CN113897537B - 一种高使用寿命的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使用寿命的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：3.6％‑4.2％、Si：1.1％‑1.8％、Mn：0.8％‑1.5％、Cr：15％‑19％、Ti：1.1％‑1.9％、V：0.5％‑1.6％、W：0.2％‑0.7％、Nb：0.1％‑0.3％、N：0.03％‑0.08％、其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Ti、V、W、Nb的含量配比为：1:0.5‑0.8:0.25‑0.35:0.1‑0.2。该耐磨钢球具有优异的硬度和韧性性能，有效地延长了耐磨钢球的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高使用寿命的耐磨钢球及其铸造工艺。
背景技术
磨球是应用于球磨机中用来破碎矿石、煤矿等消耗量最大的易磨损件，广泛应用于冶金、矿山、电力、建材等工业领域的制粉设备，我国年消耗量150万吨以上，提高易损件的使用寿命降低生产成本一直为国内外研究和生产部门所重视。
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。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，使用寿命大打折扣。
因此为了提高磨球的使用寿命，需要合理的成分和工艺设计，生产出高硬度和韧性配合良好的磨球。
申请号为“201310008177.1”公开了一种锻钢球的制造方法，包括钢球坯选择、下料、加热、模锻、预冷、淬火和回火步骤，其中，钢球进行两次淬火，第一次淬火至钢球的表层温度为260-340℃，再将钢球表层温度升至360-420℃后进行第二次淬火，第二次淬火至钢球的表层温度为170-220℃；淬火介质为25-50℃的清水；回火在以空气为介质的回火装置中进行。通过该专利方法生产出的钢球，虽然钢球表面和心部的硬度值都较高，钢球的冲击韧性也较好，具有较高使用寿命，但是该生产方法的工艺步骤复杂，在淬火的过程中进行了两次淬火，延长了生产周期，同时第一次淬火后进行加热，然后才能进行第二次淬火；因此能耗较高，成本较高，生产周期长。
申请号为“201410669750.8”公开了一种具有马氏体组织表层和柔软的贝氏体组织内芯的锻造钢球的制备方法，其合金成分为C：0.42-0.48wt％、Si：0.15-0.35wt％、Mn：0.53-0.90wt％、Ni：0.06-0.20wt％。该成分的钢球表面马氏体组织硬度HRC62以下，心部贝氏体组织硬度HRC40以上。由于表面和心部硬度差异较大，这种钢球在使用过程中，当表面马氏体层被磨掉之后钢球很容易失效，降低了材料的使用寿命。
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使用寿命的耐磨钢球及其铸造工艺，该耐磨钢球具有优异的硬度和韧性性能，有效地延长了耐磨钢球的使用寿命。
本发明提出的一种高使用寿命的耐磨钢球，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：3.6％-4.2％、Si：1.1％-1.8％、Mn：0.8％-1.5％、Cr：15％-19％、Ti：1.1％-1.9％、V：0.5％-1.6％、W：0.2％-0.7％、Nb：0.1％-0.3％、N：0.03％-0.08％、其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Ti、V、W、Nb的含量配比为：1:0.5-0.8:0.25-0.35:0.1-0.2。
本发明所述耐磨钢球的设计思路如下：
碳是决定钢球中强度和硬度的重要元素，碳一部分与合金元素铬、钛、钒、钨形成高硬度碳化物，提高耐磨性；另一部分固溶于基体中，通过热处理获得马氏体为主的基体组织。碳含量太低，基体中的碳化物含量少，基体固溶量少，所得钢球硬度低，耐磨性差；碳含量太高，基体中初生碳化物粗大、脆性大，同时固溶含量高，热处理后获得的高碳马氏体脆性大，残余奥氏体多，在使用过程中转变成马氏体，组织应力大，钢球易开裂。因此本发明选用碳含量范围3.6％-4.2％。
铬是形成M7C3型碳化物的元素，是高铬耐磨钢球具有高耐磨性能的基础。一般来说，铬含量太高，由铬形成的碳化物变得多，在磨损时容易产生细微的碎裂，耐磨损性降低；但是铬含量太低，则由铬形成的碳化物的量过少，耐磨性改善效果有限。因此本发明选用铬含量范围15％-19％。
钛在基体中可形成由钛形成的碳化物TiC，该碳化物具有硬度高，粒径小的优点。本发明中TiC作为M7C3型初生碳化物的形核核心，具有细化M7C3型初生碳化物的效果。钛含量太低，效果不明显，而钛含量过高则形成的碳化物容易团聚，不具有细化作用。因此本发明选用钛含量范围1.1％-1.9％。
钒在基体中亦可形成碳化物VC，该碳化物具有熔点高，粒径小的优点。其亦可作为M7C3型初生碳化物的形核核心，起到细化晶粒的作用。同样，钒含量太低，效果不明显，而钒含量过高则形成的碳化物较大，不具有细化作用。因此本发明选用钒含量范围0.5％-1.6％。
钨在基体中一部分固溶于基体和M7C3型碳化物中，固溶于基体的钨提高淬透性和热硬性，固溶于M7C3型碳化物中提高碳化物硬度和韧性；另一部分钨可形成钨的高硬度碳化物，作为铬的初生碳化物的异质形核基底，具有细化初生M7C3型碳化物的作用。但如果钨含量过低，则钨会主要以固溶形式存在，对细化初生碳化物作用弱；钨含量过高，则会形成大量钨的碳化物，对钢球的耐磨性不利。因此本发明选用钨含量范围0.2％-0.7％。
铌在基体中形成微细的碳化物，具有提高基体硬度并提高耐磨性的作用。为了有效发挥这种作用，本发明中选用铌含量范围0.1％-0.3％。
