多元合金铸锻耐磨耐蚀高韧性磨球及其制造方法 一种多元合金铸锻耐磨耐蚀高韧性磨球及其制造方法，属于多元合金钢材质的磨球及其制造方法，涉及球磨机技术领域。
磨球是球磨机上应用磨损量最大的一种备件，据统计，我国目前消耗量超过100万吨，价值数十亿元，目前广泛应用的磨球品种主要有以下两大类，第一大类为合金钢锻造磨球，这类球韧性好，破碎率低，但硬度低不耐磨，并且在湿法磨中应用易腐蚀，总体消耗量单耗较大。另一大类是铸造铁球，该种球耐磨性较好，但冲击性能差，破碎率很高，并且由于其高的碳含量和Cr等合金元素在湿法磨溶液中易形成电解腐蚀，单耗也很高。
本发明的目的在于解决上述已有技术存在的问题，取长补短，提供一种即具有高硬度耐磨、高冲击强度，又具有良好耐腐蚀性的特别适合湿法磨上应用的多元合金配制的磨球及加工该磨球的一种工艺稳定、易操作、成本低廉的制造方法。
本发明以如下技术方案实现，多元合金耐磨耐蚀高韧性磨球，其化学成分为(按重量％计)C＝0.50-0.60，Si＝0.7-1.0，Mn＝2.3-2.6，Cr＝0.6-1.0，B＝0.001-0.0025，Ti＝0.1-0.2，P≤0.035，S≤0.035，Re＝0.1，余量Fe。
多元合金铸锻耐磨耐蚀高韧性磨球的制造方法，将含有上述化学成分的金属熔液依次经以下工艺步骤制成磨球：(1)在金属熔液为1480～1530℃温度时浇铸到砂型铸段腔内成形，将长径比在1.7～2.4，重量大于成品球重量3％的成型球段缓慢冷却至200℃以下再空冷；(2)将球段打磨、串光后加热至1050～1150℃透烧；(3)立刻入锻锤模锻40次以上，整形锻成磨球，终锻温度为950～980℃；(4)放入温度均化装置，将带有锻造余热的磨球温度预冷均化到830～860℃；(5)立刻进入螺旋滚杠式控制强风冷却淬火机上淬火冷却，在400℃以上以≥1.5℃/S速度冷却，在400℃以下以≤1℃/S速度冷却，冷却至250～350℃出淬火机；(6)在150～250℃缓冷保温炉内余热保温12～18小时后空冷至室温；(7)在230～260℃进行时间为3～4小时回火制成磨球。
本发明提供的磨球其选材各组分的成分取值范围及限定的理由是：钢球强度指标主要表现其淬硬性，淬透性两方面。首先是淬硬性，C：C是强化钢的最重要的基础元素，决定钢的淬硬性，钢中含C量的多少直接影响金相组织和碳化物地形成，特别是贝氏体的形核及长大速度，同时也决定钢的硬度及冲击韧性的大小，淬硬性主要是与钢中碳含量有关，更确切的说它决定于淬火加热时固溶在钢的奥氏体中的碳含量，固溶在奥氏体中碳含量愈多，淬火后的硬度愈高，至于合金元素也影响硬度，但不如碳影响的显著，但有一先决条件，钢球的硬度不是愈高愈好，而是追求力所能及的最佳综合机械性能，表现在硬度，耐磨性，冲击韧性都要达到理想的指标，而不是高碳高马氏体含量，要想取得淬火硬度HRc60以上，由图1淬火钢的最大硬度与碳含量的关系曲线所示，选定C含量在0.5-0.7之间为宜，又结合试验最终确定在0.5-0.6之间。在此范围内碳含量对淬透性影响很小，需要其它合金元素提高；Si：钢中加入Si促使C曲线向上移，Si加入锰钢中能够阻碍因锰而产生的晶粒粗化，Si、Mn同时加入钢中会有更好的促进钢的淬透性增强效果，并能够克服锰钢的过热敏感性，Si对钢还有一显著的作用是对铁素体有较大的固溶强化作用，其最佳效果范围为0.7-1.0％之间。Mn：Mn在钢中最显著的特点是使C曲线强烈右移，提高钢的淬透性效果最好，同时Mn对钢中的铁素体有强烈强化作用。