專利名稱：具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
球磨機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、建材、電力、化工等領(lǐng)域,球磨機(jī)內(nèi)的磨球作為主要消耗件，其需求量是非常巨大的。國內(nèi)外使用的磨球主要分為鍛鋼球和鑄鐵球，國內(nèi)用于磨球的耐磨材料中，高錳鋼在低沖擊載荷下加工硬化能力差；中錳球鐵的生產(chǎn)成本較低，但它的性能不穩(wěn)定，破碎率高；低合金白口鑄鐵韌性較低；高鉻白口鑄鐵性能雖較好，但生產(chǎn)成本高且腐蝕性介質(zhì)的濕磨條件下耐磨性優(yōu)勢不大，同時韌性也顯不足。貝氏體球墨鑄鐵具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性能、耐磨性能、鑄造性能、加工性能和經(jīng)濟(jì)性而得到快速發(fā)展。其中，具有貝氏體復(fù)相組織的球墨鑄鐵磨球由于其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能特別是耐磨性能而獲得了很多的應(yīng)用，成為抗磨料磨損較為理想的材質(zhì)，適用于耐磨、耐沖擊、高強(qiáng)度、高韌性和耐疲勞等場合。目前獲得具有貝氏體復(fù)相組織的球墨鑄鐵磨球主要有以下方式(I)采用等溫淬火工藝獲得，即將磨球奧氏體化后急冷到貝氏體溫區(qū)等溫轉(zhuǎn)變，之后再淬火到馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下溫度，以獲得“貝氏體+馬氏體”復(fù)相組織。在此方法中，當(dāng)組織奧氏體化進(jìn)入冷卻階段后，可將工件淬入一定溫度的冷卻介質(zhì)(鹽浴或油)中，迅速冷卻到中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，并在該介質(zhì)中進(jìn)行保溫，以便大部分組織完成貝 氏體轉(zhuǎn)變，隨后再急冷到馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，獲得“貝氏體+馬氏體”復(fù)相組織。但是等溫淬火工藝存在工藝復(fù)雜、工序長、耗能大、淬火介質(zhì)易污染環(huán)境等不足，同時還需加入一定量的Cu、Mo、Ni合金元素來提高淬透性，不僅增加了貝氏體球墨鑄鐵磨球的生產(chǎn)成本，而且質(zhì)量不穩(wěn)定；(2)通過合金化在空冷或鑄態(tài)條件下獲得貝氏體球墨鑄鐵磨球，即通過加入一定量的合金元素如N1、Mo、B等，改變球墨鑄鐵的CCT曲線形狀，推遲其高溫轉(zhuǎn)變，并用適宜的冷卻速度使過冷奧氏體連續(xù)通過貝氏體轉(zhuǎn)變的中溫區(qū)，從而在空冷條件下獲得“貝氏體+馬氏體”復(fù)相組織。這種工藝與上述等溫淬火工藝相比，具有節(jié)約能源、縮短生產(chǎn)周期、減少污染等優(yōu)點(diǎn)，但同時存在大斷面淬透性不足，且合金元素加入后易形成碳化物或氧化物而導(dǎo)致材料成本上升等缺點(diǎn)。目前國內(nèi)對貝氏體球墨鑄鐵磨球的爐前鐵液處理工藝和獲得貝氏體的熱處理工藝研究較多，例如，(I)貝氏體球墨鑄鐵磨球，申請(專利)號CN96100468.1 ；(2) 一種貝氏體球墨鑄鐵磨球及其生產(chǎn)工藝，申請(專利)號CN200610048751. 6。上述專利僅片面追求磨球的整體性能,而且所闡述的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、時間長、生產(chǎn)成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定等不足，因而限制了其大規(guī)模推廣和應(yīng)用，難以滿足市場需要。由于磨球的特殊幾何形狀，客觀上，鑄球的邊部和心部性能存在波動；且工況對磨球邊部、心部的硬度、韌性要求各不相同。因此，刻意追求磨球的整體性能均勻并無實(shí)際意義，反而限制了磨球的使用壽命的提高
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種邊部具有高硬度、高耐磨性，硬度達(dá)到50 55HRC ;磨球心部具有高韌性，韌性可達(dá)到15 20Jcm_2，可有效降低破碎率的具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球及其生產(chǎn)工藝。采用該工藝制得的磨球除了具有貝氏體球墨鑄鐵組織外，其性能分布更加合理。本發(fā)明的目的是通過以下方式來實(shí)現(xiàn)
