本发明涉及耐磨球技术领域，尤其涉及一种高硬度强韧性高锰耐磨球的制备方法。
背景技术：
耐磨球是一种球磨机中的粉碎介质，用于粉碎球磨机中的待磨物料。市场上最多的耐磨球以铬为主要合金元素，加入各种其他的金属元素经过变质处理和热处理后得到高硬度、高强度的研磨球。众所周知，经过热处理后的研磨球，通过加入各种稀土元素进行变质处理，然后再通过淬火、多次回火等各种工艺使得研磨球的中的马氏体得到充分的细化，从而提高研磨球的高硬度和高强度。然而通过淬火处理的铸铁的内部存在很大应力，其脆性强、韧性差，而在研磨过程中会掺杂一些高硬度的杂质，会使研磨球再研磨过程中破裂，所以工艺上通常需对淬火后的铸铁进行回火处理，以达到研磨球所需的韧性，但在保证高硬度、高强度的同时使研磨球具备强韧性，工艺上回火次数需达到两三次之多，这在工业生产中造成了极大浪费。
公开号为cn107747030a公布了一种矿山专用低铬耐磨球的铸造工艺，其工艺步骤主要分为原料熔炼、球化处理及孕育处理、热处理三大步骤，其中热处理工艺上通过淬火处理后的铸铁进行了两次回火处理。虽然其韧性达到研磨球的所需要求，但是多次的回火造成了生产成本的增加。公开号为cn104141089a公布了一种高铬合金研磨球，该发明分为熔炼和热处理两大步骤，其热处理也经过两次回火去应力。在铸铁的热处理工艺中，淬火和变质处理能够促进细晶强化，而淬火冷却速度越快，铸铁的强度和硬度越高，但韧性越低。所以如何控制淬火过程中的淬火冷却速度获得一种高强度、高硬度、强韧性的研磨球是一项有待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高硬度强韧性高锰耐磨球的制备方法，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高硬度强韧性高锰耐磨球的制备方法，包括以下步骤：
(1)将废钢、锰铁、增碳剂、金属铝、金属铜、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁为原料加入电炉中熔炼，熔炼温度在1580℃-1600℃，将钢水中元素的质量分数控制在：13.5％-16％mn、1.2％-1.5％c、2.2％-2.8％cr、0.28％-0.35％w、0.40％-0.52％v、0.12％-0.18％al、0.08％-0.12％cu、<0.70％n、<0.60％si、<0.04％s、<0.06％p、余量为fe及不可避免的杂质元素；
(2)待原料全部熔融后，将熔融的钢水倒入钢包中，并加入复合变质剂，待钢水降低至温度为1460-1480℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，冷却至300-380℃，得耐磨球粗品；
(3)将步骤2的耐磨球粗品放入电炉加热至900-920℃进行时效处理5-6小时后，将耐磨球放入以氮气为保护气体的环境，喷雾量为2.8-3.6l/s的油-水双液进行喷雾淬火处理，喷雾淬火冷却至120-150℃，然后再将其回火加热至280-300℃保温一段时间，最后空冷至室温，即得所述的高硬度强韧性高锰耐磨球。
进一步地，所述复合变质剂为按以下质量分数组成：si-ca合金30-45％、al-sn合金12-16％、bi-sb合金5-10％、稀有元素re5.8-8.0％，其余为铁，其复合变质剂重量为钢水总质量的0.5-3％。
进一步地，所述步骤2中将钢水注入模具后以平均1.8-2.2℃/s进行风冷至910℃-930℃后以平均0.8℃/s正火冷却至300-380℃。
进一步地，所述步骤3的喷雾淬火处理使用的水-油双液，其淬火油为l-an15全损耗系统用油和3号锭子油其中的一种。
进一步地，所述水-油双液淬火前的油和水的温度均为40℃，其中油和水的质量比为1：2.5-3.4。
进一步地，步骤3所述回火加热至280-300℃保温时间为2-3h，空冷平均冷却速度为0.4℃/s。
本发明通过加入高含量的锰、少量的铬等其他元素，然后向熔炼的钢水中加入变质剂变质处理，再通过时效处理、喷雾淬火处理以及一次回火去应力处理，使该研磨球的铸铁内部获得了超细的晶粒，超细的晶粒使晶界强化效果急剧增强，其增强效果比粗晶的效果提高了10倍；同时，本发明通过喷雾淬火处理有效的控制了淬火冷却速度，在控制淬火时获得适中的过冷度的同时，也有效促进了奥氏体转变为细小马氏体，减少了铸铁内部存在的大量的内部应力，因此在强化效果急剧增强的同时，材料的韧性不但没有降低反而有所提高。另外，本发明在保证了高强度、高硬性以及强韧性的同时，减少了回火处理的次数，在工业生产上也有效的减小了生产成本。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
