr含量控制为13.0-20.0％，可以便在Cr含量相对较低的前提下，获得最大含量的铁铬碳化物。
铜(Cu)：Cu是能够提高钢球淬透性并通过固溶强化来提高钢球强度和硬度的元素，但是Cu含量过高，则可能产生表面缺陷，并且热加工性可能劣化。为了综合考虑，Cu的含量控制为0.3-0.7％。
硼(B)：B是可以置换碳化物中部分C原子，形成含B合金碳化物，并且含B高铬耐磨钢球更容易诱发马氏体相变，增加钢球硬度，但是过高B的加入造成碳硼化合物数量增加，引起高铬钢球韧性下降，为了确保所得钢球的硬度和韧性，B的含量控制为0.4-0.9％。
钛(Ti)：高铬钢球中加入Ti可以强化碳化物，提高高铬钢球的强度和韧性，但是Ti加入量过多，将导致钛的化合物数量增加，却不利于钢球强度和韧性，因此综合两方面的性能，将Ti的含量控制为0.2-0.5％。
硫(S)：硫是在钢球中容易与Mn形成MnS夹杂物而使钢球韧性劣化的元素。因此将硫的含量控制为0.03％或更少。
磷(P)：磷是钢球中不可避免含有并使钢球韧性劣化的元素。因此将磷的含量控制为0.05％或更少。
本发明中，孕育剂的加入可以减少铁水中夹杂物数量，并改善夹杂物形态和分布，有利于提高高铬钢球的力学性能，特别是促进高铬铸铁强韧性的提高。
将所得球坯加热至880-980℃后保温，如此在加热阶段有利于充分进行奥氏体化，并避免奥氏体晶粒变粗，提高了增大淬火性能的效果。此后在盐浴中进行淬火，再将钢球快速冷却至200℃以下时，确保由快速冷却引起的相转变即马氏体组织。
优选地，C、Cr、B的含量配比为1:7.0-9.0:0.2-0.4。
高铬钢球中，由于B是可以置换碳化物中部分C原子形成含B合金碳化物，即铁铬硼化物，虽然铁铬硼化物具有良好的抵抗磨损的能力，但是铁铬硼化物过多形成时，所得钢球的强度和韧性就会大幅降低，因此将C、Cr、B的含量配比限定为1:7.0-9.0:0.2-0.4，可以形成含量适中的铁铬硼化物和铁铬碳化物，以便获得强度和韧性明显改善的高铬钢球。
优选地，所述孕育剂按重量百分比包括：Si：0.4-0.8％、Al：0.3-0.6％、Mo：0.03-0.09％，余量为Fe。
优选地，所述孕育剂的加入量是所得熔炼液总量的0.3-0.8wt％。
优选地，所述浇铸温度为1400-1450℃。
优选地，所述盐浴为50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物。
优选地，所述加热升温速率为10-20℃/min。
优选地，所述回火温度为180-220℃，回火时间为1-2h。
本发明还提出一种含硼高铬耐磨钢球，其是上述制备方法制备得到。
优选地，所述含硼高铬耐磨钢球的硬度为62-65HRC，冲击韧性为10-20J/cm2。
本发明所得含硼高铬耐磨钢球，其包含了马氏体和共晶碳化物的微观组织结构，共晶碳化物呈块状，且类似断裂网状不连续分布在基体上，因此在冲击实验中可以缓解应力集中，使所得高铬铸铁具有高硬度的同时，还具有高韧性。并且本发明所得含硼高铬耐磨钢球的化学成分中碳和铬含量较高，且不含镍、钒、铌等昂贵合金元素，因而具有较低的生产成本。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确，提出这些实施例用于举例说明，但并不解释为限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提出一种含硼高铬耐磨钢球，其制备方法包括如下步骤：
(1)、采用普通废钢、增碳剂、硅铁、锰铁铬铁、铜板、硼铁和钛铁在中频感应炉中进行熔炼，控制化学组成及重量百分比含量为：C：2.31％、Si：0.75％、Mn：0.64％、Cr：16.92％、Cu：0.58％、B：0.65％、Ti：0.35％、S：0.014％、P：0.033％，其余为Fe及不可避免杂质，当铁水温度为1510℃时出炉，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入熔炼液总量0.56wt％的中间铁合金作为孕育剂进行孕育处理，孕育剂化学组成及重量百分比含量为：Si：0.6％、Al：0.4％、Mo：0.06％，余量为Fe，经静置和扒渣处理后，当温度为1420℃时，直接从浇口杯中浇入铸型，得到球坯；
(3)、将所得球坯经清砂和打磨处理后，加热至930℃，保温1.5h后，放入温度为210℃的盐浴(50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物)中保温2h，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为200℃，保温时间为1.5h，之后空冷至室温，得到所述含硼高铬耐磨钢球。
对本实施例得到的含硼高铬耐磨钢球进行检测：硬度为64.3HRC，冲击韧性为18.2J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到20000次。
实施例2
本实施例提出一种含硼高铬耐磨钢球，其制备方法包括如下步骤：
(1)、采用普通废钢、增碳剂、硅铁、锰铁铬铁、铜板、硼铁和钛铁在中频感应炉中进行熔炼，控制化学组成及重量百分比含量为：C：1.95％、Si：0.87％、Mn：0.42％、Cr：19.19％、Cu：0.37％、B：0.88％、Ti：0.25％、S：0.021％、P：0.025％，其余为Fe及不可避免杂质，当铁水温度为1500℃时出炉，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入熔炼液总量0.35wt％的中间铁合金作为孕育剂进行孕育处理，孕育剂化学组成及重量百分比含量为：Si：0.6％、Al：0.4％、Mo：0.06％，余量为Fe，经静置和扒渣处理后，当温度为1430℃时，直接从浇口杯中浇入铸型，得到球坯；