按照本發(fā)明的具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C
3.4% 3. 8%、Si 2. 5% 3. 5%,Mn :2. 0% 3. 0%、Mg :0. 03% O. 05%、RE :0. 03% O. 05%、P O.1、S O. 05，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。其中，主要合金元素為S1、Mn的添加是為了確保通過連續(xù)冷卻方式淬火后貝氏體基體的出現(xiàn)；Mg、RE的添加起到球化的作用，獲得球狀石墨。一種制備具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球的生產(chǎn)工藝，其特征在于包括以下操作步驟
(1)熔煉按下列質(zhì)量百分比的化學(xué)成分配制原料C :3. 4% 3. 8%、S1:2. 5% 3. 5%、Mn 2. 0% 3. 0%、P :彡O.1、S :彡O. 05，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，將配制好的原料放入中頻感應(yīng)電爐中冶煉，溫度控制在1450°C 1500°C，將上述配料熔煉制成球墨鑄鐵的原鐵液后，進(jìn)行爐前處理；
(2)球化處理和孕育處理
將球化劑和孕育劑加入到步驟(I)制得的球墨鑄鐵的原鐵液進(jìn)行球化處理和孕育處
理；
球化劑采用稀土硅鐵鎂合金，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為Mg :7. O 9. 0%、RE
2. 5 4. 0%、Si 35 44%、Mn 4. 0%、Al 0. 5%、Ti 1. 0% 和其余為鐵，其牌號為 QRMg8RE3,其加入量為原鐵液質(zhì)量的1. 6% 2. 0% ；
孕育劑采用硅鐵稀土合金，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為RE :3% 5%、S1:75%和其
余為鐵的，其牌號為FeSi75，其加入量為原鐵液質(zhì)量的1. 09Γ1. 8% ；
用剛玉管將一次孕育劑和球化劑的均勻混合物注入到熔煉好的球墨鑄鐵的原鐵液之中，添加的過程中進(jìn)行攪拌使其均勻分布，攪拌Hmin ；
(3)半固態(tài)壓鑄成形
(a)將經(jīng)過球化處理和孕育處理的鐵液冷卻至“奧氏體+液相”兩相區(qū)半固態(tài)漿料，其半固態(tài)漿料的溫度控制在1100°C 1200°C，保溫O. 5h ；
(b)鑄造磨球，采用半固態(tài)流變壓鑄成形方法用傾斜板將半固態(tài)漿料導(dǎo)入壓力鑄造機(jī)中，進(jìn)行半固態(tài)壓力鑄造成形，獲得半固態(tài)鑄態(tài)磨球；模具預(yù)熱溫度為200°C 250°C，壓鑄速度為1. 5^3m/s ；
(4)鑄后熱處理
(a)將鑄后磨球奧氏體化加熱至840°C 860°C，保溫1. 5h后，連續(xù)冷卻淬火處理，淬火介質(zhì)采用飽和硝酸鹽水溶液；
(b)將淬火后磨球裝入回火爐，升溫到200°C，回火時間1.5h，出爐制得成品。與傳統(tǒng)的貝氏體球墨鑄鐵磨球相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于本發(fā)明采用了上述化學(xué)成分，同時該工藝在熱處理過程中采用了獨(dú)特的半固態(tài)成形技術(shù)，結(jié)合爐前鐵液處理、熱處理工藝，溫度控制在“奧氏體+液相”兩相區(qū)，獲得半固態(tài)漿料；用傾斜板將半固態(tài)漿料導(dǎo)入采用壓力鑄造機(jī)中，進(jìn)行半固態(tài)壓力鑄造成形，獲得半固態(tài)鑄態(tài)磨球；磨球表層組織為球狀晶，心部組織為均勻細(xì)小枝晶。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下例舉幾個化學(xué)組份為定值和不同生產(chǎn)工藝條件下制備的磨球的實(shí)例及所達(dá)到的性能指標(biāo)，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。具體化學(xué)成分及性能見表I和表2。具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球及其生產(chǎn)工藝 表I 具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球成分體系
權(quán)利要求