将废钢、锰铁、增碳剂、金属铝、金属铜、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁为原料加入电炉中熔炼，熔炼温度在1580℃，取少量钢水对其成分进行研究分析，将钢水中元素的质量分数控制在：13.5％mn、1.2％c、2.2％cr、0.28％w、0.40％v、0.12％al、0.08％cu、0.65％n、0.50％si、0.03％s、0.05％p、余量为fe及不可避免的杂质元素；
待原料全部熔融后，向钢包中倒入1000kg熔融的钢水，并加入5kg的复合变质剂，其复合变质剂中si-ca合金30％、al-sn合金12％、bi-sb合金5％、稀有元素re5.8％，其余为铁，待钢水降低至温度为1460℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，将钢水注入模具后以平均1.8℃/s进行风冷至910℃后再以平均0.8℃/s正火冷却至300℃，得耐磨球粗品；
将耐磨球粗品放入电炉加热至900℃进行时效处理5小时后，将耐磨球放入以氮气为保护气体的环境，喷雾量为2.8l/s的油-水双液进行喷雾淬火处理，其中其淬火油为3号锭子油，淬火油和水在温度为40℃下以2.5的质量比进行混合喷雾，油水喷雾淬火冷却至120℃，然后再将其回火加热至280℃保温2h，最后以平均冷却速度为0.4℃/s空冷至室温，即得所述的高硬度强韧性高锰耐磨球。
实施例2：
将废钢、锰铁、增碳剂、金属铝、金属铜、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁为原料加入电炉中熔炼，熔炼温度在1580℃，取少量钢水对其成分进行研究分析，将钢水中元素的质量分数控制在：16％mn、1.5％c、2.8％cr、0.35％w、0.52％v、0.18％al、0.12％cu、0.70％n、0.60％si、0.04％s、0.06％p、余量为fe及不可避免的杂质元素；
待原料全部熔融后，向钢包中倒入1000kg熔融的钢水，并加入5kg的复合变质剂，其复合变质剂中si-ca合金45％、al-sn合金16％、bi-sb合金10％、稀有元素re8.0％，其余为铁，待钢水降低至温度为1460℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，将钢水注入模具后以平均1.8℃/s进行风冷至910℃后再以平均0.8℃/s正火冷却至300℃，得耐磨球粗品；
将耐磨球粗品放入电炉加热至900℃进行时效处理5小时后，将耐磨球放入以氮气为保护气体的环境，喷雾量为2.8l/s的油-水双液进行喷雾淬火处理，其中其淬火油为3号锭子油，淬火油和水在温度为40℃下以2.5的质量比进行混合喷雾，油水喷雾淬火冷却至120℃，然后再将其回火加热至280℃保温2h，最后以平均冷却速度为0.4℃/s空冷至室温，即得所述的高硬度强韧性高锰耐磨球。
实施例3：
将废钢、锰铁、增碳剂、金属铝、金属铜、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁为原料加入电炉中熔炼，熔炼温度在1600℃，取少量钢水对其成分进行研究分析，将钢水中元素的质量分数控制在：13.5％mn、1.2％c、2.2％cr、0.28％w、0.40％v、0.12％al、0.08％cu、0.65％n、0.50％si、0.03％s、0.05％p、余量为fe及不可避免的杂质元素；
待原料全部熔融后，向钢包中倒入1000kg熔融的钢水，并加入30kg的复合变质剂，其复合变质剂中si-ca合金30％、al-sn合金12％、bi-sb合金5％、稀有元素re5.8％，其余为铁，待钢水降低至温度为1460℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，将钢水注入模具后以平均2.2℃/s进行风冷至930℃后再以平均0.8℃/s正火冷却至300℃，得耐磨球粗品；
将耐磨球粗品放入电炉加热至920℃进行时效处理6小时后，将耐磨球放入以氮气为保护气体的环境，喷雾量为3.6l/s的油-水双液进行喷雾淬火处理，其中其淬火油为3号锭子油，淬火油和水在温度为40℃下以3.4的质量比进行混合喷雾，油水喷雾淬火冷却至150℃，然后再将其回火加热至300℃保温3h，最后以平均冷却速度为0.4℃/s空冷至室温，即得所述的高硬度强韧性高锰耐磨球。
实施例4：
