CN113897541B - 一种高铬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铬耐磨钢球及其铸造工艺，该耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：3.3％‑4.0％、Si：0.2％‑0.9％、Mn：0.5％‑1.3％、Cr：17％‑23％、Al：0.3％‑0.8％、Mo：0.07％‑0.2％、V：0.1％‑0.3％、S：0.02％‑0.1％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；并且，[Mo]×[V]≥0.02％％，且0.3≥[Mo]/[Al]≥0.2，[Mo]、[V]、[Al]分别对应Mo、V、Al的质量百分含量。本发明提出的一种高铬耐磨钢球及其铸造工艺，通过设计该耐磨钢球的成分，减少贵重金属元素的加入量，使得该耐磨钢球具有优异的耐磨性和抗冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高铬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。
根据耐磨钢球制备材料中金属铬的含量不同，将耐磨钢球分为高铬、中铬以及低铬耐磨球，且不同铬含量的耐磨球其性能相差较大。高铬耐磨钢球的组织中存在大量的高硬度M7C3型碳化物，因而具有优良的耐磨性，同时固溶于基体中的铬元素可以提高材料的抗腐蚀能力，因此，迄今为止已成为世界上工业应用最为广泛的一种耐磨钢球。
工业应用中，高铬耐磨球常采用铬含量15-25％，碳含量2.0-3.0％的亚共晶或近共晶成分。但由于碳化物含量少，在许多研磨生产工况，如冶金矿山、建材水泥、火力发电等下明显表现出耐磨性不足。因此科研工作者采用提高高铬铸铁中的碳、铬含量以增加碳化物数量，以达到使耐磨性大幅提高的目的。虽然高铬耐磨球组织中高含量的脆硬碳化物使其具备极高的硬度，在低冲击条件下显示出很好的耐磨性能，但是在强烈冲击作用条件下，高铬铸耐磨球冲击韧度不足的劣势显现出来，耐磨球在使用的过程中容易出现早期表面剥落或者碎球的现象，大大增加了球耗和生产成本，造成资源的浪费和生产效率的降低
申请号为“201610676935.0”公开了一种耐腐蚀抗冲击耐磨钢球及其制备方法，其合金成分为C：0.7-0.75％、Cr：11-13％、Si：1-1.2％、Mn：1.5-1.6％、 B：0.05-0.06％、Ni：1-2％、Y：2.1-2.15％、Ti：0.04-0.06％、Cu：0.03-0.05％、 Co：0.01-0.03％、Zr：0.3-0.4％、Nb：0.03-0.04％、P≤0.012％、S≤0.002％；余料为Fe。该成分的钢球通过熔炼、铸造等工序得最终钢球，钢球耐磨性、韧性和耐腐蚀性虽然都良好，但是其成分中含有较多的贵重金属元素，会增加生产成本，且其制造工艺中包含铸造等工序，会降低其生产效率。
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铬耐磨钢球及其铸造工艺，通过设计该耐磨钢球的成分，减少贵重金属元素的加入量，使得该耐磨钢球具有优异的耐磨性和抗冲击韧性。
本发明提出的一种高铬耐磨钢球，该耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C：3.3％-4.0％、Si：0.2％-0.9％、Mn：0.5％-1.3％、Cr：17％-23％、Al： 0.3％-0.8％、Mo：0.07％-0.2％、V：0.1％-0.3％、S：0.02％-0.1％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，[Mo]×[V]≥0.02％％，且0.3≥[Mo]/[Al]≥0.2，[Mo]、[V]、[Al]分别对应Mo、V、Al的质量百分含量。
本发明中C、Si、Mn、Cr、Al、Mo、V等多种合金元素的复合添加，使所得耐磨钢球具有极高硬度和耐磨性的同时，还获得了良好的冲击韧性性能，其中，各合金元素的作用如下：
C：3.3％-4.0％，C是形成碳化物和增加基体硬度所必需的元素。众所周知，马氏体的硬度随着固溶C的溶解量的增加而增加，如果C含量低于3.3％，则溶解C量不足，不仅马氏体硬度会降低，结晶和析出的碳化物的产生量相对较少，无法获取所需耐磨性；但如果C含量超过4.0％，虽然碳化物的量变得过多，但韧性降低，在磨损时容易发生微细碎裂，并且耐磨耗性降低。本发明中为了获得强度和韧性，将钢球中C含量控制为3.3％-4.0％的范围。
Si：0.2％-0.9％，Si是在浇铸时确保熔融金属的流动性的元素，为了发挥这种效果，需要0.2％以上的含量；同时，Si是铁素体的形成元素，当Si含量超过0.9％时，促进了铁素体相变，基体硬度降低，韧性也同时降低。本发明中，为了避免产生铸造缺陷，将钢球中Si含量控制为0.2％-0.9％的范围。
Mn：0.5％-1.3％，Mn是可以抑制贝氏体形成并可以有效增加淬火性以提高钢球强度和韧性的元素。如果小于Mn含量不足0.5％，则抑制贝氏体形成的效果过小，组织中形成贝氏体，使得钢球硬度降低，耐磨耗性也降低；如果Mn含量超过1.3％，则残于奥氏体量过多，硬度和耐磨耗性也降低明显。因此，本发明中，将Mn含量的下限设定为0.5％，将上限设定为1.3％。
Cr：17％-23％，与C一样，Cr是形成碳化物必不可少的元素。当Cr含量不足17％时，碳化物的量相对较少，耐磨耗不够；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，本发明中，将Cr含量的下限设定为17％，将上限设定为23％。
Al：0.3％-0.8％，Al作为脱氧元素，在熔炼中可抑制Cr等发生氧化。在基体中加入不小于0.3％且不大于0.8％的含量Al，可以有效促进Cr在基体中的固溶程度，又利于获取足够量的碳化物的同时，有助于碳化物的细化，以此获得所需硬度和韧性。
