CN106756619A - 一种高韧性高强度耐磨钢球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分按重量百分比包括:C:0.35‑0.47%、Si:0.25‑0.4%、Mn:2‑3%、Cu:0.03‑0.04%、Cr:1‑1.5%、B:0.003‑0.005%、Mg:0.03‑0.06%、Ti:0.01‑0.03%、Zr:0.02‑0.04%、Nb:0.01‑0.03%、V:0.05‑0.1%、Mo:0.05‑0.2%、Ni:0.1‑0.25%、Ca+Ba:0.015‑0.018%、S:0.01‑0.02%、P:0.01‑0.02%、其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提出了耐磨钢球的制备方法,其过程简单,得到的耐磨钢球韧性、强度、耐磨性好。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域,尤其涉及一种高韧性高强度耐磨钢球及其制备方法。
背景技术
球磨机作为矿山、水泥工业中物料粉磨的主要设备,得到广泛的普及应用,其中的球磨机钢球是球磨机运行工作的重要消耗性材料,其原理是利用耐磨球与物料的冲击和研磨作用使物料粉碎,耐磨球的质量直接影响待粉碎物料的粉碎质量,耐磨球的使用寿命直接影响劳动生产率,所以对耐磨球的要求是既要具有足够的强度和硬度,又要有较好的抗冲击韧性。现有技术中,球磨机的磨介钢球主要是铬系合金、锰系合金等球磨铸钢件或球磨铸铁件,如高铬钢球、低铬钢球、多元合金钢球和钒钛铬合金钢球等,在使用的过程中,存在冲击韧性不是很好、强度较低、耐磨性能欠佳的缺陷。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了一种高韧性高强度耐磨钢球及其制备方法,所述的高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,其过程简单,条件温和,得到的耐磨钢球冲击韧性好,强度高,耐磨性能优异。
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分按重量百分比包括:C:0.35-0.47%、Si:0.25-0.4%、Mn:2-3%、Cu:0.03-0.04%、Cr:1-1.5%、B:0.003-0.005%、Mg:0.03-0.06%、Ti:0.01-0.03%、Zr:0.02-0.04%、Nb:0.01-0.03%、V:0.05-0.1%、Mo:0.05-0.2%、Ni:0.1-0.25%、Ca+Ba:0.015-0.018%、S:0.01-0.02%、P:0.01-0.02%、其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地,其化学成分中,Mn、B、Cr的重量百分比满足以下关系式:Mn=500×B+0.15×Cr,且Cr+Mn≥3.4%。
优选地,其化学成分中,Nb、B、Ti的重量百分比满足以下关系式:Ti=kB+Nb,且k取3-5。
优选地,其化学成分中,Nb、V的重量百分比满足关系式:0.09%≤Nb+V≤0.11%。
优选地,其化学成分中Ca、Ba的重量比为2-10:3-8。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,包括以下步骤:
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼,扒渣、脱氧后得到合金液;
S2、待合金液冷却至1430-1450℃后浇注入金属模具型腔中,待合金液温度降至900-950℃时取出,冷却至室温得到耐磨球坯体;
S3、将耐磨球坯体升温至880-900℃,保温40-55min,降温至250-300℃然后在350-360℃中保温30-50min,空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球。
优选地,在S1中,在脱氧的过程中,所采用的脱氧剂的原料按重量份包括:铝矾土35-50份、钙粉10-15份、铁粉5-20份、硅石2-10份、重晶石1-5份、焦炭2-10份;所述脱氧剂选择了铝矾土、钙粉、铁粉、硅石、重晶石、焦炭为原料,并调节了各原料在体系中的比例,使各原料的性能协同,与氧具有较高的强和力,同时具有较高的脱硫能力,在脱氧的同时起到了脱硫的效果,与同类脱氧剂相比,钢水总氧含量低,脱氧产物相互聚积长大,上浮快;钢中夹杂物含量减少,同时可使夹杂物变性,钢水浇铸时流动性好,同时使用了铝矾土代替金属铝,降低了成本。
优选地,在S3中,升温至880-900℃的过程中,升温速率为A℃/s,A=1.3+K1×CCr+K2×CMn,其中,K1取50-100,K2取30-50,CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比。
优选地,在S3中,降温至250-300℃的过程中,降温速度为B℃/s,B=0.8+K3×CCr+K4×CMn,其中,K3取100-200,K4取30-80,CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比。
