CN107400821B - 超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法，涉及含球墨的铸铁合金，将采用按质量百分比为：0.8～1.2%C、1.6～2.5%Si、1.0～2.5%Mn、0.2～0.8%Cr、0.1～0.4%Mo、P<0.03%、S<0.03%，余量为Fe及不可避免的少量杂质进行原料配制的超低碳球墨铸铁材料，用滚切式斜轧机轧制成超低碳球墨铸铁轧球，再对该超低碳球墨铸铁轧球进行等温淬火热处理，制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，克服了采用轧制法生产磨球的现有技术普遍存在的磨球的性能差、球耗高、使用寿命短、用户满意度差以及制造成本高的缺陷。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及含球墨的铸铁合金，具体地说是超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法。
背景技术
在冶金矿山、机械和电力等众多工业部门中，耐磨材料是必不可缺的重要材料，且其属于易损易耗品，每年消耗量巨大。而在各种金属耐磨材料中，磨球消耗最多，国内每年磨球消耗量超过200万吨。据国内不完全统计，磨球每年损失不少于40亿。随着国民经济的持续、稳定发展，磨球用量将进一步增加，国内外磨球市场的巨额消耗也引起人们重视，因此，提高磨球性能、延长使用寿命、降低生产成本、降低球耗将带来巨大的经济效益和社会效益，并将一直成为研究、生产、使用部门关注的焦点。
目前，国内外冶金、矿山和水泥等行业应用的磨球主要有高铬铸铁磨球(10-28％Cr)、低铬铸铁磨球(1-3％Cr)和锻钢磨球。高铬铸铁磨球在矿山湿磨条件下耐磨性优势不大，性价比低；低铬铸铁磨球韧性较低，容易破碎和剥落；锻钢磨球耐磨性较低、磨耗大且生产质量难以控制，生产效率不高。这些磨球材料存在的不可克服的缺陷使其应用受到限制。
近年来开发的基体组织为奥铁体组织的ADI及CADI磨球，这类磨球的耐磨性、抗冲击能力、磨耗和综合性能均有较大的提升。CN105734399A公布了“一种适于半自磨机使用的奥铁体球铁磨球及其加工工艺”，其磨球化学成分为碳3.2～3.9％、硅2.30～2.93％、锰0.96～2.80％、铬0.21～0.90％、铜0.11～0.60％、钼0.10～0.80％、钒0.10～0.68％、钛0.10～0.78％、铌0.01～0.09％、磷0～0.05％、硫0～0.03％、镁0.03～0.05％和稀土元素0.02～0.03％，其首先通过铸造成型制成铸态磨球，经等温淬火热处理制成奥铁体磨球，其表面硬度可达58HRC，磨损过程中磨损层产生加工硬化，硬度可达62-64HRC，进一步提高了磨球耐磨性。CN101906565A公布了“含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方法”，其磨球化学成分为：3.3～3.7％C、2.4～3.3％Si、2.5～3.6％Mn、0.6～1.5％Cr、P﹤0.08％、S﹤0.025％、0.03～0.05％Mg和0.02～0.04％RE，通过等温淬火工艺获得综合力学优良的奥铁体基体，且基体中分布一定数量碳化物，使得磨球具有较高的耐磨性和韧性。CN104152792A公布了“一种奥铁体球墨铸铁磨球”，其磨球化学成分为：3.3～3.7％C、2.0～3.0％Si、1.0～2.5％Mn、0.7～3.0％Cr、0.1～1.0％Mo、0.1～1.0％Cu、0.04～0.08％P、0.01～0.02％S、0.03～0.05％Mg、0.02～0.04％Ce、0.03～0.07％B、0.06～0.12％Ti和0.03～0.2％V，通过等温淬火热处理获得金相组织由奥铁体组织、碳化物和石墨球组成磨球。应用实践证明，其耐磨性是低铬铸铁磨球和锻钢磨球2～3倍。奥铁体磨球充分体现了基体为奥铁体组织的球墨铸铁作为磨球材料的优越性。但是，以上奥铁体球墨铸铁磨球均采用铸造工艺制备磨球，按照生产方式属于铸造球，其存在生产效率低、成本较高、能耗高、环境污染大、噪音大和劳动强度高等一系列缺陷，已不能满足现代市场要求及国家节能减排的生态绿色发展的方针政策。
CN102080178A公开了一种“准铸态高强韧性贝氏体低碳球铁及其制作方法”，其低碳球铁化学成分为：1.2～2.2％C、2.0～2.8％Si、0.8～1.6％Mn、0.3～0.6％Cr、0.3～0.8％Cu、P﹤0.1％、S﹤0.1％和0.4～0.7％SX变质剂，在其实施例1中提到一种消失模铸造准铸态贝氏体低碳球铁球磨机磨球，基体组织是以贝氏体为主，奥氏体为辅的复相组织。其采用准铸态工艺制备磨球，在磨球冷却过程中打箱继而淬火热处理，实际生产中，采用这种方法制备磨球的打箱时间和温度很难控制，磨球质量不能得到保证，且其仍属于铸造工艺制备磨球，属于铸造球，其生产效率低，环境污染大，劳动强度大，且最终磨球耐磨性不高。
