專利名稱：鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球及其生產(chǎn)工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廣泛應(yīng)用于冶金礦山、火電能源、建材水泥、工程機(jī)械等行業(yè)粉體工程的金屬研磨介質(zhì)，即一種鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球及其生產(chǎn)工藝方法。
背景技術(shù)：
磨球作為一種研磨介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于礦山冶金、能源火電、非金屬加工、建材水泥、 水煤漿及磁性材料等行業(yè)的粉體工程。由于需滿足各行業(yè)不同設(shè)備、不同工況條件的要求， 制造磨球的材質(zhì)多種多樣，如鍛制鋼球、球墨鑄鐵磨球、鉻合金鑄造磨球等，規(guī)格亦從06mm 到0150mm甚至更大直徑。鉻合金鑄造磨球是繼鍛制鋼球、普通白口鑄鐵磨球發(fā)展起來(lái)的新一代高效磨球， 鉻(Cr)元素含量范圍為3—30%，其中高鉻磨球的鉻元素含量范圍為10-30%。文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)鉻元素含量超過(guò)10%以上后，金相組織中才有可能產(chǎn)生高硬度的M7C3 型碳化物。而鉻元素含量越高，高硬度的M7C3型碳化物越多，磨球的硬度亦越高，其耐磨性能則越優(yōu)。因此，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定高鉻合金磨球的鉻(Cr)含量范圍為 10-30%，輔以少量的鉬(Mo)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、釩(V)、銅(Cu)等稀有貴重金屬元素，淬火態(tài)硬度為HRc48—58。(詳見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鑄造磨球》GB/T17445-2009，建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建材工業(yè)用鉻合金鑄造磨球》JC/T533-2004,冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《合金鑄鐵球》YB/T092-2005)
近些年來(lái)，高鉻鑄造磨球雖然已在較大范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，但由于我國(guó)的鉻礦貧乏， 鉻鐵的價(jià)格是一漲再漲，鉬、鎳、鈦、釩、銅等貴重金屬的價(jià)格亦不斷攀升。再加上鉻合金鑄造磨球的生產(chǎn)設(shè)備投入較大，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致鉻合金鑄造磨球的成本持續(xù)增長(zhǎng)，給磨球的制造企業(yè)與使用企業(yè)都帶來(lái)相當(dāng)大的壓力；另一方面在礦山、水泥等行業(yè)，球磨機(jī)的直徑、功率及產(chǎn)能都朝著大型化、高效化發(fā)展，希望磨球的性價(jià)比更好，即硬度要高、磨耗要低、售價(jià)合理；以創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。目前國(guó)產(chǎn)中、高鉻鑄造磨球淬火態(tài)硬度僅為 HRc48-58,已遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的要求。為提高鉻合金磨球的硬度及其耐磨性，中國(guó)專利200910130491. 0《超硬高鉻鑄造磨球的生產(chǎn)工藝方法》和200910171317. 0《一種高碳多元素合金鑄造磨球及生產(chǎn)工藝》均介紹通過(guò)微合金化技術(shù)及優(yōu)化熱處理工藝，可減少鉻、鉬、鎳、鈦、釩、銅等貴重金屬的含量， 并將鑄造磨球的硬度提高至HRc62—64，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。然而，以上兩種專利在生產(chǎn)實(shí)踐中仍存在一定的推廣局限性，一是盡管降低了鉻元素的使用量(超硬高鉻磨球的鉻元素含量小于等于10%，高碳多元素合金鑄造磨球鉻元素含量小于等于6%。)，但仍需加入少量的鉬、鎳、鈦、釩、銅等稀貴金屬元素，增加了磨球產(chǎn)品的制造成本；二是微合金化技術(shù)難以掌握，否則合金元素在熔煉過(guò)程中損耗較大。三是工藝復(fù)雜，相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備投資較高，一般規(guī)模企業(yè)難以實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
為了節(jié)約鉻(Cr)等稀缺貴重金屬材料，同時(shí)提高磨球的強(qiáng)韌性，降低制造成本，本發(fā)明的目的之一是提供低鉻含量、基本不使用鉬、鎳、鈦、釩、銅等稀貴金屬元素的一種鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球，以替代目前采用公知技術(shù)制造的高鉻鑄造磨球。目的之二是提供前述一種鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球的生產(chǎn)工藝方法。 鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球的化學(xué)成分如下
