CN102676909B

CN102676909B - 一种高铬铸铁磨球的制造方法

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Publication number: CN102676909B
Application number: CN201210065991.2A
Authority: CN
Inventors: 侯利锋; 卫英慧; 郭志宏; 王宏伟; 杜华云; 李永刚
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: CN102676909A

Abstract

本发明公开了一种高铬铸铁磨球的制造方法，熔铸工艺为：试样毛坯在100KW、10kg中频感应电炉中熔炼，熔炼温度为1450℃～1500℃，采用高温浇铸，出炉温度在1400℃左右；热处理工艺为：淬火980℃，空冷至室温，回火温度分别为中温400℃，回火后空冷至室温；所述试样毛坯的合金含量为：碳含量选择在2.5％～3.5％；铬含量小于20％；锰的含量低于2.2％；Si含量0.4～1.2％；钼、铜、钒、钨含量均小于1.0％。铸球的耐磨性能与其热处理工艺密切相关，通过对高铬合金球成分设计和热处理工艺的实验研究，分析高铬合金球的金相组织和性能变化，提出了提高高铬合金球耐磨性的制造方法。

Description

一种高铬铸铁磨球的制造方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及的是一种高铬铸铁磨球的制造方法。

背景技术

球磨机是水泥、电力、选矿、建材等行业中广泛应用的粉磨设备，磨球作为球磨机中的磨矿介质，既要有高的耐磨性，又要有高的韧性。

近年来，随着我国工业的迅速发展，磨球的消耗量很大，对于如何改进磨球性能，提高其使用寿命及生产效率的成形方法，具有广泛的经济效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种高铬铸铁磨球的制造方法。

本发明的技术方案如下：

一种高铬铸铁磨球的制造方法，熔铸工艺为：试样毛坯在100KW、10kg中频感应电炉中熔炼，熔炼温度为1450℃～1500℃，采用高温浇铸，出炉温度在1400℃左右；热处理工艺为：淬火980℃，空冷至室温，回火温度分别为中温400℃，回火后空冷至室温。

所述的高铬铸铁磨球的制造方法，所述试样毛坯的合金含量为：碳含量选择在2.5％～3.5％；铬含量小于20％；锰的含量低于2.2％；Si含量0.4～1.2％；钼、铜、钒、钨含量均小于1.0％。

铸球的耐磨性能与其热处理工艺密切相关，通过对高铬合金球成分设计和热处理工艺的实验研究，分析高铬合金球的金相组织和性能变化，提出了提高高铬合金球耐磨性的制造方法。

附图说明

图1为耐磨球热处理工艺图；

图2为不同工艺热处理后耐磨球的金相组织图(400X)；a、3#试样无热处理b、4#试样980℃淬火 c、5#试样980℃淬火400℃回火；d、6#试样980℃淬火600℃回火；

图3为不同热处理工艺下的耐磨球的硬度对比；

图4为不同热处理工艺下耐磨球的磨粒磨损量对比。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1、化学成分优化设计

基于对基体与碳化物类型的要求，在实验室和工厂条件下对耐磨球的化学成分做了如下优化设计：

(1)碳：C对高铬铸铁基体组织和碳化物有重要影响。C为生成共晶碳化物(Cr、Fe)₇C₃的主要元素，在耐磨性方面起着重要作用。碳含量决定碳化物的数量，选择较高的碳含量，可获得较多的高硬度碳化物，提高淬透性及优良的耐磨性、抗热裂性和抗剥落性，但是抗冲击韧性及抗弯强度呈直线下降。所以碳含量选择在2.5％～3.5％范围内为适宜。

(2)铬：Cr是高铬白口铸铁保证优异耐磨性和韧性的基本合金元素，其含量决定碳化物的类型。当含Cr大于10％时，高铬铸铁中的共晶碳化物基本上以M₇C₃为主，从获得奥、贝基体出发，在高铬铸铁中须控制铬含量小于20％。当Cr达到一定量后，继续增加耐磨性提高并不明显，过少则不能形成高硬度的碳化物(Cr、Fe)₇C₃。

(3)锰：Mn是形成奥氏体的一种有效元素，提高淬透性。在高铬铸铁中Mn的作用：一是脱氧化；二是强化基体和碳化物。含Mn量过高时，将使组织中出现奥氏体，奥氏体组织不适宜作磨球，因为奥氏体磨球不论在干磨和湿磨中，都会造成大量破碎和剥落，但由于脱氧和去硫都用锰，因此锰的含量在耐磨球中不可以过高，低于2.2％。

(4)硅：由于Si是非碳化物形成元素，可明显降低淬透性。Si的主要作用的是提高Ms点，减少残余奥氏体。一方面Si固溶于基体中，显著降低淬透性。随着Si含量增加，碳化物变得细小，Si溶于基体中使奥氏体含碳量降低；另一方面，Si又使奥氏体枝晶变得到细化，碳化物变得细碎，而且Si含量增加，碳化物增加，硬度、耐磨性提高，但冲击韧度降低。生产铸态高铬球托氏体磨球时，适当提高Si含量，0.4～1.2％，对于Si溶于基本中促进托氏体转变的倾向，提高铸铁的抗腐蚀性有利。