在现有的磨球生产方式中，采用轧制法生产磨球，轧制速度快，生产效率高，轧制球型好，更重要的是能源消耗小、环境污染小，用工少、工作强度低，机械化程度也更高。所以，发展高品质的轧制磨球是未来发展的趋势。目前，轧制磨球的材料主要为碳钢或中高碳合金钢。中高碳合金钢的硬度和韧性虽都有所提高，但依旧不够理想，耐磨性不足、易失圆和易破碎，且加入较多合金元素，极大增加了成本，不符合国家节能减排的方针。CN103498103A公布了“一种高淬透性大直径65MnCr磨球及其制备方法”，该磨球化学成分为0.55～0.75％C、0.1～0.5％Si、1.0～3.0％Mn、0.5～1.5％Cr、0.01～0.1％Al、P≤0.1％、S≤0.01％和N≤0.01％，经轧制工艺制成磨球再经轧制余热淬火和回火工艺热处理后得到高淬透性磨球。CN104651730A公开了“一种耐磨合金钢、合金磨球及其制备方法”，按重量百分比计，所述合金钢包括以下物质：碳为0.90～1.00％、硅为0.35～0.45％、锰为0.50～0.60％、铬为1.1～1.3％、钼为0.25～0.35％、硼为0.07～0.09％、稀土为0.3～0.5％、铜为0～0.06％、磷为0～0.015％、硫为0～0.016％，余量为铁及不可避免的杂质，通过轧制工艺制备出抗磨损的耐磨合金钢及合金磨球。以上技术轧制工艺制备磨球所用材质仍然属于中高碳合金钢，硬度较高，但韧性不足，实际工矿使用中易破碎、易失圆、磨耗较大，不能同时满足硬度、耐磨性和韧性的综合要求导致使用成本提高。《可轧制新型贝氏体球墨铸铁的研究》一文中，提到将化学成分为：C：3.44％，Si：3.15％，Mn：1.6％，P：0.011％，Re：0.038％，Mg：0.035％的新型球铁连铸坯经斜轧机轧成直径φ35mm、φ40mm或φ60mm的磨球，经轧制余热淬火，200℃回火最终得到磨球。这种直接轧制球铁连铸坯制备磨球方式局限很大，普通球墨铸铁石墨球粗大，塑韧性较差，轧制过程中很容易出现轧裂和轧碎现象，实际生产中不易控制，且其最终获得磨球尺寸有限，大直径尺寸球铁磨球很难制备，不能满足矿山大直径球磨机使用，同时这种磨球强韧性较差，耐磨性不足。
上述采用轧制法生产磨球的现有技术普遍存在以下缺陷：磨球的性能差、球耗高、使用寿命短和用户满意度差，或者制造成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法，采用超低碳球墨铸铁材料，用滚切式斜轧机轧制成超低碳球墨铸铁轧球，再对该超低碳球墨铸铁轧球进行等温淬火热处理，制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，克服了采用轧制法生产磨球的现有技术普遍存在的磨球的性能差、球耗高、使用寿命短、用户满意度差以及制造成本高的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法，采用超低碳球墨铸铁材料，用滚切式斜轧机轧制成超低碳球墨铸铁轧球，再对该超低碳球墨铸铁轧球进行等温淬火热处理，制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，具体步骤如下：
第一步，原料配制与熔炼：
称取所需用量的生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁和钼铁，按质量百分比为：0.8～1.2％C、1.6～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、0.2～0.8％Cr、0.1～0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质进行原料配制，将由此配制的原料加入中频感应电炉或工频感应电炉进行熔炼，得到的熔炼铁水化学成分的质量百分比为：0.8～1.2％C、1.6～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、0.2～0.8％Cr、0.1～0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质，出炉温度控制在1650～1690℃；
第二步，变质与浇铸：
采用包内冲入法进行变质处理，预先在球化包底层凹坑内放入用量为按质量百分比占上述第一步熔炼铁水的0.5～1.0％的变质剂，将上述第一步熔炼好的熔炼铁水温度控制在1650～1690℃浇入球化包，再将该球化包内经变质处理后的熔炼铁水浇铸成铸坯或连铸坯，浇铸温度控制在1520～1580℃；
第三步，锻造与轧制：