碳1. 3-3. 0%,硅0. 3-1. 2%,猛0. 2-1. 0%,鉻4. 0-7. 5%,鈮 0. 03-0. 10%,硼 0. 01-0. 2%，磷彡 0. 10%，硫彡 0. 10%,復(fù)合稀土變質(zhì)劑0. 15-0. 3%，鐵 86. 5-93. 81%。制備上述鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球的生產(chǎn)工藝方法，所用主要原料包括廢鋼，生產(chǎn)操作步驟包括熔煉、澆鑄、熱處理和力學(xué)性能檢測(cè)及摜制檢驗(yàn)；所述熱處理包括奧氏體化處理、油淬處理、低溫回火處理；
所述奧氏體化處理分為四個(gè)階段第一階段由常溫升至350°C、保溫2小時(shí)；第二階段升溫至550°C、保溫2小時(shí)；第三階段升溫至8001、保溫2.5小時(shí)；第四階段升溫至 930-980°C、保溫 2. 5 小時(shí);
油淬處理的淬火油溫度為50-140°C，淬火時(shí)間為6-20分鐘，淬火后的磨球冷卻到室溫，再進(jìn)行低溫回火處理；
所述低溫回火處理的工藝條件為溫度210-260°C，回火時(shí)間8小時(shí)。本發(fā)明的磨球晶粒細(xì)化，組織致密，提高強(qiáng)韌性；磨球硬度達(dá)到HRc60— 64，沖擊韌性大于4J/cm2。與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，顯著提高了磨球抗磨、抗破碎性能，降低了鉻元素的含量。由于不使用鉬、鎳、銅、鈦、釩、銅等稀貴金屬元素，進(jìn)一步降低了磨球制造成本，為國(guó)家節(jié)約寶貴的礦產(chǎn)資源，其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。本發(fā)明機(jī)理淺析如下
鉻合金鑄造磨球在合適的溫度、合適的鐵液基本成分的條件下，通過(guò)復(fù)合稀土變質(zhì)及孕育處理，改變了碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，在凝固過(guò)程連續(xù)冷卻條件下，擴(kuò)散速度減小就意味著碳的析出量的減少；
由良好的孕育效果形成的一定量的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)將導(dǎo)致奧氏體脫溶的碳原子和因鐵液中濃度起伏出現(xiàn)的碳原子集團(tuán)優(yōu)先向其擴(kuò)散，從而使碳化物轉(zhuǎn)向以異質(zhì)形核為主的結(jié)晶方式；
復(fù)合稀土可吸附在新生碳化物表面，使其難以連結(jié)成網(wǎng)狀；
在凝固過(guò)程中由于溶質(zhì)元素再分配使添加的各種合金元素富集在奧氏體結(jié)晶前沿的液體中，提高了初晶奧氏體的形核率，使奧氏體基體細(xì)化；
經(jīng)過(guò)復(fù)合稀土變質(zhì)、及鈮、硼的加入，增大了鐵液過(guò)冷傾向，使冷卻速度對(duì)結(jié)晶過(guò)冷度的影響減弱，從而表現(xiàn)為鑄造磨球斷面的組織、性能趨以一致； 本發(fā)明中各種化學(xué)元素的作用
碳(C)在鑄造磨球中是最基本、最重要的元素。其含量多少直接決定碳化物和基體的相對(duì)量，提高含碳量，可提高硬度、耐磨性，含碳量降低，韌性增加，故含碳量控制在1.4 一 3.0%范圍內(nèi)是合適的。鉻(Cr)是最重要的合金元素，為了保證有足夠數(shù)量且高耐磨性的(CrFe)7C3型碳化物，應(yīng)適度增加鉻的含量。但其含量增加，雖碳化物亦增多，但生產(chǎn)成本增加。本發(fā)明將鉻控制在4 一 6. 5%范圍內(nèi)。錳(Mn)和硅(Si)錳為常規(guī)元素，溶入基體中，是穩(wěn)定奧氏體的元素，使Ms點(diǎn)下降殘余奧氏體增加。加入較高的Mn，主要用來(lái)脫硫、脫氧，以增加韌性，故控制錳含量在 0.4 — 1.0%范圍內(nèi)。適量的硅主要用于脫氧，因?yàn)檫^(guò)高的硅將導(dǎo)致韌性下陣，會(huì)使磨球使用過(guò)程有剝落現(xiàn)象，故將硅置控制在0.6 — 1.0%范圍內(nèi)。硫(S)與磷(P)為有害元紊，降低磨球的力學(xué)性能，硫與磷是爐料帶入的，所以要嚴(yán)格控制爐料質(zhì)量，并進(jìn)行脫硫脫磷處理，使所生產(chǎn)磨球的硫、磷含量均控制在0. 1 %以下為宜。鈮(Nb)微量鈮可以使其中的共晶奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由珠光體變?yōu)轳R氏體。添加適量的鈮，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度都有明顯的提高。在提高強(qiáng)度的同時(shí)， 其韌性也得到明顯改善。鑄鐵中加入鈮后，基體中析出了彌散分布的鈮化物，這種化合物呈面心立方晶格，其硬度特別高，約為2300-2500HV，所以又稱之為硬質(zhì)相。