将废钢、锰铁、增碳剂、金属铝、金属铜、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁为原料加入电炉中熔炼，熔炼温度在1600℃，取少量钢水对其成分进行研究分析，将钢水中元素的质量分数控制在：16％mn、1.5％c、2.8％cr、0.35％w、0.52％v、0.18％al、0.12％cu、0.70％n、0.60％si、0.04％s、0.06％p、余量为fe及不可避免的杂质元素；
待原料全部熔融后，向钢包中倒入1000kg熔融的钢水，并加入30kg的复合变质剂，其复合变质剂中si-ca合金45％、al-sn合金16％、bi-sb合金10％、稀有元素re8.0％，其余为铁，待钢水降低至温度为1460℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，将钢水注入模具后以平均2.2℃/s进行风冷至930℃后再以平均0.8℃/s正火冷却至300℃，得耐磨球粗品；
将耐磨球粗品放入电炉加热至920℃进行时效处理6小时后，将耐磨球放入以氮气为保护气体的环境，喷雾量为3.6l/s的油-水双液进行喷雾淬火处理，其中其淬火油为3号锭子油，淬火油和水在温度为40℃下以3.4的质量比进行混合喷雾，油水喷雾淬火冷却至150℃，然后再将其回火加热至300℃保温3h，最后以平均冷却速度为0.4℃/s空冷至室温，即得所述的高硬度强韧性高锰耐磨球。
实施例5：
将废钢、锰铁、增碳剂、金属铝、金属铜、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁为原料加入电炉中熔炼，熔炼温度在1580℃，取少量钢水对其成分进行研究分析，将钢水中元素的质量分数控制在：13.5％mn、1.2％c、2.2％cr、0.28％w、0.40％v、0.12％al、0.08％cu、0.65％n、0.50％si、0.03％s、0.05％p、余量为fe及不可避免的杂质元素；
待原料全部熔融后，向钢包中倒入1000kg熔融的钢水，并加入5kg的复合变质剂，其复合变质剂中si-ca合金45％、al-sn合金16％、bi-sb合金10％、稀有元素re8％，其余为铁，待钢水降低至温度为1460℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，将钢水注入模具后以平均1.8℃/s进行风冷至910℃后再以平均0.8℃/s正火冷却至300℃，得耐磨球粗品；
将耐磨球粗品放入电炉加热至900℃进行时效处理5小时后，将耐磨球放入以氮气为保护气体的环境，喷雾量为2.8l/s的油-水双液进行喷雾淬火处理，其中其淬火油为3号锭子油，淬火油和水在温度为40℃下以2.5的质量比进行混合喷雾，油水喷雾淬火冷却至120℃，然后再将其回火加热至280℃保温2h，最后以平均冷却速度为0.4℃/s空冷至室温，即得所述的高硬度强韧性高锰耐磨球。
实施例6：
将废钢、锰铁、增碳剂、金属铝、金属铜、氮化锰铁、钨铁、铬铁、钒铁为原料加入电炉中熔炼，熔炼温度在1580℃，取少量钢水对其成分进行研究分析，将钢水中元素的质量分数控制在：13.5％mn、1.2％c、2.2％cr、0.28％w、0.40％v、0.12％al、0.08％cu、0.65％n、0.50％si、0.03％s、0.05％p、余量为fe及不可避免的杂质元素；
待原料全部熔融后，向钢包中倒入1000kg熔融的钢水，并加入5kg的复合变质剂，其复合变质剂中si-ca合金45％、al-sn合金16％、bi-sb合金10％、稀有元素re8％，其余为铁，待钢水降低至温度为1460℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，将钢水注入模具后以平均2.2℃/s进行风冷至910℃后再以平均0.8℃/s正火冷却至300℃，得耐磨球粗品；
将耐磨球粗品放入电炉加热至920℃进行时效处理6小时后，将耐磨球放入以氮气为保护气体的环境，喷雾量为3.6l/s的油-水双液进行喷雾淬火处理，其中其淬火油为3号锭子油，淬火油和水在温度为40℃下以3.4的质量比进行混合喷雾，油水喷雾淬火冷却至120℃，然后再将其回火加热至300℃保温3h，最后以平均冷却速度为0.4℃/s空冷至室温，即得所述的高硬度强韧性高锰耐磨球。
取实施例1至实施例6中的耐磨球进行硬度、冲击值和冲击疲劳寿命测量，测量数据记录如下表1
表1
从以上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精神和范围。