氮具有提高淬透性的作用，含量过低时，淬透性不充分，硬度，耐磨耗性降低；含量过高时，则残留奥氏体增加，硬度降低，耐磨耗性降低。因此，本发明中选用氮含量范围0.03％-0.08％。
本发明中形成的MC碳化物类型为(Cr、Ti、V、W、Nb)C，使析出的碳化物更加细小和分散，提高所得耐磨钢球的韧性。为了使所得碳化物始终保持细化状态却不会团聚以保障其耐磨和韧性性能，单纯将Ti、V、W、Nb限定在上述含量范围之内却并不必然能够保障相应效果，因此在所限定的含量范围之内还需进一步限定Ti、V、W、Nb的含量配比为：1:0.5-0.8:0.25-0.35:0.1-0.2。
优选地，所述杂质包括S，S按质量百分比计不超过0.1％。
优选地，所述杂质包括P，P按质量百分比计不超过0.06％。
优选地，所述耐磨钢球的基体组织包括碳化物MC，碳化物MC中，M包括Ti、V、W、Nb，且碳化物MC的粒径不超过3μm。
优选地，所述碳化物MC在基体组织中的体积分数为12％-20％。
本发明还提出一种高使用寿命的耐磨钢球的铸造工艺，包括如下步骤：
(1)、按照所述耐磨钢球的化学成分配料后进行冶炼，浇铸，得到球坯；
(2)、再将所得球坯进行热处理，即得到所述高使用寿命的耐磨钢球。
优选地，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：3.6％-4.2％、Si：1.1％-1.8％、Mn：0.8％-1.5％、Cr：15％-19％、Ti：1.1％-1.9％、V：0.5％-1.6％、W：0.2％-0.7％、Nb：0.1％-0.3％、N：0.03％-0.08％、其余为Fe和其他不可避免的杂质。
优选地，步骤(1)中，所述冶炼温度为1550-1600℃，所述浇铸温度为1400-1430℃。
优选地，步骤(2)中，所述热处理包括淬火和回火；
所述淬火包括：将所得球坯加热至980-1020℃，保温2-4h后，送入淬火介质中进行淬火；
所述回火包括：将淬火后的球坯送入回火炉中进行回火，回火温度为260-320℃，保温3-5h后，随炉冷却至室温。
本发明创造性地在耐磨钢球添加特定配比的Ti、V、W、Nb，从而得到了一种高使用寿命的耐磨钢球，该钢球具有高耐磨、高韧性、高硬度的特点，从而有效地延长了耐磨钢球的使用寿命。
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
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1580℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1420℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至1000℃，保温3h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为280℃，保温4h后，出炉冷却至室温后，即得到所述高使用寿命的耐磨钢球。
实施例2
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1550℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1430℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至980℃，保温4h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为260℃，保温5h后，出炉冷却至室温后，即得到种高使用寿命的耐磨钢球。
实施例3
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1600℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1400℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至1020℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为320℃，保温3h后，出炉冷却至室温后，即得到种高使用寿命的耐磨钢球。
实施例4
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1560℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1410℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至990℃，保温3h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为300℃，保温4h后，出炉冷却至室温后，即得到种高使用寿命的耐磨钢球。
实施例5
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1570℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1420℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至980℃，保温3h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为300℃，保温4h后，出炉冷却至室温后，即得到种高使用寿命的耐磨钢球。
对比例1
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1580℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1420℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至1000℃，保温3h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为280℃，保温4h后，出炉冷却至室温后，即得到所述高使用寿命的耐磨钢球。
