CN115747627A - 一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球及其制备方法，所述高铬铸铁磨球的化学成分按质量百分比计包括：C2.2‑2.6％、Si1.0‑1.4％、Mn0.6‑1.0％、Cr24‑26％、Mo0.3‑0.5％、V0.1‑0.3％、Ni0.4‑0.6％、Cu0.3‑0.5％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；所述高铬铸铁磨球的制备方法包括：将上述化学成分的高铬铸铁磨球铸造成型后，还包括下述热处理以得到所述高铬铸铁磨球：将高铬铸铁磨球加热至奥氏体化温度后进行奥氏体化处理，之后浸入水基淬火液中进行淬火处理，接着在回火温度下进行回火处理。本发明通过对所述高铬铸铁磨球的热处理工艺进行合理设计，可使所得高铬铸铁磨球同时具有硬度高、韧性好、抗冲击性能优良的优点。
Description
技术领域
本发明属于耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球及其制备方法。
背景技术
铸铁磨球为水泥、火电等行业常用的耐磨材料，而高铬铸铁磨球以其良好的耐磨性深受大型企业集团的青睐。目前行业内主要采用的高铬铸铁磨球，其铸铁组织中高含量的脆硬碳化物使其具备极高的硬度，这使得高铬铸铁磨球在低冲击条件下显示出很好的耐磨性能，但在高冲击条件下，由于高铬铸铁磨球的韧性不足，在使用的过程中就大程度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，并且造成资源的浪费，生产效率的降低。因此，需要研究开发一种高硬度、高耐磨性、高冲击韧性的高铬铸铁磨球。
目前，为了弥补高铬铸铁磨球耐磨性与韧性的不足，通常是制定合理的热处理工艺，使得高铬铸铁磨球中碳化物的形态、数量得以改善，以此来显著提高磨球材料的耐磨和韧性性能。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出了一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球及其制备方法，通过对所述高铬铸铁磨球的热处理工艺进行合理设计，可使所得高铬铸铁磨球同时具有硬度高、韧性好、抗冲击性能优良的优点。
本发明提出的一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，所述高铬铸铁磨球的化学成分按质量百分比计包括：C 2.2-2.6％、Si 1.0-1.4％、Mn 0.6-1.0％、Cr 24-26％、Mo 0.3-0.5％、V 0.1-0.3％、Ni 0.4-0.6％、Cu 0.3-0.5％、S＜0.1％、P ＜0.1％、余量为Fe；
所述高铬铸铁磨球的制备方法包括：将上述化学成分的高铬铸铁磨球铸造成型后，还包括下述热处理以得到所述高铬铸铁磨球：将高铬铸铁磨球加热至奥氏体化温度后进行奥氏体化处理，之后浸入水基淬火液中进行淬火处理，接着在回火温度下进行回火处理。
本发明在对高铬铸铁磨球进行热处理时，对比不同淬火冷却方式对所得高铬铸铁磨球的性能时发现，相比于空冷淬火、水淬或油淬，采用水基淬火液淬火后的高铬铸铁磨球能够得到更加优异的综合机械性能，表现为硬度高、韧性好、抗冲击性能优良。
优选地，所述水基淬火液为PAG水基淬火液；
本发明水基淬火液具体选择为PAG水基淬火液时，PAG水基淬火液表现出更加适配高铬铸铁磨球的淬火冷却速度；实验结果表明，本发明所述化学成分的高铬铸铁磨球经PAG水基淬火液作为淬火介质淬火处理后，所得高铬铸铁磨球径向硬度平均值约为63HRC，比油淬或水淬的高铬铸铁磨球提高约5HRC。
优选地，所述PAG水基淬火液中还包括氧化石墨烯；
优选地，所述氧化石墨烯在所述水基淬火液中的含量为0.05-0.5wt％。
本发明在水基淬火液中还额外添加有氧化石墨烯，氧化石墨烯所具有的含氧基团可以使石墨烯能够在水基淬火液中均匀分布；考虑石墨烯所具有的导热特性，因此在水基淬火液中还额外添加有氧化石墨烯能够有效改善所得水基淬火液的传热性能，进而使所得淬火液冷却速率更加适配所述高铬铸铁磨球的淬火要求，进一步提升了所得高铬铸铁磨球硬度和韧性性能。
优选地，所述PAG水基淬火液为浓度3-8％的ZFQ-BII溶液。
优选地，所述高铬铸铁磨球淬火处理之后的温度为200℃以下。
优选地，所述奥氏体化温度为950-1020℃，奥氏体化处理时间为1-2h。
本发明控制奥氏体化温度为950-1020℃，奥氏体化处理时间为1-2h，可以使所得高铬铸铁磨球淬火硬度和耐磨性能最佳。
优选地，所述高铬铸铁磨球加热至奥氏体化温度时的升温速率为5-10℃/min。
优选地，所述回火温度为360-400℃，回火处理时间为3-5h。
本发明控制所述回火温度为360-400℃，回火处理时间为3-5h，可以促使高铬铸铁磨球组织中淬火马氏体变成回火马氏体，达到稳定组织、去应力和稳定工件尺寸的目的。
优选地，所述高铬铸铁磨球的铸造成型具体包括：
按照所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入熔炼炉中熔炼成铁水，浇铸后即完成铸造成型。
优选地，所述高铬铸铁磨球的化学成分中，Cr、C的质量比为10-11:1。
铬对铸铁组织中的碳化物的类型数量起到了决定作用，本发明通过控制Cr、C的质量比为10-11:1，使得高铬铸铁磨球碳化物呈现理想的高铬铸铁组织类型，硬度和耐磨性能达到最佳。
