专利名称：中、高碳低合金钢锻球热处理方法及架空滚道式淬火装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁基合金的热处理方法及其专用装置，更确切地说，涉及一种锻制中、高碳低合金钢球的热处理方法及用于该方法淬火步骤中的架空滚道式淬火装置。
磨球是球磨机中不可缺少的磨矿介质。在工业规模的球磨机中一般皆是使用铁基合金的磨球。而铁基合金磨球又可分为铸铁磨球和锻造钢球两大类。
铸铁磨球存在经常产生缩孔、疏松、气孔、夹渣等组织不均匀的缺陷，使用时磨损变形大，破碎率高，使用单耗高等缺点。
锻造钢球因其组织均匀，无缩孔、疏松、气孔、夹渣等现象，受到用户的欢迎。但是如果加工方法，特别是热处理方法不得当，也存在硬度低，不耐磨或者由于淬火不均匀而变脆、产生裂纹或破裂等。
无论铸球或锻球，若不经过专门的工艺处理，都不耐磨，都存在以下缺点(1)粉磨单耗高，成本高；(2)磨球损耗快，增加了开仓次数，延长了停机时间，降低了生产效率；(3)增大运输量，增大了劳动力和能源的消耗；(4)在有色矿及非金属矿磨矿时，进入矿粉中的铁粉增多，使产品质量下降；(5)在需要加酸的工艺条件下，铁粉多将增加硫酸用量，一般地说，多磨进一吨铁粉就需多消耗3吨左右的硫酸，不但增加了成本，还增加了浸出液中的铁含量，给后续分离工序带来困难。
因此，如何生产耐磨性好的钢球成了人们共同的愿望。作为锻造钢球的材质，过去常采用普通碳钢料头及钢屑等，后来发展到使用中碳钢、高碳钢、高碳低合金钢等材质。尤其是中、高碳低合金钢的锻球由于硬度高、耐磨性好、耐冲击，而且成本也比一般的合金钢低，因此受到广大用户的欢迎。但是，如果没有合适的热处理方法相配合，仍难以使磨球发挥其上述优点。特别是对于中、高碳低合金钢锻球来说，淬火条件较难达到均匀，尤其是在淬火槽底存在氧化铁鳞、淤泥等工艺废物的情况下更是如此。当钢球周围表面的淬火条件不均匀时，很容易由于应力而产生裂纹甚至整个钢球炸裂，或者导致成品钢球的表面在上下左右各方向的硬度不均一，从而使得钢球在使用过程中由于磨损不均匀而严重变形，大大地影响了球磨效果。中国专利申请92108118.9号虽然公开了一种钢球热处理工艺，但是该申请并没有提出解决钢球淬火不均匀的方法，更没有提到使用象本发明中的架空滚道式淬火装置来淬火。
本发明目的是要提供一种可克服上述现有技术的缺点，能使中、高碳低合金钢锻球热处理成品合格率接近100％的热处理方法及为实施该方法而专门设计的架空滚道式淬火装置。
本发明人使用中、高碳低合金钢作原料制造锻球，进行了对钢球热处理的种种研究，结果发现，利用一种由本发明人设计的架空滚道式淬火装置对钢球进行滚动淬火，即可避免钢球产生裂纹或炸裂，并使成品钢球表面硬度均匀，从而使钢球的热处理成品合格率接近或基本上达到100％，大大地降低了成本。由于这一研究成果，从而完成了本发明。
从而，本发明提供了如下的中、高碳低合金钢锻球热处理方法和为实施该方法的专用装置1、一种中、高碳低合金钢锻球热处理方法，包括将锻制好的钢球在水介质中淬火和在油介质中回火，其特征在于，其中所说的水介质中淬火是在一种具有固定倾斜角或可调倾斜角架空滚道的淬火装置中进行滚动淬火。
2、如上所述的锻球热处理方法，其中所说中、高碳低合金钢的化学成分如下
成分 百分比(重量％)C 0.4-1.2Si 0.5-1.2Mn 0.7-2.2S ＜0.05P ＜0.05Cr ≤0.4V ≤0.15Ti ≤0.15Mo ≤0.2Cu ≤0.4Fe 余量3、如上所述的锻球热处理方法，其中所说钢球淬火时入水的温度为700-820℃。
4、如上所述的锻球热处理方法，其中所说淬火时所用水浴的温度为40-80℃。
5、如上所述的锻球热处理方法，其中所说淬火后钢球出水时的表面温度为100-200℃。
6、如上所述的锻球热处理方法，其中所说回火时所用油浴的温度为200-230℃，油浴的介质为机油，回火时间为3-5小时。
7、一种架空滚道式淬火装置，其特征在于，在淬火水槽内设置有一条或多条固定倾斜角或可调倾斜角的金属架空滚道。