对比例2
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1580℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1420℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至1000℃，保温3h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为280℃，保温4h后，出炉冷却至室温后，即得到所述高使用寿命的耐磨钢球。
对比例3
一种高使用寿命的耐磨钢球，其铸造工艺具体如下：
按照下表所述化学组成成分进行配料后，在中频感应炉中熔炼均匀得到合金液，熔炼温度为1580℃；将所得合金液到入模具中进行浇铸，浇铸温度为1420℃，冷却至室温后脱模得到直径为Φ80mm球坯；将所得球坯加热至880℃，保温3h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，取出后冷却至室温，再送入回火炉中进行回火处理，回火温度为250℃，保温4h后，出炉冷却至室温后，即得到种高使用寿命的耐磨钢球。
实施例和对比例所述耐磨钢球的性能如下表所示(参考GB/T 230.1、GB/T229)：
| 表面硬度/HRC | 冲击韧性/J/cm<sup>2</sup> | 落球冲击试验次数/次 | |
| 实施例1 | 64.4 | 17.6 | ≥25000 |
| 实施例2 | 63.7 | 14.9 | ≥25000 |
| 实施例3 | 63.9 | 15.3 | ≥25000 |
| 实施例4 | 63.5 | 17.2 | ≥25000 |
| 实施例5 | 63.8 | 13.7 | ≥25000 |
| 对比例1 | 57.2 | 3.9 | ≥8000 |
| 对比例2 | 60.4 | 7.9 | ≥10000 |
| 对比例3 | 61.2 | 10.8 | ≥15000 |
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有显著提高。可见，本发明提供的耐磨钢球具有优异的使用寿命。
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)
1.一种高使用寿命的耐磨钢球，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：3.6％-4.2％、Si：1.1％-1.8％、Mn：0.8％-1.5％、Cr：15％-19％、Ti：1.1％-1.9％、V：0.5％-1.6％、W：0.2％-0.7％、Nb：0.1％-0.3％、N：0.03％-0.08％、其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Ti、V、W、Nb的含量配比为：1:0.5-0.8:0.25-0.35:0.1-0.2；
所述耐磨钢球的铸造工艺包括如下步骤：
(1)、按照所述耐磨钢球的化学成分配料后进行冶炼，浇铸，得到球坯；
(2)、再将所得球坯进行热处理，即得到所述高使用寿命的耐磨钢球；
步骤(2)中，所述热处理包括淬火和回火；
所述淬火包括：将所得球坯加热至980-1020℃，保温2-4h后，送入淬火介质中进行淬火；
所述回火包括：将淬火后的球坯送入回火炉中进行回火，回火温度为260-320℃，保温3-5h后，随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述高使用寿命的耐磨钢球，其特征在于，所述杂质包括S，S按质量百分比计不超过0.1％。
3.根据权利要求1或2所述高使用寿命的耐磨钢球，其特征在于，所述杂质包括P，P按质量百分比计不超过0.06％。
4.根据权利要求1或2所述高使用寿命的耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的基体组织包括碳化物MC，碳化物MC中，M包括Ti、V、W、Nb，且碳化物MC的粒径不超过3μm。
5.根据权利要求4所述高使用寿命的耐磨钢球，其特征在于，所述碳化物MC在基体组织中的体积分数为12％-20％。
6.一种高使用寿命的耐磨钢球的铸造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、按照所述耐磨钢球的化学成分配料后进行冶炼，浇铸，得到球坯；
(2)、再将所得球坯进行热处理，即得到所述高使用寿命的耐磨钢球；
所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：3.6％-4.2％、Si：1.1％-1.8％、Mn：0.8％-1.5％、Cr：15％-19％、Ti：1.1％-1.9％、V：0.5％-1.6％、W：0.1％-0.8％、Nb：0.1％-0.3％、N：0.01％-0.08％、其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Ti、V、W、Nb的含量配比为：1:0.5-0.8:0.25-0.35:0.1-0.2；
步骤(2)中，所述热处理包括淬火和回火；
所述淬火包括：将所得球坯加热至980-1020℃，保温2-4h后，送入淬火介质中进行淬火；
所述回火包括：将淬火后的球坯送入回火炉中进行回火，回火温度为260-320℃，保温3-5h后，随炉冷却至室温。
7.根据权利要求6所述高使用寿命的耐磨钢球的铸造工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述冶炼温度为1550-1600℃，所述浇铸温度为1400-1430℃。
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