專利名稱：馬氏體/貝氏體復(fù)合鑄鐵磨球及生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及球磨機鑄鐵磨球的材質(zhì)與制造工藝。
磨球是冶金礦山、水泥、火力發(fā)電等工業(yè)部門應(yīng)用的粉磨設(shè)備的易磨件。冶金礦山選礦每年所消耗的磨球數(shù)量占幾個耗球行業(yè)消耗的磨球總量的一半以上，全國大小礦山每年所消耗的磨球約40-60萬噸，價值10-20億元。目前我國冶金礦山應(yīng)用的鑄鐵磨球可以分為兩大類，一類是白口鑄鐵磨球，其微觀組織中含有大量的高硬度的碳化物，碳化物的顯微硬度HV為1100-1700，普通白口鑄鐵磨球由于其韌性差，在冶金礦山基本淘汰，目前主要應(yīng)用的是低合金白口鑄鐵磨球和高鉻白口鑄鐵磨球，但高鉻白口鑄鐵磨球合金含量高，成本高，在鐵礦中應(yīng)用受到一定的限制，低合金白口鑄鐵磨球由于沖擊韌性較低，對于生產(chǎn)大直徑的磨球，易出現(xiàn)嚴(yán)重的碎球現(xiàn)象而影響磨礦效率。另一類為球墨鑄鐵磨球，主要有中錳球鐵磨球、奧貝球鐵磨球、貝氏體球鐵磨球。中錳球鐵磨球的生產(chǎn)工藝簡單，在七、八十年代在全國應(yīng)用很廣，但因球化率的波動，組織中碳化物的數(shù)量不易控制，以及殘余奧氏體的影響，造成破碎率高，磨耗較高，現(xiàn)已基本被其他磨球所取代。奧貝球鐵磨球、貝氏體球鐵磨球都屬于具有針狀組織(馬氏體或貝氏體)球鐵磨球，從微觀組織分析，其主要抗磨組織為針狀組織，而針狀組織的顯微硬度為HV600-900，明顯低于白口鑄鐵中碳化物的顯微硬度，比一般礦石的硬度低，因此其抗磨性比白口鑄鐵低，雖然這種具有針狀組織的球鐵磨球在濕磨條件下應(yīng)用取得很好的使用效果，韌性高，破碎率低，但其耐磨性比白口鑄鐵磨球低，且目前大多采用砂型鑄造，都需要再加熱淬火處理，生產(chǎn)效率低，能耗大。
本發(fā)明的目的是提供一種的復(fù)合鑄鐵磨球及生產(chǎn)方法，采用低合金鑄鐵，沖天爐或感應(yīng)電爐熔煉的鐵水，經(jīng)過球化和孕育處理后澆入金屬型或水冷金屬型中，通過金屬型的激冷作用得到表層為白口、心部為球鐵和中間過渡層為麻口的一次結(jié)晶組織。
本發(fā)明的復(fù)合鑄鐵磨球，由白口鑄鐵和針狀組織的球墨鑄鐵所組成，其表面為白口鑄鐵，心部為具有針狀組織的球墨鑄鐵。表面層為白口鑄鐵的厚度為5-20mm，組織為馬氏體+貝氏體+合金滲碳體，具有高硬度和優(yōu)良的耐磨性，可以有效地抵抗礦石的磨損；心部球墨鑄鐵層的組織為馬氏體+貝氏體+球狀石墨，具有較高的沖擊韌性，能有效地防止碎球；在表面層和心部存在一個麻口的過渡層，厚度為2-5mm，其組織馬氏體+貝氏體+合金滲碳體+球狀石墨。這種復(fù)合鑄鐵的金屬基體組織為馬氏體和貝氏體混合組織，因此稱此發(fā)明的磨球為馬氏體/貝氏體復(fù)合鑄鐵磨球。
這種復(fù)合鑄鐵磨球是通過激冷的方法獲得，在鑄鐵凝固時增加其冷卻速度而獲得一定厚度的白口層，在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格地控制白口鑄鐵層的厚度，可以根據(jù)生產(chǎn)磨球的大小來確定需要控制的白口鑄鐵層的厚度，一般為磨球直徑的1/6-1/10。要控制白口鑄鐵層的厚度達到設(shè)計要求，并且得到馬氏體/貝氏體金屬基體，就必須適當(dāng)?shù)剡x擇其化學(xué)成分和采用合適的生產(chǎn)工藝。
本發(fā)明生產(chǎn)這種復(fù)合鑄鐵的化學(xué)成分是(按質(zhì)量百分比)C3.4-3.8％ Si2.4-3.4％；Mn2.0-3.5％；Cr0.1-0.5％；Cu0.2-0.8％；B0.003-0.03％；P＜0.08％；S＜0.05％碳和硅是鑄鐵中最基本的元素，它們對鑄鐵的性能起決定性的作用。碳、硅的選定原則與珠光體球墨鑄鐵相近，要求上限不出現(xiàn)石墨飄浮，下限不能出現(xiàn)過厚的白口鑄鐵層。碳含量增加白口鑄鐵層的厚度減少，奧氏體穩(wěn)定性增加，但過高的碳會出現(xiàn)石墨飄浮，因此碳含量一般控制在3.4-3.8％的范圍內(nèi)。