将上述第二步制得铸坯或连铸坯加热至1150～1250℃，保温1～2小时，将其锻造成直径为25～120mm，长度为1～1.5m的锻造圆棒，将该锻造圆棒在轧制装置的加热段加热至950～1050℃，使该锻造圆棒进入滚切式斜轧机时正好处于此温度范围，该锻造圆棒经滚切式斜轧机轧制成直径为25～125mm的磨球，该磨球是含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球；
第四步，等温淬火热处理：
将上述第三步制得的含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球进行常规技术的等温淬火热处理，最终制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，其化学组成成分的质量百分比为0.8～1.2％C、1.6～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、0.2～0.8％Cr、0.1～0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质。
上述超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法，所述变质剂为含有Fe、Si、Mg、RE、Ca和Ba元素的SC合金。
上述超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法，所涉及的原材料、变质剂和设备均可通过公知途经获得；所涉及的操作工艺是本领域的人员所能掌握的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明方法的突出的实质性的特点和显著进步如下：
(1)本发明方法采用超低碳球墨铸铁材料，含碳量低，细小和均匀的石墨球极大地降低了石墨作为空洞缺陷给铸铁磨球性能带来的不利影响，克服了普通球墨铸铁难以进行锻造和轧制这类热加工工艺的缺陷。
(2)采用轧制法生产超低碳球墨铸铁磨球，可实现自动化控制，显著提高了生产效率，降低了生产成本,其成本仅为铸造工艺生产磨球的1/2到2/3，且污染小，资源浪费少，工人劳动强度低。
(3)本发明方法对超低碳球墨铸铁轧球进行等温淬火热处理，得到基体组织为奥铁体，分布细小，由此制得的超低碳球墨铸铁的抗拉强度达到1400～1800MPa，冲击韧性达到100～140J/cm2，远高于目前磨球常用的等温淬火球墨铸铁的性能：抗拉强度750～1600MPa，冲击韧性10～80J/cm2；远高于目前含碳化物等温淬火球墨铸铁的性能：抗拉强度600～1000Mpa，冲击韧性8～20J/cm2；也高于目前锻造磨球用合金钢的性能：抗拉强度800～1400MPa，冲击韧性15～60J/cm2；也高于目前高铬铸铁的性能：抗拉强度500～700MPa，冲击韧性3～7J/cm2。特别是，由此制得的超低碳球墨铸铁的动载荷下抗冲击疲劳性能好、自硬化能力强和耐磨损性能好。
(4)实践表明，与现有的半自磨机锻钢磨球相比，本发明轧制法生产的超低碳球墨铸铁磨球的耐磨性可提高30～50％，节电1～5％。本发明轧制法生产的超低碳球墨铸铁磨球是目前半自磨机用锻钢磨球的升级换代产品。
下面实施例将进一步证明本发明轧制法生产的超低碳球墨铸铁磨球的性能的显著进步。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1第二步中熔炼铁水浇铸成铸坯的100倍光学显微镜下金相照片。
图2为本发明实施例1第三步中锻造成的锻造圆棒的100倍光学显微镜下金相照片。
图3为本发明实施例1第四步等温淬火后最终制得的超低碳球墨铸铁磨球边部的金相组织照片。
具体实施方式
实施例1
第一步，原料配制与熔炼：
称取所需用量的生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁和钼铁，按质量百分比为：1.0％C、2.2％Si、1.0％Mn、0.8％Cr、0.2％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质进行原料配制，将由此配制的原料加入中频感应电炉进行熔炼，得到的熔炼铁水化学成分的质量百分比为：1.0％C、2.2％Si、1.0％Mn、0.8％Cr、0.2％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质，出炉温度控制在1650℃；
第二步，变质与浇铸：
采用包内冲入法进行变质处理，预先在球化包底层凹坑内放入用量为按质量百分比占上述第一步熔炼铁水的0.7％的变质剂，将上述第一步熔炼好的熔炼铁水温度控制在1650℃浇入球化包，再将该球化包内经变质处理后的熔炼铁水浇铸成铸坯，浇铸温度控制在1550℃，所用变质剂为含有Fe、Si、Mg、RE、Ca和Ba元素的SC合金；
第三步，锻造与轧制：
