CN108588551B - 一种微合金化耐磨球、其制备方法及制备*** - Google Patents

一种微合金化耐磨球、其制备方法及制备*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微合金化耐磨球、其制备方法及制备***，所述微合金化耐磨球包括重量百分比如下的各组分：C：0.75‑0.85％；Si：0.15‑0.35％；Mn：0.65‑0.75％；Cr：0.4‑0.5％；B：0.05‑0.1％；N：0.01‑0.05％；Mg：0.01‑0.15％；Ca：0.05‑0.15％；S≤0.010％；P≤0.015％；余量为Fe。本发明还公开了微合金化耐磨球的制备方法包括以下步骤：感应熔炼→连铸、轧制成棒材→中频感应加热→斜轧旋切成球→热处理工艺(淬火+回火)。本发明微合金化耐磨球具有高强度，高韧性，生产工艺简单，价格实惠的优点。

Description

一种微合金化耐磨球、其制备方法及制备***
技术领域
本发明涉及冶金技术，尤其涉及一种微合金化耐磨球、其制备方法及制备***。
背景技术
随着社会的高速发展，能源矿石等自然资源越来越少，开采环境越来越艰难，所需开采成本也越来越高，如何降低能源开采的耗损与成本投入，已经成为我国能源战略的研究重点。在矿产资源工业生产中，磨球作为球磨机的磨料介质，在生产过程中起着对物料破碎研磨的作用，其质量和使用性能直接影响球磨机的工作效率和制粉质量。因此，开发高质量的磨球对于提高开采效率，降低开采消耗有着重要的意义。
设计开发高强度，高韧性的磨球，一直以来都是国内外磨球企业不懈追逐的目标，经过国内外研究者和生产企业的研究攻关，已经开发的较为成熟的磨球材料。主要有以下几类：中高碳钢锻球、贝氏体钢磨球、高铬合金铸球、中铬合金铸球、低铬合金铸球等。但是随着对磨球硬度和韧性的要求逐步提高，上述材料已经不能满足性能指标要求。
为了弥补不足，近年来研究者又设计开发了等温淬火球墨铸铁(简称ADI)磨球和含碳化物等温最火球墨铸铁(CADI)磨球。尽管ADI磨球和CADI磨球相对于其他材料表现出了一定优越性，但是其仍然存在技术不足。首先ADI或者CADI磨球需要等温淬火热处理，热处理过程中需要以大量的熔盐作为淬火介质，其最显著的弊端就是生产环境恶劣，空气污染较大。同时，该类磨球生产需要大型盐浴设备，设备投入成本及生产成本也较高；其次ADI或者CADI磨球淬透性问题一直没有得到很好的解决，在生产大尺寸ADI或者CADI磨球时常出现芯部与表面硬度差过大，磨球体积硬度不稳定等问题。
因此，设计研发一种新型的高强度，高韧性，生产工艺简单，价格实惠的耐磨球，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前磨球生产工艺不佳、硬度不稳定的问题，提出一种微合金化耐磨球，该微合金化耐磨球具有高强度，高韧性，生产工艺简单，价格实惠的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微合金化耐磨球，包括重量百分比如下的各组分：
C：0.75-0.85％；
Si：0.15-0.35％；
Mn：0.65-0.75％；
Cr：0.4-0.5％；
B：0.05-0.1％；
N：0.01-0.05％；
Mg：0.01-0.15％；
Ca：0.05-0.15％；
S≤0.010％；
P≤0.015％；
余量为Fe。
本发明的另一个目的还公开了一种微合金化耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照上述配比熔炼得到成分合格的微合金化耐磨球钢材，通过连铸轧制(包括铸造和轧制)获得合金钢棒材；