优选地,在S3中,回火的温度为T℃,且T=328+K5×CTi+K6×CNb,其中,K5取20000-35000,K6取25000-40000,CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比。
本发明所述高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分中适当提高了C的含量,在防止材料淬火后工件开裂的前提下,提高了材料的冲击韧性,同时加入了Mn和Cr,并适当提高了Mn和Cr的含量,同时降低了Mo的含量,显著提高了材料的淬透性和回火稳定性,同时使加入的Mn与B相配合,在防止硼脆的前提下,抑制了多边形铁素体的转变,同时凸出贝氏体转变区,在较大范围内得到贝-马组织,同时控制Mn、B、Cr的重量百分比满足以下关系式:Mn=500×B+0.15×Cr,且Cr+Mn≥3.4%,使Mn、B、Cr三者结合,使得高温转变孕育期明显长于中温转变,从而细化了材料的尺寸,显著改善了钢球的强度和韧性;Nb和B加入体系中,降低了贝氏体的转变温度,进一步细化了组织,提高了基体中位错密度,并加入了一定量的Ti,并使Nb、B、Ti的重量百分比满足以下关系式:Ti=kB+Nb,且k取3-5,从而使Nb、B、Ti具有最优的协同性能,避免N与B的结合同时形成了TiN和NbN,起到了凝固核心的作用,促进了钢球显微组织的细化,进一步提高了钢球的强度和韧性,同时防止了粗大夹杂物的形成;同时加入了Ca和Ba,并将Ca+Ba的含量控制在0.015-0.018%的范围内,起到了细化钢球的作用,使所得钢球更圆整,同时有利于提高钢球的强度和韧性;在制备方法中,具体选择了淬火的温度为880-900℃,保温40-45min,另外,控制了淬火过程中升温的速率和降温的速率,使升温速率A满足A=1.3+K1CCr+K2CMn,K1取50-100,K2取30-50,降温速率B满足B=0.8+K3CCr+K4CMn,K3取100-200,K4取30-80,使珠光体析出减少,马氏体组织逐渐增多,硬度增大,使钢球的硬度和冲击韧性达到最优,增加了过冷奥氏体转变为马氏体的稳定性,增强了钢的淬透性,提高了淬透层的硬度;当超过900℃后组织开始细化,硬度和冲击韧性逐渐降低;之后降温至250-300℃,控制了冷却的速度,并在350-360℃中保温30-50min,避免了非马氏体类组织转变,赋予钢球最佳性能;优选方式中,将回火的温度为设置为Ti、Nb的重量百分比的关系式,即T=328+K5×CTi+K6×CNb,其中,K5取20000-35000,K6取25000-40000,CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比,从而使组织的析出物除了有大量弥散分布的ε-碳化物外,还出现了少量的(Nb,Ti)(C,N)粒子,这两类析出粒子的出现,使所得耐磨钢球在保持极高的强度和硬度的同时,仍然具有较好的韧性,从而为其具备极高的耐磨性能提供了保障。
对本发明所述高韧性高强度耐磨钢球进行性能测试,其硬度为49-56HRC,冲击韧性为31-36J/cm2,综合性能良好。
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。
实施例1
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分按重量百分比包括:C:0.47%、Si:0.25%、Mn:3%、Cu:0.03%、Cr:1.5%、B:0.003%、Mg:0.06%、Ti:0.01%、Zr:0.04%、Nb:0.03%、V:0.05%、Mo:0.2%、Ni:0.1%、Ca+Ba:0.018%、S:0.01%、P:0.02%、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,包括以下步骤:
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼,扒渣、脱氧后得到合金液;
S2、待合金液冷却至1430℃后浇注入金属模具型腔中,待合金液温度降至950℃时取出,冷却至室温得到耐磨球坯体;
S3、将耐磨球坯体升温至880℃,保温55min,降温至250℃然后在360℃中保温50min,空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球。
实施例2
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分按重量百分比包括:C:0.35%、Si:0.4%、Mn:2%、Cu:0.04%、Cr:1%、B:0.005%、Mg:0.03%、Ti:0.03%、Zr:0.02%、Nb:0.01%、V:0.1%、Mo:0.05%、Ni:0.25%、Ca+Ba:0.015%、S:0.02%、P:0.01%、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,包括以下步骤:
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼,扒渣、脱氧后得到合金液;
S2、待合金液冷却至1450℃后浇注入金属模具型腔中,待合金液温度降至900℃时取出,冷却至室温得到耐磨球坯体;
S3、将耐磨球坯体升温至900℃,保温40min,降温至300℃然后在350℃中保温30min,空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球。