Mo：0.07％-0.2％，由于Al是容易形成铁素体的元素，加入超过0.3％含量的Al后，基体中容易形成低硬度的铁素体，基体的整体硬度和耐磨耗性降低。本发明为了抑制铁素体的形成，通过加入能够抑制奥氏体转变为铁素体的Mo，可以有效防止Al固溶在基体中形成铁素体。本发明中，当Mo含量低于0.07％时，抑制铁素体形成的效果有限，当Mo含量高于0.2％时，容易形成碳化物而使溶在基体中的C量减少，基体硬度降低，因此为了有效抑制Al的添加形成铁素体，需根据Al的含量来控制Mo的含量：当[Mo]/[Al]为0.2-0.3时，可以有效保证所得钢球的硬度和韧性性能。
V：0.1％-0.3％，V可以融入奥氏体，减少室温组织中的残余奥氏体的含量。为了防止因Mo的添加使奥氏体的过度稳定化而导致残留奥氏体量的增加并带来硬度降低。本发明中，控制V的含量为0.1％-0.3％，并且[Mo]×[V]的乘积不小于0.02％％，在两者协同作用下进一步提高基体的淬透性，有效提高耐磨钢球的硬度均匀性。
优选地，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计还包括总计为0.1％以下的Cu、Co、Ni、Nb中的至少一种。
Cu、Co、Ni、Nb是进一步提高淬透性的作用，且具有较强促进马氏体相变的效果。本发明中，控制添加总计为0.1％以下的Cu、Co、Ni、Nb中的至少一种，可以强化基体，提高基体硬度并细化碳化物。
优选地，所述耐磨钢球的基体组织包括马氏体，碳化物和少量残余奥氏体。
优选地，所述耐磨钢球的硬度≥65HRC，且冲击韧性≥6J/cm2。
本发明还提出一种高铬耐磨钢球的铸造工艺，包括如下步骤：
S1、按照所述耐磨钢球的化学成分配料后进行熔炼，得到合金液；
S2、将步骤S1熔炼得到的合金液送入模具后进行浇铸，得到铸球球坯；
S3、将步骤S2浇铸得到的铸球球坯进行淬火，回火，即得到所述高铬耐磨钢球。
优选地，步骤S1中，所述熔炼温度为1450-1500℃。
优选地，步骤S2中，所述浇铸温度为1380-1400℃。
优选地，步骤S3中，所述淬火温度为940-990℃。
优选地，步骤S3中，所述回火温度为250-400℃。
为了保证本发明所述钢球基体具有更多的马氏体含量，同时降低组织应力和热应力，因此在铸球球坯在940-990℃下淬火，使铸件内外温度均匀，将奥氏体均匀转变成马氏体，同时将已发生马氏体转变的铸件在250-400℃下低温回火，进一步消除在淬火低温阶段马氏体转变所产生的应力。
本发明通过合理的成分配比，经淬火、回火处理后，制备得到所述高铬耐磨钢球，在减少贵金属元素的含量的前提下，有效提高所述耐磨钢球的抗磨性能，使该耐磨钢球的硬度稳定在65HRC以上，冲击韧性也达到了6J/cm2以上。
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
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.65％、Si：0.52％、 Mn：0.96％、Cr：19.8％、Al：0.48％、Mo：0.13％、V：0.20％、S：0.055％、 P：0.024％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Mo、V的含量乘积为 0.026％％，Mo、Al的含量之比为0.27；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1390℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至960℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为100℃，淬火7min，取出后冷却至室温，再送入炉中在320℃条件下进行回火处理，时间为5h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本实施例的钢球硬度为66.9HRC(GB/T230.1)，冲击韧性为 8.2J/cm2(GB/T229)，对应铁矿磨耗的耐磨性能为260克/吨(g/t)。
实施例2
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.82％、Si：0.43％、 Mn：1.15％、Cr：19.6％、Al：0.64％、Mo：0.16％、V：0.17％、S：0.063％、 P：0.026％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Mo、V的含量乘积为 0.027％％，Mo、Al的含量之比为0.25；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1450℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1400℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至940℃，保温3h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为80℃，淬火8min，取出后冷却至室温，再送入炉中在250℃条件下进行回火处理，时间为6h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本实施例的钢球硬度为66.2HRC，冲击韧性为7.7J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为300克/吨(g/t)。
实施例3