步骤2、合金钢棒材通过自动滑轨进入加热装置中进行加热，通过红外测温装置测温反馈，PID控制自动滑轨平均速度，使感应加热后合金钢棒材温度达到轧制温度要求，得到红热态的合金钢棒材；
步骤3、红热态的合金钢棒材通过辊道送入钢球轧机热轧，热轧为斜轧工艺，合金钢棒材通过带有的螺旋孔的轧辊之间旋转前进，并被连续地轧制成热轧钢球；热轧钢球由输送机送至筛球器，筛球器将外形尺寸不合格的热轧钢球剔除；
步骤4、淬火，合格热轧钢球通过筛球器滚入输送机由自动导轨送至风冷区预冷，调控导轨在风冷区的运行平均速度，使热轧钢球在风冷区到达预定的淬火温度；热轧钢球通过斜坡滚入到淬火槽中的双螺旋搅拌机沟槽内，随着旋转机一边转动前进一边淬火冷却；
步骤5、回火，淬火后的钢球进入到自动带随着自动带进入到退火炉中，进行一次回火和二次回火处理，制备得到微合金化耐磨球。
进一步地，步骤1所述熔炼包括以下步骤：电炉/转炉+LF精炼+真空脱气，电炉/转炉出钢外温度1600-1650℃；LF精炼温度为1550-1590℃，LF精炼时间为30-80min，熔炼过程中液中氢含量小于2.0ppm；熔炼后得到的微合金化耐磨球钢材氧含量小于20ppm。
进一步地，φ50mm合金钢棒材对应制造直径φ50mm的耐磨球，φ75mm合金钢棒材对应制造直径φ80mm的耐磨球。
进一步地，步骤2所述滑轨平均速度为：3m/min-4m/min，感应加热后合金钢棒材的温度达为850-870℃。
进一步地，步骤3所述热轧温度为840-860℃，所述轧辊的转速范围为50-65转/分，所述轧辊直径为φ300mm-φ350mm。
进一步地，步骤3热轧过程选择匹配的螺旋孔孔径，直径50mm的合金钢棒材选择螺纹孔径52mm，直径80mm的合金钢棒材选择螺纹孔径82mm。
进一步地，步骤4导轨平均速度为5m/min-6m/min，淬火温度为800-830℃。
进一步地，步骤4淬火介质为水或水溶性淬火介质，淬火介质温度为30-50℃，旋转机一边转动前进一边淬火冷却，淬火后球温为115-135℃。
进一步地，步骤5一次回火温度170-220℃，回火时间5-6小时；二次回火温度150-170℃，回火时间3-4小时。
根据上述步骤获得的微合金化耐磨球的制备方法，其特征在于：获得的微合金化耐磨球组织为以马氏体+下贝氏体+残余奥氏体基体组织和弥散分布的硼化物强化相，本发明的另一个目的还公开了一种微合金化耐磨球的制备***，包括：顺次连接的熔炼装置、连铸轧制装置、感应加热装置(中频感应加热装置)、钢球轧机、筛球器和热处理装置。
进一步地，所述感应加热装置的反应加热工段末端设置有红外测温装置；所述微合金化耐磨球的制备***还包括控制器，所述控制器与红外测温装置和感应加热装置的滑轨(滑轨电机)电联；所述热处理装置包括依次设置的风冷区、淬火槽、一次回火炉和二次回火炉。
本发明基于微合金化成分设计和自动化短流程斜轧制球生产工艺控制两方面，提出一种微合金化耐磨球、其制备方法及制备***。本发明微合金化耐磨球用钢是在传统的碳锰钢基础上，降低锰、铬元素的含量，添加微量硼、氮、镁、钙等元素微合金元素，设计出的新型微合金化耐磨球钢材；本发明微合金化耐磨球的制备包括以下步骤：感应熔炼→连铸、轧制成棒材→中频感应加热→斜轧旋切成球→热处理工艺(淬火+回火)，本发明与现有技术相比较具有以下优点：
1)微合金化耐磨球钢材相比传统碳锰钢主要添加了微量硼元素，钙元素和镁元素。添加合金元素的作用机理：硼元素一方面提高了淬透性，另一方面引入硼化物析出相增强强度和硬度。钙元素主要起到净化作用，钙的脱氧能力很强，可以起到很好的除气效果，并且钙还夹杂物有改性变质作用。镁元素可以起到脱氧、脱硫、净化钢液并改善夹杂物形态的作用。