其不利的一面是促使晶粒粗化，脱碳过热敏感性强。考虑到产品的直径较大，其含量自1.6-3.0％，均能满足厚度160mm淬透性要求，经过性能试验筛选，又因成分中有Ti的加入，所以限定其范围为2.3-2.6％。Cr：Cr也是提高淬透性合金元素之一，其作用稍低于锰，使C曲线右移，而且使C曲线划为两部分，分别反映珠光体和贝氏体转变两部分，与其它元素相比Cr对抑制贝氏体转变作用较强烈，它是较强的碳化物形成元素，能阻止晶粒粗化，Cr的碳化物在钢中形成硬度极高的硬质点，增加钢的耐磨性，铬的另一个性能是提高磨球的抗腐蚀能力。根据上述原因从实用性和经济性考虑，Cr的含量选择0.6-1.0％为宜。B：含有Si、Mn钢中加入0.001-0.004％微量的B，对提高淬透性有突出的作用，在各元素中占第一位，但过量的B在钢中是有害的，B只能以固溶状态存在才能提高淬透性，由于B是极活泼的元素，易与钢中的氧和氮形成氧化物、氮化物，以化合物存在B不能提高淬透性，过量的B以Fe2B存在不能提高淬透性，会严重影响钢的韧性。实践证明0.003％B含量已经使钢的韧性不够稳定了。另外，B对钢提高淬透性是有C含量选择的，B加入亚共析钢有效，加入过共析钢无效，如图2所示，图2为硼对淬透性的作用与钢中含碳量的关系曲线，从图中可以看出B对碳含量在0.4-0.6％的钢提高淬透性最有效，这样又根据试验，考虑到碳含量的确定0.5-0.6％为最佳，B选择0.001-0.0025％也就足够了。Ti：Ti是强烈阻碍晶粒粗化的元素，能够形成极稳定的TiC阻止奥氏体晶粒粗化，本发明加入的Mn量较大，极易发生晶粒粗化，钢中加入少量的Ti不仅能够阻碍晶粒粗化，而且能够使钢的强度和韧性同时提高，另外Ti还能形成很细小很难溶的化合物也能阻碍奥氏体晶粒粗化。Ti和C的化合物有较高的硬度，这也是我们所希望获得的效果。Ti的加入量选择0.1-0.2％；Re：稀土的加入量主要是为了净化钢水，改善晶界，提高抗氧化能力，细化起始晶粒度。加入量控制在1‰即可。S、P是有害元素，在钢中含量越少越好。本发明磨球两元素含量分别控制在0.035％之内即可。
本发明采用上述工艺步骤的理由如下：采用工艺步骤(1)可以得到所需化学成分和形状尺寸的锻造磨球毛坯段，节省常规炼钢、轧钢、加热、下料工序，由铸造一个工序完成，节省费用，另外，工艺确定200℃以下空冷是由于本钢材质淬透性好，防止急冷开裂。采用步骤(2)加热为锻造做准备，并为后序余热处理准备组织；采用工艺步骤(3)主要是为了成形，并使球达到一定的变形量及晶格位错密度，终锻温度要保持在淬火温度要求之上。采用工艺步骤(4)是为了使要风冷淬火的锻造后不同温度的磨球温度达到要求并均匀一致。采用工艺步骤(5)进行风冷淬火，风冷淬火采用螺旋滚杠式强风冷淬火机，该强风冷淬火机可保证每个球及每个球的各部分均得到同样的冷却条件，保证冷却的均匀性，达到质量的稳定。另外对冷却速度的控制是通过风量调节的，目的是为了在保证要求的组织形成条件下尽量减少球的组织应力和热应力，防止开裂。400℃以上要冷却快一些达到临界冷却速度，400℃以下慢一些，达到冷却组织转变的驱动力即可获得部分马氏体。采用工艺步骤(6)在150-250℃保温冷却12-18h是为了获得贝氏体创造条件，余热保温冷却节省能源。其间有贝氏体也有马氏体组织形成。采用工艺步骤(7)对已经进行马氏体、贝氏体组织转变的磨球进行回火，将马氏体转变成回火马氏体，并促使残余奥氏体进一步分解稳定。同时增加碳化物的析出，230-260℃，3-4h即能满足要求。
