CN113881890B - 一种高韧耐磨钢球及其铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高韧耐磨钢球及其铸造工艺，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：2.0％‑3.0％、Si：0.6％‑1.2％、Mn：0.7％‑1.6％、Cr：10％‑16％、Ni：0.4％‑0.8％、Cu：0.04％‑0.08％、S：≤0.06％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Cr与C的含量配比范围为4.6‑5.5，Mn与Ni的含量乘积范围为0.55％％‑1.0％％；所述耐磨钢球的基体组织包括马氏体、碳化物和残余奥氏体，残余奥氏体的占比为4％‑8％。本发明提出的一种高韧耐磨钢球及其铸造工艺，通过设计耐磨钢球的成分，使得该耐磨钢球的硬度及韧性都得到明显改善。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高韧耐磨钢球及其铸造工艺。
背景技术
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，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。
耐磨钢球要长期承受与物料的冲击和磨损，因此除了要求具有足够的硬度和耐磨度以外，还要求具有一定的韧性，避免破球。目前，球磨机领域广泛应用的耐磨钢球多为碳含量0.60％-0.85％的铁素体-珠光体钢或珠光体钢，这类钢球的特点是辅以适量Si、Mn、Cr、V、Nb、Ti等元素，经淬火及回火处理后，直径80-150mm的钢球表层硬度能够达到60HRC以上，直径80mm钢球心部硬度不低于55HRC、而直径150mm钢球心部硬度不低于40HRC。该类钢球虽然能满足韧性需求，但是碳化物含量少，在许多研磨生产工况，如冶金矿山、建材水泥、火力发电等明显耐磨性不足，并且全元素在发挥有利作用的同时也无法规避有害作用，因此该类钢球需定时检查、遴选、更换，对于球磨领域要求较高的行业，并非最理想的选择。
工业上，高铬耐磨球通过采用相对高碳高铬含量来使钢球中含有大量的高硬度M7C3型碳化物，从而获得优良的耐磨性。但是，碳化物数量提高到一定程度时，在高铬铸铁中将会出现粗大的初生碳化物，导致高铬铸铁的韧性急剧下降，从而使高铬耐磨球中失去使用价值。
例如，申请号为“201410853625.2”公开的名为“一种球磨机用高强耐磨钢球”中，钢球虽然能够具有良好的耐磨性能，但是其成分中C含量高达2.3％，这势必会降低钢球的韧性。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高韧耐磨钢球及其铸造工艺，通过设计耐磨钢球的成分，使得该耐磨钢球的硬度及韧性都得到明显改善。
本发明提出的一种高韧耐磨钢球，该耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：2.0％-3.0％、Si：0.6％-1.2％、Mn：0.7％-1.6％、Cr：10％-16％、Ni：0.4％-0.8％、Cu：0.04％-0.08％、S：≤0.06％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Cr与C的含量配比范围为4.6-5.5，Mn与Ni的含量乘积范围为0.55％％-1.0％％；所述耐磨钢球的基体组织包括马氏体、碳化物和残余奥氏体，残余奥氏体的占比为4％-8％。
本发明中所述高韧耐磨钢球的成分设计，基于以下原理：
C：碳是耐磨钢球中不可缺少的元素。一方面碳在基体中是有效的固溶强化元素，另一方面可以形成各种碳化物，在耐磨钢球中，要保证充足的碳化物含量用以保证耐磨性，但是碳含量过高时会使钢的韧性降低，尤其在形成粗大共晶碳化物时，对韧性的影响更严重。为了平衡钢球的强度和韧性性能，本发明选择加入的碳含量范围为2.0％-3.0％。
Cr：铬是基体中强碳化物的形成元素，在基体中与碳可以形成碳化物，也可溶于固溶体与Fe3C中，增加钢的强度与耐磨性。当铬含量不足时，碳化物的量过少，耐磨耗性降低，但Cr含量过高时，则碳化物的量变得过多，在磨损时容易产生细微的碎裂，耐磨损性降低。因此，本发明选择加入的铬含量范围为10％-16％。
本发明中，发明人研究发现，当Cr与C的含量配比超过5.5时，基体中的碳的固溶量相对就会不足，由此导致所得碳化物减少，钢球的硬度和耐磨性能也随之下降；但当Cr与C的含量配比低于4.6时，基体中的铬的固溶量相对就会不足，不仅析出的碳化物减少，而且容易发生铁素体相变，奥氏体的转变量也相对减少，不仅导致硬度不足，韧性也受到限制。因此，为了获得耐磨性能及韧性都得到明显改善的耐磨钢球，本发明中限定了Cr与C的含量配比范围为4.6-5.5。
Mn：锰是可以抑制贝氏体形成并有效增加淬火性同时提高钢球强度和韧性的元素。如果Mn含量不足，则抑制贝氏体形成的效果过小，组织中容易形成贝氏体，使得钢球硬度降低，耐磨性也降低；如果Mn含量过高，则残留奥氏体量过多，硬度和耐磨耗性降低明显。因此，本发明选择加入的锰含量范围为0.7％-1.6％。
Ni：镍是具有提高淬透性的作用，可同时提高钢的强度和韧性，但是当添加过量的镍时，奥氏体的稳定性变得过剩，硬度低的奥氏体的残存量增加，硬度降低，耐磨性降低。因此，本发明选择加入的镍含量范围为0.4％-0.8％。
本发明中，发明人研究发现，锰、镍都是提高淬透性并抑制奥氏体转变为低硬度相的元素，当Mn与Ni的含量乘积低于0.55％％时，Mn与Ni的含量不足，钢球的淬火性能下降，奥氏体的转变增多，不能获得必要韧性和强度；但当Mn与Ni的含量乘积低于1.0％％时，Mn或Ni的含量过量，基体中残余奥氏体量过量，导致硬度下降，不能具有必要的磨损性。
Cu：铜能提高钢球中奥氏体的稳定性，对提高钢球的韧性有利；同时，铜的加入可以增加钢球的耐腐蚀性能。因此，本发明选择加入的铜含量范围为0.04％-0.08％。
优选地，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：2.2％-2.8％、Si：0.8％-1.0％、Mn：0.9％-1.3％、Cr：12％-14％、Ni：0.5％-0.7％、Cu：0.05％-0.06％、S：≤0.06％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
优选地，所述耐磨钢球的表面硬度HRC≥61，心部硬度HRC≥60HRC，室温冲击韧性ak≥20J/cm2。
本发明还提出一种高韧耐磨钢球的铸造工艺，包括如下步骤：
S1、按照所耐磨钢球的化学成分进行熔炼，浇注，得到钢球坯；
S2、将所得钢球坯升温至350-400℃，保温2-3h，再升温至580-620℃，保温2-3h，继续升温至980-1050℃，保温2-4h，空冷至室温后，在420-450℃下回火，空冷至室温，即得到所述高韧耐磨钢球。