(3)、将所得球坯经清砂和打磨处理后，加热至980℃，保温1h后，放入温度为160℃的盐浴(50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物)中保温3h，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为180℃，保温时间为2h，之后空冷至室温，得到所述含硼高铬耐磨钢球。
对本实施例得到的含硼高铬耐磨钢球进行检测：硬度为63.9HRC，冲击韧性为11.4J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到16000次。
实施例3
本实施例提出一种含硼高铬耐磨钢球，其制备方法包括如下步骤：
(1)、采用普通废钢、增碳剂、硅铁、锰铁铬铁、铜板、硼铁和钛铁在中频感应炉中进行熔炼，控制化学组成及重量百分比含量为：C：2.63％、Si：0.55％、Mn：0.79％、Cr：13.08％、Cu：0.66％、B：0.45％、Ti：0.49％、S：0.015％、P：0.034％，其余为Fe及不可避免杂质，当铁水温度为1490℃时出炉，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入熔炼液总量0.73wt％的中间铁合金作为孕育剂进行孕育处理，孕育剂化学组成及重量百分比含量为：Si：0.6％、Al：0.4％、Mo：0.06％，余量为Fe，经静置和扒渣处理后，当温度为1410℃时，直接从浇口杯中浇入铸型，得到球坯；
(3)、将所得球坯经清砂和打磨处理后，加热至880℃，保温2h后，放入温度为250℃的盐浴(50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物)中保温1h，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为220℃，保温时间为1h，之后空冷至室温，得到所述含硼高铬耐磨钢球。
对本实施例得到的含硼高铬耐磨钢球进行检测：硬度为64.7HRC，冲击韧性为10.3J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到15000次。
实施例4
本实施例提出一种含硼高铬耐磨钢球，其制备方法包括如下步骤：
(1)、采用普通废钢、增碳剂、硅铁、锰铁铬铁、铜板、硼铁和钛铁在中频感应炉中进行熔炼，控制化学组成及重量百分比含量为：C：2.18％、Si：0.80％、Mn：0.61％、Cr：18.78％、Cu：0.53％、B：0.72％、Ti：0.33％、S：0.016％、P：0.035％，其余为Fe及不可避免杂质，当铁水温度为1510℃时出炉，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入熔炼液总量0.60wt％的中间铁合金作为孕育剂进行孕育处理，孕育剂化学组成及重量百分比含量为：Si：0.6％、Al：0.4％、Mo：0.06％，余量为Fe，经静置和扒渣处理后，当温度为1430℃时，直接从浇口杯中浇入铸型，得到球坯；
(3)、将所得球坯经清砂和打磨处理后，加热至950℃，保温1.6h后，放入温度为220℃的盐浴(50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物)中保温1.5h，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为180℃，保温时间为1.8h，之后空冷至室温，得到所述含硼高铬耐磨钢球。
对本实施例得到的含硼高铬耐磨钢球进行检测：硬度为64.1HRC，冲击韧性为17.3J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到20000次。
实施例5
本实施例提出一种含硼高铬耐磨钢球，其制备方法包括如下步骤：
(1)、采用普通废钢、增碳剂、硅铁、锰铁铬铁、铜板、硼铁和钛铁在中频感应炉中进行熔炼，控制化学组成及重量百分比含量为：C：2.45％、Si：0.72％、Mn：0.61％、Cr：16.20％、Cu：0.55％、B：0.72％、Ti：0.35％、S：0.013％、P：0.028％，其余为Fe及不可避免杂质，当铁水温度为1510℃时出炉，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入熔炼液总量0.55wt％的中间铁合金作为孕育剂进行孕育处理，孕育剂化学组成及重量百分比含量为：Si：0.6％、Al：0.4％、Mo：0.06％，余量为Fe，经静置和扒渣处理后，当温度为1430℃时，直接从浇口杯中浇入铸型，得到球坯；
(3)、将所得球坯经清砂和打磨处理后，加热至920℃，保温1.6h后，放入温度为220℃的盐浴(50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物)中保温2.5h，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为210℃，保温时间为1h，之后空冷至室温，得到所述含硼高铬耐磨钢球。
对本实施例得到的含硼高铬耐磨钢球进行检测：硬度为62.7HRC，冲击韧性为13.6J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到18000次。