实施例3
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分按重量百分比包括:C:0.43%、Si:0.28%、Mn:2.01%、Cu:0.031%、Cr:1.4%、B:0.0036%、Mg:0.055%、Ti:0.0258%、Zr:0.028%、Nb:0.015%、V:0.08%、Mo:0.17%、Ni:0.16%、Ca:0.013%、Ba:0.004%、S:0.018%、P:0.013%、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,包括以下步骤:
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼,扒渣、脱氧后得到合金液;其中,在脱氧的过程中,所采用的脱氧剂的原料按重量份包括:铝矾土50份、钙粉10份、铁粉20份、硅石2份、重晶石5份、焦炭2份;
S2、待合金液冷却至1435℃后浇注入金属模具型腔中,待合金液温度降至940℃时取出,冷却至室温得到耐磨球坯体;
S3、将耐磨球坯体升温至885℃,保温52min,降温至260℃然后在358℃中保温36min,空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球;
其中,升温至885℃的过程中,升温速率为A℃/s,A=1.3+K1×CCr+K2×CMn,其中,K1取50,K2取50,CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比,即A=3.005℃/s;
降温至260℃的过程中,降温速度为B℃/s,B=0.8+K3×CCr+K4×CMn,其中,K3取200,K4取30,CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比,即B=4.203℃/s;
回火的温度为T℃,且T=328+K5×CTi+K6×CNb,其中,K5取35000,K6取40000,CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比,即T=343.03℃。
实施例4
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分按重量百分比包括:C:0.36%、Si:0.37%、Mn:2.213%、Cu:0.038%、Cr:1.42%、B:0.004%、Mg:0.037%、Ti:0.03%、Zr:0.036%、Nb:0.01%、V:0.085%、Mo:0.1%、Ni:0.22%、Ca:0.0032%、Ba:0.0128%、S:0.015%、P:0.017%、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,包括以下步骤:
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼,扒渣、脱氧后得到合金液;其中,在脱氧的过程中,所采用的脱氧剂的原料按重量份包括:铝矾土35份、钙粉15份、铁粉5份、硅石10份、重晶石1份、焦炭10份;
S2、待合金液冷却至1445℃后浇注入金属模具型腔中,待合金液温度降至920℃时取出,冷却至室温得到耐磨球坯体;
S3、将耐磨球坯体升温至896℃,保温43min,降温至287℃然后在352℃中保温43min,空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球;
其中,升温至896℃的过程中,升温速率为A℃/s,A=1.3+K1×CCr+K2×CMn,其中,K1取100,K2取30,CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比,即A=3.3839℃/s;
降温至287℃的过程中,降温速度为B℃/s,B=0.8+K3×CCr+K4×CMn,其中,K3取100,K4取80,CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比,即B=3.9904℃/s;
回火的温度为T℃,且T=328+K5×CTi+K6×CNb,其中,K5取20000,K6取25000,CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比,即T=336.5℃。
实施例5
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球,其化学成分按重量百分比包括:C:0.38%、Si:0.32%、Mn:2.195%、Cu:0.035%、Cr:1.3%、B:0.004%、Mg:0.045%、Ti:0.028%、Zr:0.03%、Nb:0.01%、V:0.08%、Mo:0.16%、Ni:0.16%、Ca:0.008%、Ba:0.008%、S:0.01%、P:0.02%、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,包括以下步骤:
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼,扒渣、脱氧后得到合金液;其中,在脱氧的过程中,所采用的脱氧剂的原料按重量份包括:铝矾土42份、钙粉13份、铁粉10份、硅石8份、重晶石3份、焦炭7份;
