CN113652606B - 一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备方法 - Google Patents

一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备方法，所述耐磨钢球包括如下组分：C：0.5％‑0.8％、Si：0.8％‑1.3％、Mn：0.6％‑1.2％、Cr：1.0％‑2.0％、Ni：0.1％‑0.6％、Cu：0.3％‑0.8％、V：0.01％‑0.05％、P：≤0.03％、S：≤0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；并且，[C]/[V]≥18，且[Ni]+[Cu]≥0.9％，[C]、[V]、[Ni]、[Cu]分别为C、V、Ni、Cu的质量百分比含量。本发明提出的一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备方法，该耐磨钢球具有高硬度和优异韧性的优点，大大提高了其作为耐磨钢球的耐磨性能。

Description

一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备方法。
背景技术
作为球磨机和半自磨机中的主要研磨介质，耐磨钢球在生产过程中起着对物料破碎研磨的作用。粉末加工涉及到冶金、选矿、建材水泥、化工、耐火材料、电力磨煤等多个工业领域，广泛采用的研磨设备为球磨机，其研磨介质为磨球(也称为钢球)。据相关信息显示，国内市场磨球消耗量很高，达到200万吨以上，在这之中冶金矿山损耗的磨球数量占到总量的百分之七十以上。磨球的巨大损耗引起了人们的重视，其质量好坏直接影响到生产成本和生产效率。
过去我国主要是应用低碳钢轧锻球，由于性能比较低，近几年新开发的高性能磨球材料主要有两大类七个品种，分别是中高碳钢锻球，贝氏体钢锻压球，高铬合金铸铁磨球，中铬合金铸铁磨球，低铬合金铸铁磨球，贝氏体球墨铸铁磨球，贝/马复相球墨铸铁磨球。虽然最高硬度都能达到50HRC以上，但是冲击韧性只有贝氏体钢超过了17J/cm2，其余的钢种由于冲击韧性不好，在较大冲击载荷的工况下并不能提高其耐磨性，更容易发生表面剥落甚至破球现象。
虽然贝氏体钢锻压球具有一定的冲击韧性，但是为了获得以贝氏体为主要组织的磨球，往往需要复杂的热处理工艺，并且为了提高淬透性及硬度，还须加入大量的微合金元素，如Nb、Ti、RE等，大大增加了生产成本。随着现代发展对磨球的抗破碎性能和耐磨性能提出的更高的要求，获得同时具有优异强度和韧性的耐磨钢球显得更为迫切。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备方法，该耐磨钢球具有高硬度和优异韧性的优点，大大提高了其作为耐磨钢球的耐磨性能。
本发明提出的一种高硬度高韧性耐磨钢球，按质量百分比计，所述耐磨钢球包括如下组分：C：0.5％-0.8％、Si：0.8％-1.3％、Mn：0.6％-1.2％、Cr：1.0％-2.0％、Ni：0.1％-0.6％、Cu：0.3％-0.8％、V：0.01％-0.05％、P：≤0.03％、S：≤0.03％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
并且，[C]/[V]≥18，且[Ni]+[Cu]≥0.9％，[C]、[V]、[Ni]、[Cu]分别为C、V、Ni、Cu的质量百分比含量。
本发明由于多种合金元素的复合添加，使所获耐磨钢球在保证极高硬度的同时，具有良好的抗破碎性能，其中各合金元素的作用如下：
碳(C)：C是决定具有马氏体组织钢球的强度和硬度，并且可以提高淬透性的重要元素。为了确保所得钢球具有优异的强度和硬度性能，钢球中C的含量限定为0.5％-0.8％。
硅(Si)：Si是通过脱氧和固溶强化来有效地提高强度的元素，加入Si可以阻碍渗碳体的析出，避免产生对韧性和塑性有害的脆性相。当Si与Mn，Cr元素共存时，为了避免引起晶粒粗化，提高钢球的强度和硬度，钢球中Si的含量限定为0.8％-1.3％。
锰(Mn)：Mn是可以有效增加淬透性能同时提高钢的强度和韧性的元素。为了确保所得钢球的硬度和韧性，钢球中Mn的含量限定为0.6％-1.2％。
铬(Cr)：Cr是通过提高淬透性能以及降低马氏体开始转变温度，有助于提高过冷奥氏体稳定性的重要元素，为了使Cr形成稳定而硬的碳化物，获得高硬度、高耐磨性，钢球中Cr的含量限定为1.0％-2.0％。
镍(Ni)：Ni是提高钢的硬度和韧性且可提高塑韧性能的元素，为了获得上述效果，钢球中Ni的含量限定为0.1％-0.6％。
铜(Cu)：Cu是与Ni配合从而有效增加硬度和韧性的元素，为了获得上述效果，钢球中Cu的含量限定为0.3％-0.8％。
钒(V)：V是通过热处理后与C形成VC碳化物而有利于抑制奥氏体晶粒生长、并改善淬火性能从而确保强度和韧性的元素。为了获得上述效果，钢球中V的含量限定为0.01％-0.05％。
磷(P)：磷是钢球中不可避免含有并使钢球韧性劣化的元素，但是与Cu联合使用，提高了钢球的耐大气腐蚀性能，因此将磷的含量控制为0.03％或更少。
硫(S)：硫是通过在钢球中形成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。
为了进一步确保钢球中具有大面剂的马氏体相和少量碳化物，从而获得硬度和韧性具有显著改善效果的低铬合金磨球，通过进一步控制[C]/[V]≥18，且[Ni]+[Cu]≥0.9％，使得钢球中主要改善硬度和韧性的合金元素满足一定配比关系，以便发挥更大的性能效果，最终获得所需硬度和韧性。
优选地，所述耐磨钢球的微观金相组织中包括马氏体和碳化物，且马氏体在微观金相组织中的含量大于90％。
优选地，所述耐磨钢球的表面硬度为60HRC以上，室温冲击韧性为35J/cm2以上。