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.56％、Si：0.63％、Mn：0.87％、Cr：20.5％、Al：0.46％、Mo：0.11％、V：0.23％、S：0.042％、 P：0.018％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中Mo、V的含量乘积为 0.025％％，Mo、Al的含量之比为0.24；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1500℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1380℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至990℃，保温1h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为140℃，淬火6min，取出后冷却至室温，再送入炉中在400℃条件下进行回火处理，时间为4h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本实施例的钢球硬度为65.3HRC，冲击韧性为9.5J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为280克/吨(g/t)。
实施例4
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.38％、Si：0.82％、 Mn：0.61％、Cr：22.5％、Al：0.72％、Mo：0.18％、V：0.12％、S：0.079％、 P：0.022％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中Mo、V的含量乘积为 0.022％％，Mo、Al的含量之比为0.25；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1470℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1390℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至970℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为120℃，淬火7min，取出后冷却至室温，再送入炉中在300℃条件下进行回火处理，时间为5h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本实施例的钢球硬度为66.5HRC，冲击韧性为6.9J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为320克/吨(g/t)。
实施例5
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.94％、Si：0.27％、 Mn：1.22％、Cr：17.4％、Al：0.34％、Mo：0.09％、V：0.27％、Cu：0.05％、 S：0.032％、P：0.026％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Mo、V的含量乘积为0.025％％，Mo、Al的含量之比为0.26；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁、铜块)按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1400℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至980℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为120℃，淬火7min，取出后冷却至室温，再送入炉中在300℃条件下进行回火处理，时间为5h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本实施例的钢球硬度为65.0HRC，冲击韧性为10.3J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为330克/吨(g/t)。
对比例1
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.23％、Si：0.94％、 Mn：0.45％、Cr：16.1％、Al：0.26％、Mo：0.06％、V：0.36％、S：0.035％、 P：0.023％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Mo、V的含量乘积为 0.022％％，Mo、Al的含量之比为0.23；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1390℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至960℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为100℃，淬火7min，取出后冷却至室温，再送入炉中在320℃条件下进行回火处理，时间为5h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。经检验，本对比例的钢球硬度为56.9HRC，冲击韧性为4.3J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为770克/吨(g/t)。
对比例2
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.65％、Si：0.52％、 Mn：0.93％、Cr：19.8％、Al：0.58％、Mo：0.08％、V：0.18％、S：0.060％、 P：0.018％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Mo、V的含量乘积 0.001％％，Mo、Al的含量之比为0.14；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1390℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至960℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为100℃，淬火7min，取出后冷却至室温，再送入炉中在320℃条件下进行回火处理，时间为5h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本对比例的钢球硬度为60.5HRC，冲击韧性为5.5J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为430克/吨(g/t)。