本发明还提出一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其是采用上述制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的高铬铸铁磨球经过适宜的热处理工艺后，基体组织和碳化物状态均达到了最优状态，主要表现在：力学性能和耐磨性能大幅度提高，硬度稳定在61-66HRC，高于传统产品；冲击韧性稳定在5-10J/cm2，高于传统产品；落球冲击试验次数超过18000次，高于传统产品。
具体实施方式
下面，本发明通过具体实施例对所述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，但是不解释为限制本发明的范围。
实施例1
一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.43％、Si 1.19％、Mn 0.78％、Cr 25.74％、Mo 0.42％、V 0.22％、Ni 0.47％、Cu0.36％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
该高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热至990℃，保温1h后从高温电阻炉中取出，再浸入浓度5％的ZFQ-BII溶液中淬火冷却，待铸件磨球的温度降至200℃以下后，将铸件磨球提离所述ZFQ-BII溶液，冷却至室温后，将该铸件磨球置于380℃的等温炉中保温4h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
实施例2
一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.43％、Si 1.19％、Mn 0.78％、Cr 25.74％、Mo 0.42％、V 0.22％、Ni 0.47％、Cu0.36％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
该高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以10℃/min的升温速率加热至1020℃，保温1h后从高温电阻炉中取出，再浸入浓度8％的ZFQ-BII溶液中淬火冷却，待铸件磨球的温度降至200℃以下后，将铸件磨球提离所述ZFQ-BII溶液，冷却至室温后，将该铸件磨球置于360℃的等温炉中保温5h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
实施例3
一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.43％、Si 1.19％、Mn 0.78％、Cr 25.74％、Mo 0.42％、V 0.22％、Ni 0.47％、Cu0.36％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
该高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热至950℃，保温2h后从高温电阻炉中取出，再浸入浓度3％的ZFQ-BII溶液中淬火冷却，待铸件磨球的温度降至200℃以下后，将铸件磨球提离所述ZFQ-BII溶液，冷却至室温后，将该铸件磨球置于400℃的等温炉中保温3h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
实施例4
一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.23％、Si 1.25％、Mn 0.82％、Cr 25.89％、Mo 0.39％、V 0.18％、Ni 0.53％、Cu0.41％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；Cr、C的质量比为11.6:1
该高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热至990℃，保温1h后从高温电阻炉中取出，再浸入浓度5％的ZFQ-BII溶液中淬火冷却，待铸件磨球的温度降至200℃以下后，将铸件磨球提离所述ZFQ-BII溶液，冷却至室温后，将该铸件磨球置于380℃的等温炉中保温4h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
实施例5
一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.43％、Si 1.19％、Mn 0.78％、Cr 25.74％、Mo 0.42％、V 0.22％、Ni 0.47％、Cu0.36％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
该高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热至990℃，保温1h后从高温电阻炉中取出，再浸入水基淬火液中淬火冷却，所述水基淬火液是在浓度5％的ZFQ-BII溶液中加入0.2％的氧化石墨烯(平均粒度为1μm)混匀得到，待铸件磨球的温度降至200℃以下后，将铸件磨球提离所述ZFQ-BII溶液，冷却至室温后，将该铸件磨球置于380℃的等温炉中保温4h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
对比例1
一种高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.43％、Si1.19％、Mn 0.78％、Cr 25.74％、Mo 0.42％、V 0.22％、Ni 0.47％、Cu 0.36％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