本发明还提出一种高硬度高韧性耐磨钢球的制备方法，包括：按照上述组分进行配料、冶炼后，经过浇铸、锻造，得到钢球坯；再将该钢球坯进行淬火、回火后，即得到所述耐磨钢球。
为了获得所述高硬度高韧性耐磨钢球，通过在制备方法中控制下述参数：
优选地，所述锻造的始锻温度为1130-1180℃，终锻温度为950-980℃。
优选地，所述淬火包括：将钢球坯加热到850-920℃后，水冷至100℃以下。
优选地，所述加热的加热速率为5-15℃/min，所述水冷的冷却速率为2-10℃/s。
将钢球坯快速水冷至100℃以下时，由快速冷却引起的大量相转变即马氏体组织。
优选地，所述回火包括：将淬火后的钢球坯再加热到160-240℃，保温4-6h后，空冷至室温。
通过保温处理，使得马氏体片层间距减小，强度和硬度也相应增加。
本发明通过合理的成分配比，经浇铸、锻造以及淬火、回火后，高效制备得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球具有60HRC以上的硬度以及35J/cm2以上的室温冲击韧性，因此所得钢球综合性能良好。
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
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.64％、Si：1.07％、Mn：0.89％、Cr：1.45％、Ni：0.33％、Cu：0.62％、V：0.029％、P：0.015％、S：0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1150℃，终锻温度为960℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以9℃/min的升温速率加热至880℃，再进行水冷(淬火)，以6.5℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到190℃，保温5h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
实施例2
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.53％、Si：1.24％、Mn：0.65％、Cr：1.89％、Ni：0.12％、Cu：0.75％、V：0.012％、P：0.009％、S：0.012％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1130℃，终锻温度为980℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以5℃/min的升温速率加热至920℃，再进行水冷(淬火)，以2.3℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到240℃，保温4h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
实施例3
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.79％、Si：0.82％、Mn：1.17％、Cr：1.02％、Ni：0.57％、Cu：0.39％、V：0.043％、P：0.013％、S：0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1180℃，终锻温度为950℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以15℃/min的升温速率加热至850℃，再进行水冷(淬火)，以9.8℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到160℃，保温6h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
实施例4
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.71％、Si：1.12％、Mn：0.85％、Cr：1.68％、Ni：0.42％、Cu：0.45％、V：0.032％、P：0.008％、S：0.003％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1160℃，终锻温度为970℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以10℃/min的升温速率加热至870℃，再进行水冷(淬火)，以7.2℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到200℃，保温5h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
实施例5
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.67％、Si：0.99％、Mn：0.96％、Cr：1.47％、Ni：0.29％、Cu：0.62％、V：0.025％、P：0.010％、S：0.008％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1140℃，终锻温度为950℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以8℃/min的升温速率加热至880℃，再进行水冷(淬火)，以3.6℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到200℃，保温5h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