2)本发明通过微合金化设计配合后续的热处理工艺，得到以马氏体+下贝氏体+残余奥氏体基体组织和弥散分布的硼化物强化相，显著的提高微合金化耐磨球的强度和硬度，增强磨球的耐磨性。
3)本发明工艺简单，操作容易，生产周期短，成本低，自动化程度高，产品质量良好稳定，适用于大批量高品质矿山用耐磨球的制造，推动高品质磨球技术推广，促进我国磨料行业发展。
附图说明
图1为本发明微合金化耐磨球制备***结构示意图(其a为中频感应加热装置、钢球轧机和筛球器的俯视图，b为风冷区、淬火槽的主视图，c为第一回火炉和第二回火炉的俯视图)；
图2为本发明轧制成球过程示意图；
图3为实施例1微合金化耐磨球用钢金相组织照片；
图4为实施例1微合金化耐磨球用钢析出相扫描照片；
图5为实施例1微合金化耐磨球用钢析出相能谱结果。
其中：1.合金钢棒材，2.感应加热装置，3.红外测温装置，4.钢球轧机，5.筛球器，6.风冷区，7.淬火槽，8.双螺旋搅拌机，9.一次回火炉，10.二次回火炉，11.控制器。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种微合金化耐磨球，其的主要化学成分(质量分数％)如表1所示。
表1微合金化耐磨球化学成分
C Si Mn Cr B N Mg Ca P S Fe
0.8 0.2 0.68 0.43 0.08 0.02 0.12 0.1 ≤0.010 ≤0.010 余量
本实施例公开了一种微合金化耐磨球制备***，其结构如图1-2所示包括：顺次连接的熔炼装置、连铸轧制装置、感应加热装置2(中频感应加热装置)、钢球轧机4、筛球器5和热处理装置。所述感应加热装置2的反应加热工段末端设置有红外测温装置3，所述微合金化耐磨球的制备***还包括控制器11，所述控制器11与红外测温装置3和感应加热装置的滑轨(滑轨电机)电联；所述热处理装置包括依次设置的风冷区6、淬火槽7、一次回火炉9和二次回火炉10，所述淬火槽7内设置有双螺旋搅拌机8。
采用上述微合金化耐磨球制备***制备微合金化耐磨球的方法包括以下步骤：采用电炉/转炉+LF精炼+真空脱气的熔炼方法熔炼合金，熔炼过程中转炉出钢温度1620℃，LF精炼温度1582℃，精炼处理时间35min，熔炼过程中液中氢含量应小于2.0ppm；熔炼后得到的成品氧含量应小于20ppm。
将熔炼的熔体通过模铸的方式铸成毛坯，然后通过轧制工序得到合金钢棒材，合金钢棒材直径φ50mm，尺寸公差：0，+0.4mm，棒材长度6m。
将合金钢棒材放置在自动导轨上，通过自动导轨通过感应加热装置的4组感应加热器，在感应器出口设置的红外测温装置测定棒材温度，棒材温度为860℃，并反馈到PID控制器，控制传送带平均速度3m/min，随后红热态的钢棒通过辊道自动送入钢球轧机，热轧过程选择斜轧工艺，圆钢棒材通过带有的螺旋孔的轧辊之间旋转前进，并被连续地轧制成钢球。轧制温度855℃，轧辊的转速范围为60转/分，辊直径范围φ350，本实施例主要针对于直径φ50的磨球，选择的轧辊的螺纹孔径为52mm。
轧制成的钢球由输送机送至筛球器，通过筛球器可将外形尺寸不合格的钢球剔除。合格钢球通过筛球器滚入输送机由自动导轨送至风冷区预冷，通过PID控制该工段的导轨平均速度，导轨平均平均速度5m/min使其达到预定的淬火温度，淬火温度为810℃，随后轧球通过斜坡滚入到淬火槽中的双螺旋搅拌机沟槽内，随着旋转机一边转动前进一边淬火冷却，淬火介质采用水，淬火过程中水温控制范围30-40℃，轧球在随着双螺旋搅拌机一边转动前进一边淬火冷却，淬火后球温为120-125℃。
淬火后的钢球进入到自动带随着自动带进入到退火炉中，进行一次回火和二次回火处理，一次回火温度200℃，回火时间5小时，二次回火温度150℃，回火时间3小时，通过该实施方法制备得到微合金化耐磨球。