对比例1
本实施例提出一种含硼高铬耐磨钢球，其制备方法包括如下步骤：
(1)、采用普通废钢、增碳剂、硅铁、锰铁铬铁、铜板、硼铁和钛铁在中频感应炉中进行熔炼，控制化学组成及重量百分比含量为：C：2.34％、Si：0.72％、Mn：0.65％、Cr：16.43％、Cu：0.55％、Ti：0.33％、S：0.012％、P：0.028％，其余为Fe及不可避免杂质，当铁水温度为1510℃时出炉，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入熔炼液总量0.56wt％的中间铁合金作为孕育剂进行孕育处理，孕育剂化学组成及重量百分比含量为：Si：0.6％、Al：0.4％、Mo：0.06％，余量为Fe，经静置和扒渣处理后，当温度为1420℃时，直接从浇口杯中浇入铸型，得到球坯；
(3)、将所得球坯经清砂和打磨处理后，加热至950℃，保温1.5h后，放入温度为210℃的盐浴(50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物)中保温2h，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为200℃，保温时间为1.5h，之后空冷至室温，得到所述含硼高铬耐磨钢球。
对本实施例得到的含硼高铬耐磨钢球进行检测：硬度为57.4HRC，冲击韧性为7.1J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到8000次。
对比例2
本实施例提出一种含硼高铬耐磨钢球，其制备方法包括如下步骤：
(1)、采用普通废钢、增碳剂、硅铁、锰铁铬铁、铜板、硼铁和钛铁在中频感应炉中进行熔炼，控制化学组成及重量百分比含量为：C：2.35％、Si：0.72％、Mn：0.60％、Cr：12.3％、Cu：0.55％、B：1.12％、Ti：0.39％、S：0.013％、P：0.038％，其余为Fe及不可避免杂质，当铁水温度为1510℃时出炉，得到熔炼液；
(2)、向所得熔炼液中加入熔炼液总量0.56wt％的中间铁合金作为孕育剂进行孕育处理，孕育剂化学组成及重量百分比含量为：Si：0.6％、Al：0.4％、Mo：0.06％，余量为Fe，经静置和扒渣处理后，当温度为1420℃时，直接从浇口杯中浇入铸型，得到球坯；
(3)、将所得球坯经清砂和打磨处理后，加热至930℃，保温1.5h后，放入温度为210℃的盐浴(50wt％NaNO3和50wt％KNO3组成的混合物)中保温2h，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为200℃，保温时间为1.5h，之后空冷至室温，得到所述含硼高铬耐磨钢球。
对本实施例得到的含硼高铬耐磨钢球进行检测：硬度为52.5HRC，冲击韧性为9.8J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到6000次。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含硼高铬耐磨钢球的制备方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
（1）、按照如下重量百分比含量的化学组成成分：C：1.9-2.7%、Si：0.5-0.9%、Mn：0.4-0.8%、Cr：13.0-20.0%、Cu：0.3-0.7%、B：0.4-0.9%、Ti：0.2-0.5%、S：≤0.03%、P：≤0.05%，其余为Fe及不可避免杂质进行配料并熔炼，得到熔炼液；
（2）、向所得熔炼液中加入孕育剂进行孕育处理，再浇铸成型，得到球坯；
（3）、将所得球坯加热至880-980℃，保温1-2h后，淬入盐浴中保温1-3h，盐浴温度为160-250℃，取出后空冷至室温，再进行低温回火处理，回火温度为180-220℃，回火时间为1-2h，即得到所述耐磨钢球；
其中，C、Cr、B的含量配比为1:7.0-9.0:0.2-0.4。
2.根据权利要求1所述含硼高铬耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述孕育剂按重量百分比包括：Si：0.4-0.8%、Al：0.3-0.6%、Mo：0.03-0.09%，余量为Fe。
3.根据权利要求1-2任一项所述含硼高铬耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述孕育剂的加入量是所得熔炼液总量的0.3-0.8wt%。
4.根据权利要求1-2任一项所述含硼高铬耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述浇铸温度为1400-1450℃。
5.根据权利要求1-2任一项所述含硼高铬耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述盐浴为50wt%NaNO3和50wt%KNO3组成的混合物。
6.根据权利要求1-2任一项所述含硼高铬耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述加热升温速率为10-20℃/min。
7.一种含硼高铬耐磨钢球，其特征在于，其是权利要求1-6任一项所述制备方法制备得到。
8.根据权利要求7所述含硼高铬耐磨钢球，其特征在于，所述含硼高铬耐磨钢球的硬度为62-65HRC，冲击韧性为10-20J/cm2。
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