1.一種具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C:3.4% 3. 8%、Si 2. 5% 3. 5%,Mn :2. 0% 3. 0%、Mg :0. 03% O. 05%、RE :0. 03% O. 05%、P :≤O. 1、S :≤O. 05，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。
2.一種制備權(quán)利要求1所述的具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球的生產(chǎn)工藝，其特征在于包括以下操作步驟(1)熔煉按下列質(zhì)量百分比的化學(xué)成分配制原料C :3. 4% 3. 8%、S1:2. 5% 3. 5%、Mn 2.0% 3. 0%、P :≤O.1、S :≤O. 05，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)，將配制好的原料放入中頻感應(yīng)電爐中冶煉，溫度控制在1450°C 1500°C，將上述配料熔煉制成球墨鑄鐵的原鐵液后，進(jìn)行爐前處理；(2)球化處理和孕育處理將球化劑和孕育劑加入到步驟(I)制得的球墨鑄鐵的原鐵液進(jìn)行球化處理和孕育處理；球化劑采用稀土硅鐵鎂合金，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為Mg :7. O 9. 0%、RE 2.5 4. 0%、Si 35 44%、Mn 4. 0%、Al 0. 5%、Ti 1. 0% 和其余為鐵，其牌號為 QRMg8RE3,其加入量為原鐵液質(zhì)量的1. 6% 2. 0% ；孕育劑采用硅鐵稀土合金，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為RE :3% 5%、S1:75%和其余為鐵的，其牌號為FeSi75，其加入量為原鐵液質(zhì)量的1. 09Γ1. 8% ；用剛玉管將一次孕育劑和球化劑的均勻混合物注入到熔煉好的球墨鑄鐵的原鐵液之中，添加的過程中進(jìn)行攪拌使其均勻分布，攪拌Hmin ；(3)半固態(tài)壓鑄成形(a)將經(jīng)過球化處理和孕育處理的鐵液冷卻至“奧氏體+液相”兩相區(qū)半固態(tài)漿料，其半固態(tài)漿料的溫度控制在1100°C 1200°C，保溫O. 5h ；(b)鑄造磨球，采用半固態(tài)流變壓鑄成形方法用傾斜板將半固態(tài)漿料導(dǎo)入壓力鑄造機(jī)中，進(jìn)行半固態(tài)壓力鑄造成形，獲得半固態(tài)鑄態(tài)磨球；模具預(yù)熱溫度為200°C 250°C，壓鑄速度為1. 5^3m/s ；(4)鑄后熱處理(a)將鑄后磨球奧氏體化加熱至840°C 860°C，保溫1. 5h后，連續(xù)冷卻淬火處理，淬火介質(zhì)采用飽和硝酸鹽水溶液；(b)將淬火后磨球裝入回火爐，升溫到200°C，回火時間1.5h，出爐制得成品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高耐磨、高沖擊韌性的球墨鑄鐵磨球及其生產(chǎn)工藝，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C3.4%～3.8%、Si2.5%～3.5%、Mn2.0%～3.0%、Mg0.03%～0.05%、RE0.03%～0.05%、P≤0.1、S≤0.05，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。具體制備步驟包括熔煉、球化處理和孕育處、半固態(tài)壓鑄成形、鑄造磨球和鑄后熱處理。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于本發(fā)明采用了上述化學(xué)成分，同時該工藝在熱處理過程中采用了獨(dú)特的半固態(tài)成形技術(shù)，結(jié)合爐前鐵液處理、熱處理工藝，溫度控制在“奧氏體+液相”兩相區(qū)，獲得半固態(tài)漿料；用傾斜板將半固態(tài)漿料導(dǎo)入采用壓力鑄造機(jī)中，進(jìn)行半固態(tài)壓力鑄造成形，獲得半固態(tài)鑄態(tài)磨球；磨球表層組織為球狀晶，心部組織為均勻細(xì)枝晶。
文檔編號C21C1/10GK103045932SQ20121055080
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者李海臣, 宋仁伯, 孫挺, 鄧鵬 , 王旭, 韋錦華 申請人:鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司