本实施例微合金化耐磨球的理化性能检测：将获得的微合金化耐磨球球，通过球心纵向剖开，沿芯部区域取样，对试样的中心部，抽条半径四分之一位置，抽条半径二分之一位置，抽条半径四分之三部分，表面位置等区域进行洛氏硬度检测，得到的硬度数值分别为：HRC心部＝52，HRCr/4＝62，HRCr/2＝61.5HRC3r/4＝62.5，HRC表面＝63。同时，对试样进行常温无缺口摆锤冲击试验，得到冲击功为Ak＝28J/cm2。
如图3可见所述微合金化耐磨球用钢的金相组织为针状马氏体+下贝氏体+残余奥氏体基体组织；如图4可见所述微合金化耐磨球用钢为弥散分布的析出相；图5的析出相能谱结果说明弥散析出相为硼化物
实施例2
本实施例公开了一种微合金化耐磨球，其的主要化学成分(质量分数％)如表2所示。
表2微合金化耐磨球化学成分
C Si Mn Cr B N Mg Ca P S Fe
0.75 0.3 0.7 0.45 0.1 0.02 0.12 0.1 ≤0.010 ≤0.010 余量
本实施例公开了一种微合金化耐磨球制备***，其结构如图1-2所示包括：顺次连接的熔炼装置、连铸轧制装置、感应加热装置2(中频感应加热装置)、钢球轧机4、筛球器5和热处理装置。所述感应加热装置2的反应加热工段末端设置有红外测温装置3，所述微合金化耐磨球的制备***还包括控制器11，所述控制器11与红外测温装置3和感应加热装置的滑轨(滑轨电机)电联；所述热处理装置包括依次设置的风冷区6、淬火槽7、一次回火炉9和二次回火炉10，所述淬火槽7内设置有双螺旋搅拌机8。
采用上述微合金化耐磨球制备***制备微合金化耐磨球的方法包括以下步骤：采用电炉/转炉+LF精炼+真空脱气的熔炼方法熔炼合金，熔炼过程中转炉出钢温度1625℃，LF精炼温度1580℃，精炼处理时间30min，熔炼过程中液中氢含量应小于2.0ppm；熔炼后得到的成品氧含量应小于20ppm。
将熔炼的熔体通过模铸的方式铸成毛坯，然后通过轧制工序得到合金钢棒材，合金钢棒材直径φ80mm，尺寸公差：0，+0.4mm，棒材长度6m。
将合金钢棒材放置在自动导轨上，通过自动导轨通过感应加热装置的4组感应加热器，在感应器出口设置的红外测温装置测定棒材温度，棒材温度为870℃，并反馈到PID控制器，控制传送带平均速度4m/min，随后红热态的钢棒通过辊道自动送入钢球轧机，热轧过程选择斜轧工艺，圆钢棒材通过带有的螺旋孔的轧辊之间旋转前进，并被连续地轧制成钢球。轧制温度860℃，轧辊的转速范围为55转/分，辊直径范围φ320，本实施例主要针对于直径φ80的磨球，选择的轧辊的螺纹孔径为82mm。
轧制成的钢球由输送机送至筛球器，通过筛球器可将外形尺寸不合格的钢球剔除。合格钢球通过筛球器滚入输送机由自动导轨送至风冷区预冷，通过PID控制该工段的导轨平均速度，导轨平均平均速度5.5m/min使其达到预定的淬火温度，淬火温度为820℃，随后轧球通过斜坡滚入到淬火槽中的双螺旋搅拌机沟槽内，随着旋转机一边转动前进一边淬火冷却，淬火介质采用水，淬火过程中水温控制范围30-40℃，轧球在随着双螺旋搅拌机一边转动前进一边淬火冷却，淬火后球温为120-125℃。
淬火后的钢球进入到自动带随着自动带进入到退火炉中，进行一次回火和二次回火处理，一次回火温度210℃，回火时间6小时，二次回火温度170℃，回火时间3小时，通过该实施方法制备得到微合金化耐磨球。