将上述第二步制得铸坯加热至1200℃，保温1.5小时，将其锻造成直径为70mm，长度为1.2m的锻造圆棒，将该锻造圆棒在轧制装置的加热段加热至950℃，使该锻造圆棒进入滚切式斜轧机时正好处于此温度范围，该锻造圆棒经滚切式斜轧机轧制成直径为70mm的磨球，该磨球是含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球；
第四步，等温淬火热处理：
将上述第三步制得的含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球进行常规技术的等温淬火热处理，最终制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，其化学组成成分的质量百分比为1.0％C、2.2％Si、1.0％Mn、0.8％Cr、0.2％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质，。
图1为本实施例第二步中熔炼铁水浇铸成铸坯的100倍光学显微镜下金相照片，从图中可以看出，石墨球细小，圆整，且分布均匀，有利于消除石墨作为空洞缺陷给铸铁磨球性能带来的不利影响，硬度达到HRC39，提高热加工性能。
图2为本实施例的第三步中锻造成的锻造圆棒的100倍光学显微镜下金相照片，该图为锻造后组织未腐蚀金相图片，从图中可以看出，石墨球更细小，圆整，分布均匀，且石墨球未发生破裂和变形现象，硬度达到HRC33。
图3为本实施例第四步等温淬火后最终制得的超低碳球墨铸铁磨球边部的金相组织照片，该图为此超低碳球墨铸铁磨球进行常规技术的等温淬火热处理后500倍光学显微镜金相照片，从图中可以看到此超低碳球墨铸铁经等温淬火后得到奥铁体组织，铁素体针细小，均匀，其综合性能优异，表面硬度大、冲击韧性韧性好、动载荷下抗冲击疲劳性能好、自硬化能力强和耐磨损性能好，其表面硬度达到55HRC，且实际工况中磨球表层富碳奥氏体组织在较大应力作用下发生应变诱导马氏体相变，表面硬度将进一步增大，耐磨性进一步提高。
实施例2
第一步，原料配制与熔炼：
称取所需用量的生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁和钼铁，按质量百分比为：0.8％C、1.6％Si、2.4％Mn、0.2％Cr、0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质进行原料配制，将由此配制的原料加入工频感应电炉进行熔炼，得到的熔炼铁水化学成分的质量百分比为：0.8％C、1.6％Si、2.4％Mn、0.2％Cr、0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质，出炉温度控制在1670℃；
第二步，变质与浇铸：
采用包内冲入法进行变质处理，预先在球化包底层凹坑内放入用量为按质量百分比占上述第一步熔炼铁水的0.5％的变质剂，将上述第一步熔炼好的熔炼铁水温度控制在1670℃浇入球化包，再将该球化包内经变质处理后的熔炼铁水浇铸成连铸坯，浇铸温度控制在1520℃，所用变质剂为含有Fe、Si、Mg、RE、Ca和Ba元素的SC合金；
第三步，锻造与轧制：
将上述第二步制得连铸坯加热至1150℃，保温1小时，将其锻造成直径为25mm，长度为1.5m的锻造圆棒，将该锻造圆棒在轧制装置的加热段加热至1000℃，使该锻造圆棒进入滚切式斜轧机时正好处于此温度范围，该锻造圆棒经滚切式斜轧机轧制成直径25mm的磨球，该磨球是含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球；
第四步，等温淬火热处理：
将上述第三步制得的含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球进行常规技术的等温淬火热处理，最终制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，其化学组成成分的质量百分比为0.8％C、1.6％Si、2.4％Mn、0.2％Cr、0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质。
实施例3
第一步，原料配制与熔炼：
称取所需用量的生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁和钼铁，按质量百分比为：1.2％C、2.5％Si、2.5％Mn、0.5％Cr、0.1％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质进行原料配制，将由此配制的原料加入中频感应电炉进行熔炼，得到的熔炼铁水化学成分的质量百分比为：1.2％C、2.5％Si、2.5％Mn、0.5％Cr、0.1％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质，出炉温度控制在1690℃；
第二步，变质与浇铸：