隨著鈮含量的增加，鈮化物在基體中的數(shù)量也增加，而且這種鈮化物硬質(zhì)相是提高鑄件耐磨性的關(guān)鍵。試驗(yàn)表明，當(dāng)鈮含量達(dá)0.03%之前，鑄鐵的硬度變化不大。繼續(xù)提高鈮含量，硬度呈增加趨勢(shì)。本發(fā)明鈮的加入量控制范圍是0.03-0. 10%。硼(B)是一種特殊的元素，介于金屬與非金屬之間，既能與金屬化合又能與非金屬化合。在鑄鐵中加入微量的硼可以有效的提高鑄鐵的硬度，耐腐蝕性和耐磨性。據(jù)資料介紹，加0. 89 1. 2的硼，鑄態(tài)下也可獲得馬氏體。但是，加硼過(guò)多將導(dǎo)致韌性太低，成本也高。因此，本發(fā)明硼的加入量控制范圍在0. 01 一 0. 2%。復(fù)合稀土變質(zhì)劑(Re)對(duì)鐵水有凈化、變質(zhì)和促進(jìn)合金化作用，能脫氧、除氣、凈化鐵水，所生成氧化物可作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化基體晶粒組織，改善碳化物的形態(tài)與分布。 稀土是生產(chǎn)中最常用的變質(zhì)劑，能夠提高碳化物的形核率，同時(shí)與鐵液中的氧和硫均有較大的親和力，能凈化鐵液。混合稀土的變質(zhì)效果一般優(yōu)于單一稀土。試驗(yàn)表明，當(dāng)復(fù)合稀土變質(zhì)劑(Re )和鈮(Nb )、硼(B )微量合金元素同時(shí)使用時(shí)，則合金的細(xì)化晶粒作用與彌散強(qiáng)化作用與稀土的凈化作用同時(shí)得到較好發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)了凈化鐵液，細(xì)化晶粒，提高淬透性，以共同滿足耐磨鑄鐵的高性能使用要求。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在鑄造磨球力學(xué)性能和抗磨性能大幅度提高，硬度穩(wěn)定在 HRc60—64，落球沖擊試驗(yàn)次數(shù)超過(guò)18000次。與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，本發(fā)明磨球的鉻含量平均降低30-60%，不使用鉬、鎳、銅、鈦、釩、銅等稀貴金屬元素。而硬度提高 15. 4—33%，落球沖擊疲勞次數(shù)提高125%，破碎率降低50%，具體數(shù)據(jù)如表1 (注)。表權(quán)利要求
1.鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球，其特征在于所述鑄造磨球的化學(xué)成分如下碳1. 3-3. 0%,硅0. 3-1. 2%,猛0. 2-1. 0%,鉻4. 0-7. 5%,鈮 0. 03-0. 10%, 硼0. 01-0. 2%，磷彡 0. 10%,硫彡 0. 10%,復(fù)合稀土變質(zhì)劑0. 15-0. 3%，鐵 86. 5-93. 81%。
2.制備權(quán)利要求1所述鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球的生產(chǎn)工藝方法，所用主要原料包括廢鋼，生產(chǎn)操作步驟包括熔煉、澆鑄、熱處理和力學(xué)性能檢測(cè)及摜制檢驗(yàn)；所述熱處理包括奧氏體化處理、油淬處理、低溫回火處理，其特征在于所述奧氏體化處理分為四個(gè)階段第一階段由常溫升至350°C、保溫2小時(shí)；第二階段升溫至550°C、保溫2小時(shí)；第三階段升溫至8001、保溫2.5小時(shí)；第四階段升溫至 930-980°C、保溫 2. 5 小時(shí);油淬處理的淬火油溫度為50-140°C，淬火時(shí)間為6-20分鐘，淬火后的磨球冷卻到室溫，再進(jìn)行低溫回火處理；所述低溫回火處理的工藝條件為溫度210-260°C，回火時(shí)間8小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及鉻鈮硼合金稀土鑄造磨球及制備方法。鑄造磨球的化學(xué)成分如下碳1.3-3.0%，硅:0.3-1.2%，錳:0.2-1.0%，鉻:4.0-7.5%，鈮0.03-0.10%，硼:0.01-0.2%，磷:≤0.10%，硫:≤0.10%，復(fù)合稀土變質(zhì)劑0.15-0.3%，鐵86.5-93.81%。生產(chǎn)操作步驟包括熔煉、澆鑄、熱處理和力學(xué)性能檢測(cè)及摜制檢驗(yàn)；所述熱處理包括奧氏體化處理、油淬處理、低溫回火處理。奧氏體化處理分為四個(gè)階段第一階段溫度350℃、保溫2小時(shí)；第二階段溫度550℃、保溫2小時(shí)；第三階段溫度800℃、保溫2.5小時(shí)；第四階段溫度930-980℃、保溫2.5小時(shí)；淬火油溫度為50-140℃，淬火時(shí)間為6-20分鐘；低溫回火溫度210-280℃，回火時(shí)間8小時(shí)。本發(fā)明磨球硬度達(dá)到HRc60-64，沖擊韌性大于4J/cm2。由于不使用鉬、鎳、銅、鈦、釩、銅等稀貴金屬元素，進(jìn)一步降低了磨球制造成本。
文檔編號(hào)C22C38/36GK102154594SQ20111006707
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者馮繼林, 沈茂林, 陳宗明, 陳曉 申請(qǐng)人:安徽省鳳形耐磨材料股份有限公司