CN114231830A - 一种球墨铸铁磨球及其制备方法 - Google Patents

一种球墨铸铁磨球及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种球墨铸铁磨球及其制备方法，所述磨球的化学成分按质量百分比包括：C：3.6％‑3.7％、Si：2.5％‑2.8％、Mn：1.6％‑1.8％、Sn：0.07％‑0.1％、Mg：0.03％‑0.05％、Re：0.02％‑0.03％、S：≤0.06％、P：≤0.1％，其余为Fe。本发明提出的一种球墨铸铁磨球及其制备方法，该磨球克服了现有技术中球墨铸铁磨球硬度高、韧性低的缺陷，具有高韧性的同时，又有一定的硬度，同时兼具高耐磨性能。

Description

一种球墨铸铁磨球及其制备方法
技术领域
本发明涉及球磨铸铁技术领域，尤其涉及一种球墨铸铁磨球及其制备方法。
背景技术
随着全球经济总量的不断增加，矿业得到了显著发展，对铁、铜等各种矿石的需求不断増长，扩大了矿山机械设备的需求，与此同时也促进了有关耐磨件的发展。球磨机是粉磨行业得以发展的设备，磨球对于球磨机是不可缺少的研磨体，其用量己经成为第一。
常用的磨球大多采用中锰球铁或高铬铸铁等材质制造。中锰球铁磨球虽然铸造方便、生产成本低，但冲击韧性低，磨球破碎率居高不下；高铬铸铁磨球在干磨介质中，虽然耐磨性好，但生产成本高，影响规模化应用，此外破碎率也较高。因此研制并设计更为理想的抗磨损材料成为亟待解决的课题。
随着研究的深入和应用的推广，奥氏体-贝氏体球铁(简称ADI)因其良好的综合性能和成本优势开始在磨球等耐磨件上得到重视，成为地位极其重要的磨球材料。奥氏体-贝氏体球铁是指通过等温淬火，在不含合金(薄壁件)或含有少量合金情况下得到的高强度、高韧性、耐磨性好的新型球铁，其金相组织是由化学成分、等温温度来确定，具体是由上贝氏体、下贝氏体、奥氏体、马氏体以及少量碳化物等成分以不同比例、不同组合形成的材质。
然而现有的奥氏体-贝氏体球铁难以同时获得高强度、高硬度、高韧性和高塑性。对于要求高强度、高韧性并兼具高耐磨性的应用场合就不能满足，比如球磨机用磨球，要求表面硬度大于55HRC，同时心部的基体也要有很高的韧性和强度。因此，如何根据球磨机用磨球的性能特点及服役条件来优化奥氏体-贝氏体球铁的组织结构及相关的热处理工艺，还值得进一步研究。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种球墨铸铁磨球及其制备方法，该磨球克服了现有技术中球墨铸铁磨球硬度高、韧性低的缺陷，具有高韧性的同时，又有一定的硬度，同时兼具高耐磨性能。
本发明提出的一种球墨铸铁磨球，所述磨球的化学成分按质量百分比包括：C：3.6％-3.7％、Si：2.5％-2.8％、Mn：1.6％-1.8％、Sn：0.07％-0.1％、Mg：0.03％-0.05％、Re：0.02％-0.03％、S：≤0.06％、P：≤0.1％，其余为Fe。
本发明磨球中，通过对化学成分和配比含量进行控制，确保能够获得高硬度、高韧性的磨球，其中各元素的作用如下：
碳(C)：在球墨铸铁磨球凝固过程中，碳有利于凝固过程按稳定体系凝固，有利于石墨的析出；当碳含量过低时，磨球易产生缩松和裂纹，虽然碳含量越高，石墨球圆整度高且数量多，对基体的切割作用小，有利于材料力学性能提高，但当含量过高时，会出现石墨漂浮现象，降低磨球材料性能；因此本发明将碳含量控制为3.6％-3.7％；
硅(Si)：在等温淬火转变过程中，硅能抑制碳化物的形成，形成针状铁素体的同时排出的碳可在残余奥氏体中富集，有利于无碳化物针状铁素的形成和残余奥氏体的稳定性，并对针状铁素体有细化作用；但当硅含量过高，其主要以固溶的方式存在基体中，引起晶格畸变，降低材料塑韧性；因此本发明将硅含量控制为2.5％-2.8％；
锰(Mn)：锰的存在形式有两种：置换固溶在基体中以及以碳化物形式存在，锰的碳化物虽然能提高磨球材料的硬度和耐磨性，等温淬火时，锰也能延长孕育时间，提高淬透性，但锰正偏析严重，容易在晶界处形成碳化物，降低磨球的塑韧性；因此本发明将锰含量控制为1.6％-1.8％；