5)微量合金化：在高铬铸铁中，由于加入的铬大部分进入碳化物，使基体中铬浓度还不足以抑制珠光体型的转变。为提高磨球的铸态淬透性，需加入钼、铜、钒、钨进行微量合金化，其含量均小于1.0％。

钼是强化碳化物形成元素，主要作用是细化基体，细化碳化物。钼能使C曲线右移，提高淬透性，当钼和铜联合使用时，提高淬透性的作用更大。钼还可以提高回火稳定性，防止回火脆性，从而改善综合力学性能。在金属型铸造条件下，加入少量即可起明显作用，实用于有特殊要求的耐磨钢球.

钒属于微量合金元素，能形成硬度很高的碳氮化物，弥散在基体中，有利于提高基体的显微硬度和耐磨性，同时对晶粒的细化也是有利的。

表1高铬铸铁球成分范围(单位：％)

编号

C

Mn

Si

Cr

Mo

V

W

Ti

Nb

S

P

Fe

1#试样

2.99

2.01

1.15

14.90

0.01

0.21

＜0.02

0.07

0.22

0.039

0.046

余量

实施例2、高铬耐磨球熔铸工艺

试样毛坯在100KW、10kg中频感应电炉中熔炼。所用的铸型为普通的砂型，熔炼温度为1450℃～1500℃，采用高温浇铸，出炉温度在1400℃左右。

实施例3、磨球热处理工艺

热处理是生产高铬铸铁磨球必须经过的工序。合理的热处理可消除磨球内应力、使材料硬度和韧性达到良好配合，提高材料的抗磨性能。

高铬铸铁磨球的热处理过程，实际上是二次碳化物析出和溶入的动态过程，高铬铸铁要获得良好的耐磨性都要经过淬火处理，而淬火温度和保温时间的选择是热处理工艺中至关重要的因素。

在一定的温度范围内淬火温度越高，淬透性越高。随合金中含铬量的增加，二次碳化物开始析出的温度范围向高温方向移动，故淬火温度也将随含铬量而改变。由于高铬白口铸铁具有良好的淬透性，在实际生产中，一般采用冷却强度较弱的空冷形式淬火，避免铸件发生热裂等现象，提高材料的使用寿命。高铬铸铁件可在淬火状态使用，但淬火组织中带有较高的内应力和较多的残余奥氏体，及时地回火处理不但可消除淬火内应力，还能使残余奥氏体产生马氏体转变，使高铬铸铁产生二次硬化现象。通过高铬白口铸铁的热处理工艺研究发现，在低应力和高应力的磨料磨损的工作条件下，可以省去回火工艺，空淬后即可投入使用。此外，铬系白口铸铁热处理工艺还有稳定性处理、团球化处理等。

热处理工艺

利用箱式电阻炉对磨球进行淬火、回火实验。淬火980℃，空冷至室温，回火温度分别为400℃、600℃，回火后空冷至室温。

本实验所进行的热处理工艺如图1所示，3#、4#、5#、6#试样分别采用的热处理工艺如表2所示。

表2不同试样的热处理工艺

	热处理工艺
		3#试样	无热处理
4#试样	980℃淬火
		5#试样	980℃淬火400℃回火
6#试样	980℃淬火600℃回火

注：3#、4#、5#、6#合金的成分和1#相同，只是热处理工艺不同。

热处理实验表明经980℃淬火后室温下得到的基体组织以针状淬火马氏体为主，此时耐磨球有高的硬度和耐磨性，但淬火组织中经常存在内应力，容易导致耐磨球开裂和变形，故必须经回火处理，来消除内应力，提高耐磨球的韧；经400℃中温回火后，室温下基体组织以回火托氏体为主，耐磨球有较高硬度和耐磨性；经600℃高温回火后，室温下基体组织以回火索氏体为主，并含有许多粗大的渗碳体和铁素体，这导致耐磨球的硬度和耐磨性都较差；最佳的热处理工艺为980℃淬火400℃中温回火。

显微组织分析

本实验采用金相显微镜观察高铬白口铸铁磨球在铸态和热处理后的金相组织，研究组织和性能之间的关系。

利用电火花线切割在磨球中心部位取尺寸为10mm×10mm×8mm试样，经200#至1500#金相砂纸打磨后抛光，浸蚀剂为4％的硝酸酒精，浸蚀时间10s。用MDS型金相显微镜进行组织观察与分析。