本发明所具有的有益效果：由于采用上述化学成分配制及制造方法制造的磨球获得具有45～65％马氏体，15-35％贝氏体，5-10％合金碳化物及10％左右的残余奥氏体混合组织，磨球硬度达HRC55以上，冲击韧性αk值为25～35J/cm2，破碎率低于0.2％，具有耐磨、耐蚀、高韧性性能的效果，与普通合金钢锻造磨球以及铸造铁球相比有以下优点：1、本发明采用铸锻工艺节省了普通合金钢锻球的下料工序，材料来源广泛，成本也低。2、本发明采用强风冷淬火，冷却速度可控，产品质量批量稳定、可靠，充分发挥钢材的潜在性能，能最大限度的减少磨球的组织应力及热应力。3、本磨球含有抗腐蚀合金元素，又能形成抗腐蚀的贝氏体组织，并且合金总含量来超过5.5％，不含Mo、Cu、V等贵重金属。其各性能与另两种磨球的比较如表1所示。
表1给出本发明多元合金耐磨耐蚀高韧性磨球和普通合金钢锻造磨球及铸造铁磨球的比较。
表1
通过性能比较，本发明的磨球具有较高体积硬度，心表均匀，φ100mm球相差只有HRc1-2，耐磨性好，冲击韧性高，组织致密，破碎率低的优点，可以在冶金、矿山、水泥、热电等行业广泛应用，特别是在湿法磨上应用最佳。
附图说明：
图1为淬火钢的最大硬度与碳含量的关系；
图2为硼对淬透性的作用与钢中含碳量的关系；
图3为加工多元合金耐磨耐蚀高韧性磨球用螺旋滚杠式强风冷淬火机工作原理示意图。
下面结合附图，加工直径为φ100mm和φ60mm的磨球，列表说明本发明包括磨球化学成分(按重量％计)、加工工艺步骤以及产品性能在内的最佳实施例，由表2给出，其中表2上方的箭头表示加工工艺步骤。图3给出了进行风冷淬火所用的螺旋滚杠式强风冷淬火机，它由滚杠传动系统2和其下设置的风机装置3及温控器4组成，由于球1在滚杠上靠滚杠旋转推动前进并翻转，同时其下设置的风机装置3吹风冷却。
表2----------------------→球径(mm) 铸 造 锻 造 热 处 理 工艺 出品 率 ％ 硬度 HRc 冲击 韧性 J/cm2 3.5m 高跌 落试 验 球 耗 化学成分 ％ 浇铸 温度 ℃ 出砂 温度 ℃ 加热 温度 ℃终锻温度 ℃ 锻造 次数 次 均化 温度 ℃ 风 冷 缓冷 保温 回 火φ100 C：0.52 Si：0.83 Mn：2.40 Cr：0.71 B：0.0015 Ti：0.18 P：0.03 S：0.028 Re：0.1 Fe：余量 1500 ±15 185 ±5 1080 ±15 970 ±10 48 850 ±5 850℃ -400℃ 冷210s 400℃ -280℃ 冷300s 从280 ℃冷到 100℃ 用16h 后空冷 到室温 250℃ ×3.5h 95.5 56.5 - 58.5 26.7 失效 次数 15800 次 480-680 g/T矿φ60 C：0.58 Si：0.9 Mn：2.55 Cr：0.95 B：0.0020 Ti：0.15 P：0.03 S：0.026 Re：0.1 Fe：余量 1490 ±15 180 ±5 1050 ±15 960 ±10 45 840 ±5 840℃ -400℃ 冷200s 400℃ -260℃ 冷300s 从260 ℃冷到 100℃ 用13个 h后空 冷到室 温 240℃ ×3.5h 94.5 57.5 -59 27.9 失效 次数 16200 次 480-680 9/T矿