锡(Sn)：锡具有强烈促进珠光体转变的作用，并通过细化珠光体达到提高磨球材料韧性和强度的目的。但随着锡含量的增加，石墨的形状变成片状，不利于提高磨球的硬度；因此本发明将锡含量控制为0.07％-0.1％。
硫(S)：硫化学性质活泼极易与Mg、稀土形成硫化物，降低球化剂的球化效果；形成的硫化物若不能及时的去除，以夹渣的形成存在于铁液中，最终容易造成夹渣等铸造缺陷，降低了磨球的性能；因此本发明将硫含量控制为0.06％或者更少。
磷(P)：磷是有害元素，易形成磷共晶分布在晶界处，造成应力集中或裂纹，降低磨球的综合性能；因此本发明将磷含量控制为0.1％或更少。
残留镁(Mg)和稀土(Re)：稀土在原铁水中具有强烈的脱硫与脱氧作用,有利于净化铁水和球化，排除干扰元素的影响，减少铸造缺陷，稳定生产；镁主要对石墨起球化作用，同时脱去铁水中的部分硫；适量残留的镁和稀土，不仅能保证石墨球化良好，还能提高球墨铸铁的强度和伸长率，但是过高则会使石墨形态恶化，降低球化率；因此为保证球化效果，本发明将Mg残含量控制0.03％-0.05％，RE残含量控制为0.02％-0.03％。
本发明在上述成分和配比设计中，相对现有技术大幅提高Mn的含量，同时添加适量的Sn，如此可强烈稳定磨球材料铸态组织中的珠光体，使得磨球铸态组织中的珠光体稳定在60％-80％之间，如此促进后续等温淬火中贝氏体的转变；与此同时，二者复配对提高淬透性作用较大，有利于获取均匀贝氏体组织的热处理组织。
因此，本发明中通过同时添加适量的Mn和Sn，有助于形成高珠光体含量的混合型铸态组织，并细化珠光体片层间距、强化基体，珠光体组织对碳化物的形成起促进作用，同时又可稳定碳化物存在，最终有助于获得本发明所需的兼具高硬度和高韧性的磨球。
优选地，所述磨球的铸态组织包括珠光体、石墨球、碳化物和铁素体，珠光体的含量为60％-80％，球化率不低于80％。
本发明通过上述合金成分和含量控制，可达到对磨球铸态下金相组织的控制，确保铸态组织中珠光体体积分数为60-80％，球化率不低于80％，而珠光体的量和球化率是本发明最终获得高强度高韧性的磨球材料的基础。
本发明还提出一种上述球墨铸铁磨球的制备方法，包括：(1)熔炼铁液；(2)球化及孕育处理；(3)等温淬火。
优选地，所述熔炼铁液具体包括：将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、锰铁和锡铁进行配料，加热至1510℃-1560℃后熔炼成铁水。
本发明中，熔炼设备选择为中频感应炉，熔炼之前，先对各原料进行烘干预处理，防止因潮湿出现不良问题，开始熔炼后先向炉内加入生铁、废钢，其他原料按照烧损率从小到大的先后顺序依次加入，炼炼过程中选用炉前检测仪迅速检测并及时调整化学成分，侍成分合格后所得铁水出炉。
优选地，所述球化及孕育具体包括：采用喂丝球化法将球化剂和孕育剂加入铁水中进行球化及孕育处理，再在1360℃-1400℃下浇注成半成品铸球。
本发明中将球化剂孕育剂制成包芯线，采用包芯线喂丝法进行球化及孕育处理，并通过喂丝机控制复合芯线的进给速度，在球化包芯线球化处理持续加入的同时，间歇地加入孕育包芯线，实现在球化包中进行球化及孕育处理。
优选地，在进行球化及孕育处理之前，将铁水冲入装有碳化硅的球化包中。
优选地，在进行球化及孕育处理之后，向铁水中加入长效孕育剂进行随流孕育。
优选地，所述等温淬火具体包括：将半成品铸球加热至奥氏体化温度后进行保温，再浸入200℃-230℃机械油中进行淬火，即得到所述球墨铸铁磨球。
优选地，所述将半成品铸球加热至奥氏体化温度后进行保温具体包括：将半成品铸球先加热至620℃-640℃，保温1.5h-2.5h，再加热至720℃-740℃，保温1.5h-2.5h，继续加热840℃-860℃，保温1.5h-2.5h，再加热至880℃-900℃，保温1.5h-2.5h。
现有技术中，虽然奥氏体化温度通常在860℃-950℃的温度区间内，但由于淬透性的影响，奥氏体化温度越高，磨球的奥氏体化程度越完全，随着温度的升高，磨球中的碳元素和碳化物溶解到奥氏体中的速度会得到明显的提升，同时较高的奥氏体化温度能加快各元素在奥氏体中的扩散速度，使奥氏体的成分更加均匀，从而进一步提高球墨铸铁磨球的淬透性；但是随着奥氏体化温度的提高，会使实际生产中能量的消耗增大，对热处理设备的损耗也增大，同时，随着奥氏体化温度的提高，会使奥氏体晶粒粗大，从而导致等温淬火阶段奥氏体转变形成的贝氏体和马氏体组织变粗，使球墨铸铁磨球的韧性降低，奥氏体化温度的升高会使奥氏体稳定性提高，使等温淬火转变产物中残余奥氏体含量增多，会降低球墨铸铁磨球的硬度。因此，本发明通过阶段升温方式进行奥氏体化，使成分更加均匀，保证成分的均匀，对控制球磨铸铁磨球的热处理工艺具有很重要的意义。