S2、待合金液冷却至1440℃后浇注入金属模具型腔中,待合金液温度降至930℃时取出,冷却至室温得到耐磨球坯体;
S3、将耐磨球坯体升温至890℃,保温50min,降温至280℃然后在355℃中保温40min,空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球;
其中,升温至890℃的过程中,升温速率为A℃/s,A=1.3+K1×CCr+K2×CMn,其中,K1取60,K2取40,CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比,即A=2.958℃/s;
降温至280℃的过程中,降温速度为B℃/s,B=0.8+K3×CCr+K4×CMn,其中,K3取160,K4取50,CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比,即B=3.9775℃/s;
回火的温度为T℃,且T=328+K5×CTi+K6×CNb,其中,K5取30000,K6取30000,CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比,即T=339.4℃。
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)
1.一种高韧性高强度耐磨钢球,其特征在于,其化学成分按重量百分比包括:C:0.35-0.47%、Si:0.25-0.4%、Mn:2-3%、Cu:0.03-0.04%、Cr:1-1.5%、B:0.003-0.005%、Mg:0.03-0.06%、Ti:0.01-0.03%、Zr:0.02-0.04%、Nb:0.01-0.03%、V:0.05-0.1%、Mo:0.05-0.2%、Ni:0.1-0.25%、Ca+Ba:0.015-0.018%、S:0.01-0.02%、P:0.01-0.02%、其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述高韧性高强度耐磨钢球,其特征在于,其化学成分中,Mn、B、Cr的重量百分比满足以下关系式:Mn=500×B+0.15×Cr,且Cr+Mn≥3.4%。
3.根据权利要求1或2所述高韧性高强度耐磨钢球,其特征在于,其化学成分中,Nb、B、Ti的重量百分比满足以下关系式:Ti=kB+Nb,且k取3-5。
4.根据权利要求1-3中任一项所述高韧性高强度耐磨钢球,其特征在于,其化学成分中,Nb、V的重量百分比满足关系式:0.09%≤Nb+V≤0.11%。
5.根据权利要求1-4中任一项所述高韧性高强度耐磨钢球,其特征在于,其化学成分中Ca、Ba的重量比为2-10:3-8。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼,扒渣、脱氧后得到合金液;
S2、待合金液冷却至1430-1450℃后浇注入金属模具型腔中,待合金液温度降至900-950℃时取出,冷却至室温得到耐磨球坯体;
S3、将耐磨球坯体升温至880-900℃,保温40-55min,降温至250-300℃然后在350-360℃中保温30-50min,空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球。
7.根据权利要求6所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,其特征在于,在S1中,在脱氧的过程中,所采用的脱氧剂的原料按重量份包括:铝矾土35-50份、钙粉10-15份、铁粉5-20份、硅石2-10份、重晶石1-5份、焦炭2-10份。
8.根据权利要求6或7所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,其特征在于,在S3中,升温至880-900℃的过程中,升温速率为A℃/s,A=1.3+K1×CCr+K2×CMn,其中,K1取50-100,K2取30-50,CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比。
9.根据权利要求6-8中任一项所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,其特征在于,在S3中,降温至250-300℃的过程中,降温速度为B℃/s,B=0.8+K3×CCr+K4×CMn,其中,K3取100-200,K4取30-80,CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比。
10.根据权利要求6-9中任一项所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法,其特征在于,在S3中,回火的温度为T℃,且T=328+K5×CTi+K6×CNb,其中,K5取20000-35000,K6取25000-40000,CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比。
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