优选地，步骤S1中，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：2.0％-3.0％、Si：0.6％-1.2％、Mn：0.7％-1.6％、Cr：10％-16％、Ni：0.4％-0.8％、Cu：0.04％-0.08％、S：≤0.06％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
优选地，步骤S1中，所述熔炼温度为1480-1530℃，所述浇注温度为1400-1450℃。
优选地，步骤S2中，升温至350-400℃的升温速率为10-20℃/min，升温至980-1050℃的升温速率为5-10℃/min。
通过在热处理阶段对升温速率进行控制，依次保证基体成分均匀，并且有利于钢球基体获得更多的马氏体含量，同时降低组织应力和热应力。
本发明通过优化合金成分的配比，钢球内部组织状态得到了良好的改善，组织控制为由马氏体、少量残余奥氏体和碳化物组成，残余奥氏体的占比控制在4％-8％的范围，并且基体上弥散分布大量颗粒碳化物，所得钢球沿厚度方向从表面到心部区域均具有超过60HRC的硬度，且室温冲击韧性也超过20J/cm2。
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
本实施例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1500℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1420℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以15℃/min的升温速度升至380℃，保温2.5h，再以10℃/min的升温速度升至600℃，保温2.5h，继续以10℃/min的升温速度升至1020℃，保温3h，空冷至室温后，转入430℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
实施例2
本实施例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1530℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1450℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以10℃/min的升温速度升至400℃，保温2h，再以10℃/min的升温速度升至620℃，保温2h，继续以10℃/min的升温速度升至980℃，保温4h，空冷至室温后，转入420℃回火炉中，保温3h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
实施例3
本实施例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1480℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1400℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以20℃/min的升温速度升至350℃，保温3h，再以10℃/min的升温速度升至580℃，保温3h，继续以5℃/min的升温速度升至1050℃，保温2h，空冷至室温后，转入450℃回火炉中，保温1h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
实施例4
本实施例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1500℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1420℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以15℃/min的升温速度升至380℃，保温2.5h，再以10℃/min的升温速度升至600℃，保温2.5h，继续以10℃/min的升温速度升至1020℃，保温3h，空冷至室温后，转入430℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
实施例5
本实施例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1510℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1430℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以15℃/min的升温速度升至370℃，保温3h，再以10℃/min的升温速度升至590℃，保温2h，继续以5℃/min的升温速度升至1000℃，保温3h，空冷至室温后，转入440℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
实施例6
本实施例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1490℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1420℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以15℃/min的升温速度升至380℃，保温2h，再以10℃/min的升温速度升至600℃，保温3h，继续以10℃/min的升温速度升至1010℃，保温2h，空冷至室温后，转入420℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
对比例1
本对比例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1500℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1420℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以15℃/min的升温速度升至380℃，保温2.5h，再以10℃/min的升温速度升至600℃，保温2.5h，继续以10℃/min的升温速度升至1020℃，保温3h，空冷至室温后，转入430℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
对比例2
本对比例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1500℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1420℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以15℃/min的升温速度升至380℃，保温2.5h，再以10℃/min的升温速度升至600℃，保温2.5h，继续以10℃/min的升温速度升至1020℃，保温3h，空冷至室温后，转入430℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