硅降低白口鑄鐵層的厚度，提高共析轉(zhuǎn)變的溫度，加寬共析轉(zhuǎn)變的范圍，縮短珠光體和貝氏體的孕育期。硅能碳在奧氏體中的溶解度，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性。一般硅含量為2.4-3.4％。
錳能增加白口鑄鐵層的厚度，擴大奧氏體區(qū)，降低過冷奧氏體的分解速度，抑制珠光體轉(zhuǎn)變，提高奧氏體的穩(wěn)定性，顯著提高淬透性，使C曲線右移。且錳的價格較低，因此作為主要的合金元素，含量為2.0-3.5％。
鉻是反石墨化元素，強烈地增加白口鑄鐵層的厚度，在白口鑄鐵層中形成合金滲碳體，提高碳化物的硬度，固溶到金屬基體后可以提高合金的淬透性，在本發(fā)明中主要用于調(diào)節(jié)白口鑄鐵層的厚度和增加白口層的硬度，其含量為0.1-0.5％。
銅在一次結(jié)晶中為石墨化元素，減少白口鑄鐵層的厚度，在共析轉(zhuǎn)變中阻礙石墨化，且可以提高合金的淬透性，一般加入量為Cu0.2-0.8％。
硼是強烈的反石墨化元素，顯著地增加白口鑄鐵層的厚度，微量的硼固溶到金屬基體中可以顯著地提高合金的淬透性，加入量為0.003-0.03％。
本發(fā)明通過調(diào)整這些合金的含量，使球化的鐵水在一次結(jié)晶過程中生成一定厚度的激冷白口鑄鐵層，且在后續(xù)的余熱淬火條件下得到馬氏體/貝氏體金屬基體。磨球表面層為白口鑄鐵，厚度控制在5-20mm，表面層組織為馬氏體、貝氏體、合金滲碳體；心部為球墨鑄鐵，熱處理后球墨鑄鐵的基體組織為馬氏體和貝氏體組成的針狀組織；在磨球的表面層與心部為麻口的過渡層，厚度為2-5mm，麻口過渡層組織馬氏體、貝氏體、合金滲碳體、球狀石墨。
本發(fā)明的復(fù)合鑄鐵磨球的生產(chǎn)方法是采用沖天爐熔煉，或感應(yīng)電爐熔煉，鐵水出爐后在球化包中進行球化處理和一次孕育處理，在澆注小包中進行二次孕育處理，經(jīng)球化和孕育處理的鐵水澆入金屬型或水冷金屬型進行鑄造，也可采用金屬型鑄造機進行鑄造，鑄造成形的磨球，在鑄型中冷卻一定的溫度，脫模后空冷，利用余熱進行淬火處理，最后進行低溫回火處理。其生產(chǎn)工藝流程如附

圖1 熔煉可以采用沖天爐熔煉或感應(yīng)電爐熔煉，其熔煉工藝與一般球墨鑄鐵相似。如采用沖天爐熔煉，宜與金屬型鑄造機配套；感應(yīng)電爐熔煉，可以采用手工金屬型鑄造或金屬型鑄造機鑄造。2 爐前處理爐前處理包括球化處理和孕育處理。球化處理溫度為1400-1450℃，球化劑為稀土鎂硅鐵合金，加入量為鐵水量的1.0-1.7％。采用兩次孕育處理，一次孕育處理是在球化包中進行，加入75％硅鐵合金，加入量為鐵水的0.6-1.2％；二次孕育處理在澆注小包中進行，加入75％硅鐵合金，加入量為鐵水量的0.05-0.1％。3 鑄造用金屬型鑄造或水冷金屬型鑄造，或金屬型鑄造機鑄造，澆注溫度為1350-1380℃。將已球化和孕育，澆入金屬型或水冷金屬型中，在鐵水凝固過程中，形成表面白口、麻口鑄鐵和中心球墨鑄鐵三層復(fù)合一次結(jié)晶組織。對于水冷金屬型鑄造，可以根據(jù)生產(chǎn)的磨球的大小，調(diào)整其控制進水量，來有效地控制白口鑄鐵層的厚度。4 余熱淬火澆注成形的磨球在鑄型中冷卻至920-1000℃，進行高溫打箱，在空氣中冷卻或在保溫坑中冷卻至780-880℃立即淬火，淬火介質(zhì)為硅酸鈉水溶液，其比重為1.05-1.35g/cm3，模數(shù)為2.0-3.5，溫度為30-95℃，磨球在這種冷卻介質(zhì)中冷卻至50-200℃取出，去除澆注系統(tǒng)，并檢查其表面質(zhì)量。5 低溫回火將清理干凈的磨球，重新入爐進行回火，消除鑄造應(yīng)力和淬火應(yīng)力，回火溫度為200-250℃，保溫6-12小時。
本發(fā)明復(fù)合鑄鐵磨球采用低合金鑄鐵，通過成份控制和凝固時冷卻強度的控制，有效地控制白口鑄鐵層的厚度，選擇來源廣、成本較低的錳作為主要的合金元素，利用微量的硼來提高淬透性和調(diào)節(jié)白口深度，在連續(xù)冷卻的條件下得到馬氏體/貝氏體基體組織。
說明實施如下化學(xué)成份C3.4-3.6％；Si2.6-3.2％Mn2.5-3.0％； Cr0.1-0.3％；Cu0.2-0.5％ B0.003-0.01％P＜0.08％； S＜0.05％