对比例1
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.41％、Si：1.12％、Mn：0.85％、Cr：1.56％、Ni：0.71％、Cu：0.22％、V：0.030％、P：0.012％、S：0.003％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1150℃，终锻温度为960℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以9℃/min的升温速率加热至880℃，再进行水冷(淬火)，以6.5℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到190℃，保温5h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
对比例2
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.56％、Si：1.05％、Mn：0.92％、Cr：1.54％、Ni：0.31％、Cu：0.59％、V：0.036％、P：0.009％、S：0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1150℃，终锻温度为960℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以9℃/min的升温速率加热至880℃，再进行水冷(淬火)，以6.5℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到190℃，保温5h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
对比例3
本实施例钢球的化学组成成分按质量百分比计包括：C：0.61％、Si：1.08％、Mn：0.95％、Cr：1.59％、Ni：0.24％、Cu：0.47％、V：0.025％、P：0.008％、S：0.002％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
该钢球的制备方法具体包括：按照所述化学组成成分进行冶炼、浇铸，然后制备出表1所示化学组成的铸坯之后，将该铸坯加热到1200℃保温1h进行均质化后，再进行锻造，控制始锻温度为1150℃，终锻温度为960℃，锻后得到直径Φ100mm的钢球坯，空冷至室温；接着将所得钢球坯以9℃/min的升温速率加热至880℃，再进行水冷(淬火)，以6.5℃/s的冷却速快速冷却至100℃以下，间隔1h后再加热到190℃，保温5h，空冷至室温，即得到一种耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见表1。
表1：实施例1-6和对比例1-3所述钢球的力学性能。
Figure BDA0003167202490000081
Figure BDA0003167202490000091
通过对比实施例和对比例可知，实施例所述耐磨钢球的冲击韧性和硬度均匀性均有显著提高。
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 (7)

1.一种高硬度高韧性耐磨钢球，其特征在于，按质量百分比计，所述耐磨钢球包括如下组分：C：0.5%-0.8%、Si：0.8%-1.3%、Mn：0.6%-1.2%、Cr：1.0%-2.0%、Ni：0.1%-0.6%、Cu：0.3%-0.8%、V：0.01%-0.05%、P：≤0.03%、S：≤0.03%，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
并且，[C]/[V]≥18，且[Ni]+[Cu]≥0.9%，[C]、[V]、[Ni]、[Cu]分别为C、V、Ni、Cu的质量百分比含量；
所述耐磨钢球的硬度为60HRC以上，室温冲击韧性为35J/cm2以上。
2.根据权利要求1所述高硬度高韧性耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的微观金相组织中包括马氏体和碳化物，且马氏体在微观金相组织中的含量大于90%。
3.一种权利要求1-2任一项所述高硬度高韧性耐磨钢球的制备方法，其特征在于，包括：按照上述组分进行配料、冶炼后，经过浇铸、锻造，得到钢球坯；再将该钢球坯进行淬火、回火后，即得到所述耐磨钢球。
4.根据权利要求3所述高硬度高韧性耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述锻造的始锻温度为1130-1180℃，终锻温度为950-980℃。
5.根据权利要求3或4所述高硬度高韧性耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述淬火包括：将钢球坯加热到850-920℃后，水冷至100℃以下。
6.根据权利要求5所述高硬度高韧性耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述加热的加热速率为5-15℃/min，所述水冷的冷却速率为2-10℃/s。
7.根据权利要求3或4所述高硬度高韧性耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述回火包括：将淬火后的钢球坯再加热到160-240℃，保温4-6h后，空冷至室温。
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