优选地，在进行淬火之后，还包括对所述半成品铸球进行回火；
优选地，所述回火温度为250℃-270℃，回火时间为3-5h。
本发明中通过多次试验发现，在200℃-230℃机械油中进行淬火，球磨铸铁磨球等温转变成贝氏体的速度加快，使最终产物中贝氏体、马氏体的含量增多，最终获得的磨球物相组织有残余奥氏体、贝氏体、马氏体、碳化物和石墨球，其中贝氏体和石墨球提供良好的韧性，马氏体和碳化物提供较硬的强度，还有石墨球的圆整度对提高球墨铸铁磨球的机械性能非常重要。
本发明中，通过Mn、Sn的复合合金化处理能显著提高珠光体含量、细化珠光体片层间距、强化基体，加强该球墨铸铁磨球的淬火硬度，使所得磨球兼具硬度和韧性性能：所生产出不同直径的磨球硬度为HRC60以上，内外硬度差值小于3，冲击韧性为18J/cm2以上，落球次数>30000次，具有良好的耐磨性、冲击韧性和较好的综合力学性能。
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
一种球墨铸铁磨球，该磨球的最终化学成分按质量百分比包括：C：3.65％、Si：2.65％、Mn：1.72％、Sn：0.085％、Mg：0.04％、Re：0.026％、S：0.03％、P：0.04％，其余为Fe。
为了得到上述球墨铸铁磨球，其制造工艺如下：
(1)熔炼铁液：将生铁、废钢、球铁回炉料、增碳剂、锰铁和锡铁加入中频感应电炉中进行熔炼，升温至1550℃后熔炼至清，静置10min，得到铁水；
(2)球化及孕育：控制铁水出炉温度为1520℃，将铁水倒入球化包后，在球化包中事先加入铁水总质量0.2％的碳化硅纳米材料，再加入覆盖剂隔绝空气，采用包芯线在铁水中同时进行球化和孕育处理，所用两根包芯线分别为铁包裹球化剂和铁包裹孕育剂制成的球化包芯线和孕育包芯线，球化包芯线和孕育包芯线直径均为13mm，通过喂丝机控制球化包芯线和孕育包芯线，在球化包芯线球化处理持续加入的同时，间歇性加入孕育包芯线，喂丝球化温度为1420℃，球化包芯线喂丝速度为17m/min，球化包芯线球化剂为稀土硅铁镁合金FeSiMg6RE1，球化包芯线的规格为0.4kg/m，其中铁皮质量为0.16kg/m，镁球化剂含量为0.24kg/m，孕育包芯线孕育剂为75SiFe孕育剂，孕育包芯线的规格为0.31kg/m铁皮质量为0.13kg/m，孕育剂的含量为0.18kg/m；
球化孕育结束后再加入铁水质量0.2％的长效孕育剂65SiBaFe，并用草木灰覆盖隔绝空气，扒渣后浇注成型，浇注温度为1380℃，得到直径为40mm的球墨铸铁磨球半成品，待冷却到800℃后开箱空冷至室温；
(3)等温淬火：将冷却至室温的磨球半成品加入加热炉中，先加热至630℃，保温2h，再加热至730℃，保温2h，继续加热850℃，保温2h，接着加热至890℃，保温2h，再浸入220℃机械油中进行等温淬火处理600s，待温度降至270℃后，立即进入温度为260℃的回火线中等温回火4h，即得到所述球墨铸铁磨球。
对上述获得的磨球料进行检测，可知本实施例所得磨球，其表层硬度为HRC63.4，而且内外硬度差值小于3，冲击韧性αk为19.8J/cm2，落球次数>30000次，具有良好的耐磨性、冲击韧性和较好的综合力学性能。
实施例2-4
一种球墨铸铁磨球，其实施例2-4与实施例1基本相同，不同在于该磨球的最终化学成分不同，具体如下表1所示。
对比例1-3
一种球墨铸铁磨球，其对比例1-3与实施例1基本相同，不同在于该磨球的最终化学成分不同，具体同样如下表1所示。
表1 实施例和对比例所述磨球的化学成分(wt.％)
C Si Mn Sn Mg Re S P
实施例1 3.65 2.65 1.72 0.085 0.040 0.026 0.03 0.04
实施例2 3.61 2.79 1.62 0.095 0.032 0.028 0.03 0.05