熱處理工藝余熱淬火溫度780-820℃，淬火介質(zhì)為硅酸鈉水溶液，其比重為1.05-1.25g/cm3，模數(shù)為2.0-3.0，溫度為40-95℃，磨球在這種冷卻介質(zhì)中冷卻至50-150℃取出；低溫回火溫度為200-220℃，保溫6-10小時。
本發(fā)明馬氏體/貝氏體復(fù)合鑄鐵磨球在河北省遷安市境內(nèi)幾十個鐵礦應(yīng)用，使用廠礦反映良好，其質(zhì)量優(yōu)于其它磨球。本工藝已生產(chǎn)千噸產(chǎn)品，應(yīng)用表明本工藝的生產(chǎn)效率高、成本低、節(jié)能、節(jié)省原材料，工藝出品率高、經(jīng)濟效益好、產(chǎn)品質(zhì)量高，平均每班可生產(chǎn)7-8噸成品磨球，工藝出品率為85.1％。
權(quán)利要求
1.一種馬氏體/貝氏體復(fù)合鑄鐵磨球及生產(chǎn)方法，其特征在于磨球的化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計C3.4-3.8％；Si2.4-3.4％；Mn2.0-3.5％；Cr0.1-0.5％；Cu0.2-0.8％；B0.003-0.03％；P＜0.08％；S＜0.05％。磨球表面層為白口鑄鐵，厚度控制在5-20mm，心部為球墨鑄鐵，在磨球的表面層與心部為麻口的過渡層，厚度為2-5mm。熱處理后表面層組織為馬氏體+貝氏體+合金滲碳體；心部組織為馬氏體+貝氏體+球狀石墨；麻口過渡層組織馬氏體+貝氏體+合金滲碳體+球狀石墨。
2.如權(quán)利要求1所述磨球的生產(chǎn)方法，其特征在于采用沖天爐熔煉，出爐的鐵水經(jīng)過球化處理和孕育處理后，澆入金屬型中凝固成形，成形的磨球隨金屬型冷卻，脫模后空冷，利用余熱進行淬火處理，最后進行低溫回火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述目前的生產(chǎn)方法，其特征在于采用金屬型鑄造，澆注溫度為1350-1380℃，鐵水在金屬型或水冷金屬型內(nèi)凝固過程中，形成磨球的表面白口層、麻口過渡層和心部球墨鑄鐵等一次結(jié)晶組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述磨球的生產(chǎn)方法，其特征在于應(yīng)用水冷金屬型鑄造，采用低注式澆注系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述磨球的生產(chǎn)方法，其特征在于熱處理工藝為余熱淬火和低溫回火，鑄造成形的磨球在金屬型或水冷金屬型中冷卻至920-1000℃，進行高溫脫模，磨球空冷至780-820℃進行淬火處理，淬火介質(zhì)為硅酸鈉水溶液，其比重為1.05-1.25g/cm3，模數(shù)為2.0-3.0，溫度為40-95℃，磨球在這種冷卻介質(zhì)中冷卻至50-120℃，取出磨球裝入回火爐中，加熱至200-250℃，保溫6-12小時，進行回火處理，最后出爐空冷。
全文摘要
一種冶金礦山磨礦用復(fù)合鑄鐵磨球,其表面層為具有優(yōu)良耐磨性的白口鑄鐵,可以有效地抵抗礦石的磨損,心部為具有針狀組織的球墨鑄鐵,其韌性較好,可以防止碎球。通過合理的成分設(shè)計,應(yīng)用沖天爐或感應(yīng)電爐熔煉、金屬型或水冷金屬型強制冷卻的方法鑄造、余熱淬火等工藝生產(chǎn)。本發(fā)明的復(fù)合鑄鐵磨球耐磨性高、磨耗低、破碎率低、不失圓;應(yīng)用本發(fā)明的生產(chǎn)方法制備這種復(fù)合鑄鐵磨球,具有生產(chǎn)效率高,工藝出品率高,節(jié)省工時、節(jié)能、生產(chǎn)成本低等特點。
文檔編號C21D5/00GK1262338SQ9910029
公開日2000年8月9日 申請日期1999年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月28日
發(fā)明者趙愛民, 馬振生, 毛為民, 鐘雪友 申請人:北京科技大學(xué), 遷安市馬蘭莊鎮(zhèn)凱達金屬制品廠