经过不同热处理工艺处理过的磨球的金相组织如图2所示。从图2不同热处理工艺后耐磨球的金相显微组织可以看出，未进行热处理的3#试样(a图)室温下的组织为珠光体P+碳化物+***莱氏体Ld′，莱氏体含量较少，渗碳体含量较多，碳化物多为网条状的碳化物；图b显示了经980℃淬火，空冷至室温后所得到试样的金相显微图，其基体组织为淬火马氏体M+碳化物+少量残余奥氏体A，马氏体为主要为针状马氏体，碳化物主要以颗粒状碳化物弥散分布在基体上；图c显示了经980℃淬火空冷至室温，再经400℃中温回火，空冷至室温，得到得试样的显微图其基体组织为回火托氏体T+碳化物+少量残余奥氏体A，马氏体主要为混合马氏体，碳化物主要呈颗粒状的碳化物；经980℃淬火空冷至室温，再经600℃高温回火，空冷至室温，得到的基体组织为回火索氏体+碳化物+少量残余奥氏体A，高温回火导致马氏体分解形成索氏体，且铁素体和碳化物较为粗大。

硬度分析

硬度是衡量耐磨性的重要指标，磨球硬度的均匀性反映了磨损的均匀性，本实验采用HR-150A型洛氏硬度计，测试高铬白口铸铁在铸态和热处理后的硬度值并进行对比，研究成分与热处理工艺对材料的硬度的影响。

从中心到边缘沿两垂直直径每隔5mm取点测量硬度值，取平均值作为硬度的最终值。硬度测量试样如图3所示，从图3硬度对比可以看出，980℃淬火后，耐磨球的硬度最高，这与其基体组织为淬火马氏体相符；经400℃中温回火后，耐磨球的硬度仍比未热处理的耐磨球的硬度高，说明回火马氏体的硬度比淬火马氏体的低，但仍比莱氏体+珠光体的硬度高；而经600℃高温回火后耐磨球的硬度比未热处理的耐磨球的硬度还低。结合图2分析可知，未热处理的耐磨球室温下组织以***莱氏体为基体，并含有珠光体和碳化物，硬度值不高；经980℃淬火空冷至室温，耐磨球的组织以淬火态的针状马氏体为主，硬度很高；经980℃淬火空冷至室温，再经400℃中温回火空冷至室温，耐磨球的基体组织为回火马氏体为主，硬度值降低；经980℃淬火空冷至室温，再经600℃高温回火空冷至室温，耐磨球的组织中马氏体分解，形成回火索氏体，导致耐磨球的硬度严重下降。

磨损量分析

实验通过比较各试样在相同磨损条件下的磨损量来评定耐磨性。采用ML-10型磨料磨损试验机，电机转速为90r/min，石英砂纸为140#，载荷分别为200g、400g、800g，磨损实验的试样大小为中Φ6×10mm，试样经正转反转磨损后用电子分析天平(精确度为0.1mg)测量其质量，磨损量ΔM＝磨损前质量M₁-磨损后质量M₂，结果如图4所示。通过图4可以看出，经980℃淬火后，磨损量最小，这可能与其组织的高硬度有关，但淬火组织中易存在内应力；经过980℃淬火再回火后，其磨损量均980℃淬火的耐磨球的磨损量大，这说明回火处理使耐磨球的耐磨性下降，但400℃中温回火比600℃高温回火后磨损量低，说明中温回火后耐磨球的耐磨性比高温回火后耐磨球的耐磨性好。

热处理实验结论

本实验采用高温加热炉对耐磨球试样进行不同工艺的热处理，采用金相显微镜、洛氏硬度仪、磨损试验机对热处理后耐磨球的组织及耐磨性进行分析，得出以下结论：

1)耐磨球经980℃淬火后室温下得到的基体组织以针状淬火马氏体为主，此时耐磨球有高的硬度和耐磨性，但淬火组织中经常存在内应力，容易导致耐磨球开裂和变形，故必须经回火处理，来消除内应力，提高耐磨球的韧性；

2)经400℃中温回火后，室温下基体组织以回火托氏体为主，耐磨球有较高硬度和耐磨性；经600℃高温回火后，室温下基体组织以回火索氏体为主，并含有许多粗大的铁素体和碳化物，这导致耐磨球的硬度和耐磨性都较差；

3)最佳的热处理工艺为980℃淬火、400℃中温回火。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高铬铸铁磨球的制造方法，其特征在于，熔铸工艺为：试样毛坯在中频感应电炉中熔炼，熔炼温度为1450℃～1500℃，采用高温浇铸，出炉温度在1400℃左右；热处理工艺为：淬火980℃，空冷至室温，回火温度分别为中温400℃，回火后空冷至室温；所述试样毛坯的合金含量为：碳含量选择在2.99％；锰的含量2.01％；Si含量1.15％；铬含量14.90％；钼含量0.01％、钒含量0.21％；钨含量小于0.02％；钛含量0.07％；Nb含量0.22％；S含量0.039％；P含量0.046％；Fe余量。