实施例3 3.69 2.53 1.79 0.074 0.047 0.021 0.03 0.04
实施例4 3.66 2.62 1.75 0.086 0.043 0.025 0.04 0.05
对比例1 3.65 2.63 1.70 / 0.041 0.025 0.03 0.04
对比例2 3.68 2.61 1.74 0.055 0.039 0.024 0.03 0.04
对比例3 3.67 2.67 1.73 0.11 0.044 0.023 0.03 0.04
上述实施例和对比例有关所述球墨铸铁磨球的性能测试结果如下表2所示：
表2 实施例和对比例所述磨球的硬度和强度
Figure BDA0003340110510000081
Figure BDA0003340110510000091
由上表可知，本发明制备的球墨铸铁磨球具有良好的综合力学性能和优异的耐磨性。
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 (10)

1.一种球墨铸铁磨球，其特征在于，所述磨球的化学成分按质量百分比包括：C：3.6％-3.7％、Si：2.5％-2.8％、Mn：1.6％-1.8％、Sn：0.07％-0.1％、Mg：0.03％-0.05％、Re：0.02％-0.03％、S：≤0.06％、P：≤0.1％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的球墨铸铁磨球，其特征在于，所述磨球的铸态组织包括珠光体、石墨球、碳化物和铁素体，珠光体的含量为60％-80％，球化率不低于80％。
3.一种根据权利要求1或2所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，包括：(1)熔炼铁液；(2)球化及孕育；(3)等温淬火。
4.根据权利要求3所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述熔炼铁液具体包括：将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、锰铁和锡铁进行配料，加热至1510℃-1560℃后熔炼成铁水。
5.根据权利要求3或4所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述球化及孕育具体包括：采用喂丝球化法将球化剂和孕育剂加入铁水中进行球化及孕育处理，再在1360℃-1400℃下浇注成半成品铸球。
6.根据权利要求5所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，在进行球化及孕育处理之前，将铁水冲入装有碳化硅的球化包中。
7.根据权利要求5或6所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，在进行球化及孕育处理之后，向铁水中加入长效孕育剂进行随流孕育。
8.根据权利要求3-7任一项所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述等温淬火具体包括：将半成品铸球加热至奥氏体化温度后进行保温，再浸入200℃-230℃机械油中进行淬火，即得到所述球墨铸铁磨球。
9.根据权利要求8所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述将半成品铸球加热至奥氏体化温度后进行保温具体包括：将半成品铸球先加热至620℃-640℃，保温1.5h-2.5h，再加热至720℃-740℃，保温1.5h-2.5h，继续加热840℃-860℃，保温1.5h-2.5h，再加热至880℃-900℃，保温1.5h-2.5h。
10.根据权利要求8或9所述的球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于，在进行淬火之后，还包括对所述半成品铸球进行回火；
优选地，所述回火温度为250℃-270℃，回火时间为3-5h。
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