该高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热至990℃，保温1h后从高温电阻炉中取出，再空冷至室温，接着将该铸件磨球置于380℃的等温炉中保温4h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
对比例2
一种高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.43％、Si1.19％、Mn 0.78％、Cr 25.74％、Mo 0.42％、V 0.22％、Ni 0.47％、Cu 0.36％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
该高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热至990℃，保温1h后从高温电阻炉中取出，再浸入水中淬火冷却，待铸件磨球的温度降至200℃以下后，将铸件磨球提离水面，冷却至室温后，将该铸件磨球置于380℃的等温炉中保温4h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
对比例3
一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其直径为80mm，化学成分按质量百分比计包括：C 2.43％、Si 1.19％、Mn 0.78％、Cr 25.74％、Mo 0.42％、V 0.22％、Ni 0.47％、Cu0.36％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
该高铬铸铁磨球的制备方法包括：
按所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入中频感应炉中熔炼成铁水，浇铸后得到铸件磨球；
将所述铸件磨球置于高温电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热至990℃，保温1h后从高温电阻炉中取出，再浸入机械油(普通20号机械油)中淬火冷却，待铸件磨球的温度降至200℃以下后，将铸件磨球提离油面，冷却至室温后，将该铸件磨球置于380℃的等温炉中保温4h，出炉冷却至室温，即得到所述高铬铸铁磨球。
实验测试：
将上述实施例和对比例所得高铬铸铁磨球进行洛氏硬度测试和冲击韧性测试，测试结果见下表1所示。
表1实施例和对比例所得耐磨铸球的性能
由上表可以看出，本发明所述热处理工艺更有利于获得同时具有高硬度和高韧性的高铬铸铁磨球。
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)
1.一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述高铬铸铁磨球的化学成分按质量百分比计包括：C 2.2-2.6％、Si 1.0-1.4％、Mn 0.6-1.0％、Cr 24-26％、Mo0.3-0.5％、V 0.1-0.3％、Ni 0.4-0.6％、Cu 0.3-0.5％、S＜0.1％、P＜0.1％、余量为Fe；
所述高铬铸铁磨球的制备方法包括：将上述化学成分的高铬铸铁磨球铸造成型后，还包括下述热处理以得到所述高铬铸铁磨球：将高铬铸铁磨球加热至奥氏体化温度后进行奥氏体化处理，之后浸入水基淬火液中进行淬火处理，接着在回火温度下进行回火处理。
2.根据权利要求1所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述水基淬火液为PAG水基淬火液；
优选地，所述PAG水基淬火液中还包括氧化石墨烯；
优选地，所述氧化石墨烯在所述水基淬火液中的含量为0.05-0.5wt％。
3.根据权利要求2所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述PAG水基淬火液为浓度3-8％的ZFQ-BII溶液。
4.根据权利要求1-3任一项所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述高铬铸铁磨球淬火处理之后的温度为200℃以下。
5.根据权利要求1-4任一项所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述奥氏体化温度为950-1020℃，奥氏体化处理时间为1-2h。
6.根据权利要求1-5任一项所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述高铬铸铁磨球加热至奥氏体化温度时的升温速率为5-10℃/min。
7.根据权利要求1-6任一项所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述回火温度为360-400℃，回火处理时间为3-5h。
8.根据权利要求1-7任一项所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述高铬铸铁磨球的铸造成型具体包括：
按照所述高铬铸铁磨球的化学成分将高碳铬铁、废钢、锰铁、钼铁、钒铁、金属镍和铜板加入熔炼炉中熔炼成铁水，浇铸后即完成铸造成型。
9.根据权利要求1-8任一项所述高硬度高韧性高铬铸铁磨球的制备方法，其特征在于，所述高铬铸铁磨球的化学成分中，Cr、C的质量比为10-11:1。
10.一种高硬度高韧性高铬铸铁磨球，其特征在于，其是权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到。
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