对比例3
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.65％、Si：0.53％、 Mn：1.02％、Cr：20.4％、Al：0.48％、Mo：0.16％、V：0.23％、S：0.049％、 P：0.023％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Mo、V的含量乘积为 0.037％％，Mo、Al的含量之比为0.33；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1390℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至960℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为100℃，淬火7min，取出后冷却至室温，再送入炉中在320℃条件下进行回火处理，时间为5h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本对比例的钢球硬度为62.6HRC，冲击韧性为5.9J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为450克/吨(g/t)。
对比例4
一种高铬耐磨钢球，各成分按质量百分比如下：C：3.65％、Si：0.52％、 Mn：0.96％、Cr：19.8％、Al：0.48％、Mo：0.13％、V：0.20％、S：0.055％、 P：0.024％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Mo、V的含量乘积为 0.026％％，Mo、Al的含量之比为0.27；
该高铬耐磨钢球的铸造方法具体包括如下步骤：
(1)、将原材料(废钢、生铁、硅铁、锰铁、铬铁、铝块、钼铁、钒铁) 按照配比加入中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，熔融后调质处理，出炉得到合金液；
(2)、将上述合金液倒入模具后进行恒温浇铸，浇铸温度为1390℃，得到直径为Φ80mm的铸球球坯；
(3)、将上述铸球球坯升温至880℃，保温2h，再放入淬火油中进行淬火，淬火油温度为60℃，淬火7min，取出后冷却至室温，再送入炉中在240℃条件下进行回火处理，时间为5h，出炉冷却至室温后，即得到所述高铬耐磨钢球。
经检验，本对比例的钢球硬度为61.6HRC，冲击韧性为5.5J/cm2，对应铁矿磨耗的耐磨性能为420克/吨(g/t)。
通过对比实施例和对比例可知，本发明通过合理的成分配比，经淬火、回火处理后，制备得到所述高铬耐磨钢球，在减少贵金属元素的含量的前提下，有效提高所述耐磨钢球的抗磨性能，使该耐磨钢球的硬度稳定在65HRC以上，冲击韧性也达到了6J/cm2以上。
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)
1.一种高铬耐磨钢球，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：3.3％-4.0％、Si：0.2％-0.9％、Mn：0.5％-1.3％、Cr：17％-23％、Al：0.3％-0.8％、Mo：0.07％-0.2％、V：0.1％-0.3％、S：0.02％-0.1％、P：≤0.06％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，[Mo]×[V]≥0.02％％，且0.3≥[Mo]/[Al]≥0.2，[Mo]、[V]、[Al]分别对应Mo、V、Al的质量百分含量；
所述高铬耐磨钢球的铸造工艺，包括如下步骤：
S1、按照所述耐磨钢球的化学成分配料后进行熔炼，得到合金液；
S2、将步骤S1熔炼得到的合金液送入模具后进行浇铸，得到铸球球坯；
S3、将步骤S2浇铸得到的铸球球坯进行淬火，回火，即得到所述高铬耐磨钢球；
步骤S3中，所述淬火温度为940-990℃，所述回火温度为250-400℃。
2.根据权利要求1所述的高铬耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计还包括总计为0.1％以下的Cu、Co、Ni、Nb中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的高铬耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的基体组织包括马氏体，碳化物和少量残余奥氏体。
4.根据权利要求1或2所述的高铬耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的硬度≥65HRC，且冲击韧性≥6J/cm2。
5.一种权利要求1-4任一项所述的高铬耐磨钢球的铸造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按照所述耐磨钢球的化学成分配料后进行熔炼，得到合金液；
S2、将步骤S1熔炼得到的合金液送入模具后进行浇铸，得到铸球球坯；
S3、将步骤S2浇铸得到的铸球球坯进行淬火，回火，即得到所述高铬耐磨钢球；
步骤S3中，所述淬火温度为940-990℃，所述回火温度为250-400℃。
6.根据权利要求5所述的高铬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1450-1500℃。
7.根据权利要求5或6所述的高铬耐磨钢球的铸造工艺，其特征在于，步骤S2中，所述浇铸温度为1380-1400℃。
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