对比例3
本对比例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1500℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1420℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以15℃/min的升温速度升至380℃，保温2.5h，再以10℃/min的升温速度升至600℃，保温2.5h，继续以10℃/min的升温速度升至1020℃，保温3h，空冷至室温后，转入430℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
对比例4
本对比例耐磨钢球的化学成分见下表1，其铸造工艺具体包括如下步骤：
(1)按照所述化学成分将高碳铬铁、炼钢生铁、废钢加入到中频感应炉中，加热熔融为铁液，升温至1500℃后加入硅铁、锰铁、镍块、铜块，熔炼得到合金液，待温度降至1420℃后进行浇注，空冷至室温，得到直径为Φ80mm的钢球；
(2)将该钢球以5℃/min的升温速度升至380℃，保温2.5h，再以10℃/min的升温速度升至600℃，保温2.5h，继续以15℃/min的升温速度升至1020℃，保温3h，空冷至室温后，转入430℃回火炉中，保温2h，空冷至室温，即得到所述耐磨钢球。该耐磨钢球的力学性能见下表2。
表1：实施例与对比例所述钢球除Fe以外的化学成分(wt.％)
Mn＊Ni的单位为％％，Cr/C无单位。
表2：实施例和对比例所述钢球的力学性能(参考GB/T 230.1，GB/T 229)
通过对比实施例和对比例可知，实施例所述钢球的冲击韧性和硬度均匀性均有显著提高。可见，本发明提供的耐磨钢球韧性性能优异，且表面和心部的性能差异较小，均匀性好。
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 (5)
1.一种高韧耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：2.0％-3.0％、Si：0.6％-1.2％、Mn：0.7％-1.6％、Cr：10％-16％、Ni：0.4％-0.8％、Cu：0.04％-0.08％、S：≤0.06％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Cr与C的含量配比范围为4.6-5.5，Mn与Ni的含量乘积范围为0.55％％-1.0％％；所述耐磨钢球的基体组织包括马氏体、碳化物和残余奥氏体，残余奥氏体的占比为4％-8％；
所述高韧耐磨钢球的铸造工艺包括如下步骤：
S1、按照所耐磨钢球的化学成分进行熔炼，浇注，得到钢球坯；
S2、将所得钢球坯升温至350-400℃，保温2-3h，再升温至580-620℃，保温2-3h，继续升温至980-1050℃，保温2-4h，空冷至室温后，在420-450℃下回火，空冷至室温，即得到所述高韧耐磨钢球；
步骤S2中，升温至350-400℃的升温速率为10-20℃/min，升温至980-1050℃的升温速率为5-10℃/min。
2.根据权利要求1所述的高韧耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：2.2％-2.8％、Si：0.8％-1.0％、Mn：0.9％-1.3％、Cr：12％-14％、Ni：0.5％-0.7％、Cu：0.05％-0.06％、S：≤0.06％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的高韧耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的表面硬度HRC≥61，心部硬度HRC≥60HRC，室温冲击韧性ak≥20J/cm2。
4.一种高韧耐磨钢球的铸造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按照所耐磨钢球的化学成分进行熔炼，浇注，得到钢球坯；
S2、将所得钢球坯升温至350-400℃，保温2-3h，再升温至580-620℃，保温2-3h，继续升温至980-1050℃，保温2-4h，空冷至室温后，在420-450℃下回火，空冷至室温，即得到所述高韧耐磨钢球；
步骤S1中，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：2.0％-3.0％、Si：0.6％-1.2％、Mn：0.7％-1.6％、Cr：10％-16％、Ni：0.4％-0.8％、Cu：0.04％-0.08％、S：≤0.06％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Cr与C的含量配比范围为4.6-5.5，Mn与Ni的含量乘积范围为0.55％％-1.0％％；所述耐磨钢球的基体组织包括马氏体、碳化物和残余奥氏体，残余奥氏体的占比为4％-8％；
步骤S2中，升温至350-400℃的升温速率为10-20℃/min，升温至980-1050℃的升温速率为5-10℃/min。
5.根据权利要求4所述的高韧耐磨钢球的铸造工艺，其特征在于，步骤S1中，所述熔炼温度为1480-1530℃，所述浇注温度为1400-1450℃。
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Denomination of invention: A kind of high toughness wear-resistant steel ball and its casting process Effective date of registration: 20221130 Granted publication date: 20220624 Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd. Ningguo branch Pledgor: Anhui Xinma Foundry Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980024196 |
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Date of cancellation: 20231215 Granted publication date: 20220624 Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd. Ningguo branch Pledgor: Anhui Xinma Foundry Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980024196 |
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