本实施例微合金化耐磨球的理化性能检测：将获得的微合金化耐磨球球，通过球心纵向剖开，沿芯部区域取样，对试样的中心部，抽条半径四分之一位置，抽条半径二分之一位置，抽条半径四分之三部分，表面位置等区域进行洛氏硬度检测，得到的硬度数值分别为：HRC心部＝53，HRCr/4＝60.5，HRCr/2＝61.5HRC3r/4＝62.5，HRC表面＝63。同时，对试样进行常温无缺口摆锤冲击试验，得到冲击功为Ak＝24J/cm2。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种微合金化耐磨球，其特征在于，包括重量百分比如下的各组分：
C：0.75-0.85%；
Si：0.15-0.35%；
Mn：0.65-0.75%；
Cr：0.4-0.5%；
B：0.05-0.1%；
N：0.01-0.05%；
Mg：0.01-0.15%；
Ca：0.05-0.15%；
S≤0.010%；
P≤0.015%；
余量为Fe；
所述微合金化耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照配比熔炼得到成分合格的微合金化耐磨球钢材，通过连铸轧制获得合金钢棒材；
步骤2、合金钢棒材通过自动滑轨进入感应加热装置中进行加热，通过红外测温装置测温反馈，PID控制自动滑轨平均速度，使感应加热后合金钢棒材温度达到轧制温度要求，得到红热态的合金钢棒材；
步骤3、红热态的合金钢棒材通过辊道送入钢球轧机热轧，合金钢棒材通过带有的螺旋孔的轧辊之间旋转前进，并被连续地轧制成热轧钢球；热轧钢球由输送机送至筛球器，筛球器将外形尺寸不合格的热轧钢球剔除；
步骤4、淬火：合格热轧钢球通过筛球器滚入输送机由自动导轨送至风冷区预冷，调控导轨在风冷区的运行平均速度，使热轧钢球在风冷区到达预定的淬火温度；热轧钢球通过斜坡滚入到淬火槽中的双螺旋搅拌机沟槽内，随着旋转机一边转动前进一边淬火冷却；
步骤5、回火：淬火后的钢球进入到自动带随着自动带进入到退火炉中，进行一次回火和二次回火处理，制备得到微合金化耐磨球。
2.根据权利要求1所述微合金化耐磨球，其特征在于，步骤1所述熔炼包括以下步骤：电炉/转炉+LF精炼+真空脱气，电炉/转炉出钢外温度1600-1650℃；LF精炼温度为1550-1590℃，LF精炼时间为30-80min，熔炼过程中液中氢含量小于2.0ppm；熔炼后得到的微合金化耐磨球钢材氧含量小于20ppm。
3.根据权利要求1所述微合金化耐磨球，其特征在于，步骤2所述滑轨平均速度为：3m/min-4m/min，感应加热后合金钢棒材的温度为850-870℃。
4.根据权利要求1所述微合金化耐磨球，其特征在于，步骤3所述热轧温度为840-860℃，所述轧辊的转速范围为50-65转/分，所述轧辊直径为φ300 mm -φ350mm。
5.根据权利要求1所述微合金化耐磨球，其特征在于，步骤4导轨平均速度为5 m/min -6m/min，淬火温度为800-830℃。
6.根据权利要求1所述微合金化耐磨球，其特征在于，步骤4淬火介质为水溶性淬火介质，淬火介质温度为30-50℃，旋转机一边转动前进一边淬火冷却，淬火后球温为115-135℃。
7.根据权利要求1所述微合金化耐磨球，其特征在于，步骤5所述一次回火温度170-220℃，回火时间5-6小时；所述二次回火温度150-170℃，回火时间3-4小时。
8.一种权利要求1-7任意一项所述微合金化耐磨球的制备***，其特征在于，包括：顺次连接的熔炼装置、连铸轧制装置、感应加热装置、钢球轧机、筛球器和热处理装置。
9.根据权利要求8所述微合金化耐磨球的制备***，其特征在于，所述感应加热装置的反应加热工段末端设置有红外测温装置，所述热处理装置包括依次设置的风冷区、淬火槽、一次回火炉和二次回火炉。
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