采用包内冲入法进行变质处理，预先在球化包底层凹坑内放入用量为按质量百分比占上述第一步熔炼铁水的1.0％的变质剂，将上述第一步熔炼好的熔炼铁水温度控制在1690℃浇入球化包，再将该球化包内经变质处理后的熔炼铁水浇铸成铸坯，浇铸温度控制在1580℃，所用变质剂为含有Fe、Si、Mg、RE、Ca和Ba元素的SC合金；
第三步，锻造与轧制：
将上述第二步制得铸坯加热至1250℃，保温2小时，将其锻造成直径为120mm，长度为1m的锻造圆棒，将该锻造圆棒在轧制装置的加热段加热至1050℃，使该锻造圆棒进入滚切式斜轧机时正好处于此温度范围，该锻造圆棒经滚切式斜轧机轧制成直径125mm的磨球，该磨球是含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球；
第四步，等温淬火热处理：
将上述第三步制得的含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球进行常规技术的等温淬火热处理，最终制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，其化学组成成分的质量百分比为1.2％C、2.5％Si、2.5％Mn、0.5％Cr、0.1％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质。
上述实施例中，所涉及的原材料、变质剂和设备均可通过公知途经获得；所涉及的操作工艺是本领域的人员所能掌握的。
Claims (2)
1.超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法，其特征在于：采用超低碳球墨铸铁材料，用滚切式斜轧机轧制成超低碳球墨铸铁轧球，再对该超低碳球墨铸铁轧球进行等温淬火热处理，制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，具体步骤如下：
第一步，原料配制与熔炼：
称取所需用量的生铁、废钢、硅铁、锰铁、铬铁和钼铁，按质量百分比为：0.8～1.2％C、1.6～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、0.2～0.8％Cr、0.1～0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质进行原料配制，将由此配制的原料加入中频感应电炉或工频感应电炉进行熔炼，得到的熔炼铁水化学成分的质量百分比为：0.8～1.2％C、1.6～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、0.2～0.8％Cr、0.1～0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质，出炉温度控制在1650～1690℃；
第二步，变质与浇铸：
采用包内冲入法进行变质处理，预先在球化包底层凹坑内放入用量为按质量百分比占上述第一步熔炼铁水的0.5～1.0％的变质剂，将上述第一步熔炼好的熔炼铁水温度控制在1650～1690℃浇入球化包，再将该球化包内经变质处理后的熔炼铁水浇铸成铸坯或连铸坯，浇铸温度控制在1520～1580℃；
第三步，锻造与轧制：
将上述第二步制得铸坯或连铸坯加热至1150～1250℃，保温1～2小时，将其锻造成直径为25～120mm，长度为1～1.5m的锻造圆棒，将该锻造圆棒在轧制装置的加热段加热至950～1050℃，使该锻造圆棒进入滚切式斜轧机时正好处于此温度范围，该锻造圆棒经滚切式斜轧机轧制成直径为25～125mm的磨球，该磨球是含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球；
第四步，等温淬火热处理：
将上述第三步制得的含有细小石墨球的珠光体基体的超低碳球墨铸铁磨球进行常规技术的等温淬火热处理，最终制得一种组织由细小石墨球和奥铁体组成的超低碳球墨铸铁磨球，其化学组成成分的质量百分比为0.8～1.2％C、1.6～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、0.2～0.8％Cr、0.1～0.4％Mo、P<0.03％、S<0.03％，余量为Fe及不可避免的少量杂质；上述变质剂为含有Fe、Si、Mg、RE、Ca和Ba元素的SC合金。
2.根据权利要求1所述超低碳球墨铸铁磨球的轧制制备方法，其特征在于：所述对超超低碳球墨铸铁磨球进行常规技术的等温淬火热处理，得到基体组织为奥铁体，分布细小，由此制得的超低碳球墨铸铁的抗拉强度达到1400～1800MPa，冲击韧性达到100～140J/cm2，与现有的半自磨机锻钢磨球相比，由此生产的超低碳球墨铸铁磨球的耐磨性提高30～50％。
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