8、如上所述的架空滚道式淬火装置，其中所说的固定倾斜角金属架空滚道的倾角为2-15°。
9、如上所述的架空滚道式淬火装置，其中所说金属架空滚道的两侧设置有用于防止钢球滑出滚道的凸缘。
10、如上所述的架空滚道式淬火装置，其中所说架空滚道的长度为2-6米。
在上述的第1-6项关于方法的特征中，第1项的技术特征为必要技术特征，第2-6项皆为附加的或进一步限定的技术特征。在上述的第7-10项关于装置的特征中，第7项的技术特征为必要技术特征，第8-10项皆为附加的或进一步限定的技术特征。
下面详细地解释本发明。本发明人经过长期的研究，结果发现，在淬火时钢球的运动状态对淬火的效果有很大影响。若将钢球直接落入水底不动，则会因为水底的淤泥、氧化皮等杂物影响钢球底部接触面的散热，造成上、下表面的冷却速度不一致，出现淬火硬度不均匀现象，而使用本发明的架空滚道式淬火装置则可以克服这种淬火硬度不均匀的现象。
本发明的架空滚道式淬火装置中的架空滚道可以是固定倾斜角的，也可以是可调倾斜角的，当架空滚道是固定倾斜角的情况下，其倾斜角度优选为2-15°。但最好是将倾斜角做成可调的，以便根据需要来调节倾斜角度。例如，为了制造这种架空滚道，可用轻轨、扁钢、圆钢等材料焊接成具有20-60mm间距的栅栏，这个栅栏必须具有足够的刚度，以便当钢球在上面滚动时不会下弯。将这样的栅栏安装在水槽液面下20-30cm的深度，将倾斜角度调整到2-15°的范围内。这样，栅栏的每两根肋条之间就形成了一条可供钢球滚动的滚道。按照本发明人设定的优选淬火条件，待锻好的钢球表面温度预冷到700-820℃时，迅速投入本发明的淬火装置中，使钢球在架空滚道上于40-80℃的水中滚动冷却，达到淬火目的。钢球的淬火时间，也就是钢球在水中的停留时间，与钢球的直径有关，钢球的直径越大，它的淬火时间越长。优选是以淬火钢球出水时的表面温度为100-200℃来掌握，因为钢球心部的温度一般比其表面温度高30-60℃，这样就能使得钢球在进入回火油浴中时，钢球的温度与回火油浴的温度相接近。至于淬火时钢球在水中停留时间的长短可以通过调节滚道倾斜角度或调节滚道的长度(即水槽长度)来调节。当滚道的长度固定时，可以调节滚道的倾斜角。例如，当处理直径较大的钢球时，可以将倾斜角度调小，以便延长其淬火时间。根据本发明人的试验，如果不用架空滚道而是直接将直径100mm的钢球落入水底的淬火方法，单个球的上下表面硬度差高达10-20°HRC，而且容易炸裂，使用中还容易因磨损不均匀而变形。在机械制造业中，为了防止这种不均匀现象，一般是用夹具夹持住工件，使夹具在水中摆动，以消除不均匀现象，但这样的效果不够好，特别是对于钢球来说，使用夹具存在诸多不便。于是本发明人想出了让工件(钢球)在水中自然滚动淬火的方法，使该工件能够迅速而均匀地冷却。采用本发明装置淬火的钢球，其表面硬度均匀，内应力小，不会产生裂纹或炸裂的现象，给下一道工序带来方便。使用时也不会因磨损不均匀而变形。
使用本发明的淬火装置和按照本发明的方法，可以有效地对任何种类的中、高碳钢材制的钢球进行热处理，但是。从钢球的硬度、韧性、耐冲击性和成本等多方面考虑，优选是使用具有上述第2项所限定成分的中、高碳低合金钢材料。此外，使用本发明的装置和方法。还可用某些不合格的轨道钢材料(例如攀钢PD3钢轨因成分出格被判为废料的杂牌钢ZQ2、ZQ-1、ZQ-2、ZQ-3等)生产出性能优越的整体硬化耐磨钢球，从而提高了经济效益和社会效益。
与现有技术的锻球热处理方法相比，使用本发明的方法与专用装置进行钢球热处理可达到如下有益效果(1)可避免钢球在淬火时由于淬火条件不均匀而产生裂纹或炸裂；(2)能提高成品钢球的硬度、冲击韧性和耐磨性；(3)成品钢球不会由于硬度不一致导致的磨损不均而变性；(4)降低了磨球的损耗。延长了使用寿命，降低了使用成本。实践证明，按本发明方法进行热处理的磨球的单耗只相当于同等材质并按现有技术热处理磨球的1/2左右；(5)减少了球磨机的开仓次数，从而减少了停机时间，提高了球磨机的生产率；(6)减少了由于钢球磨损所生成的铁粉，从而减少了后续化工过程反应试剂的用量并简化了化工过程。
下面结合附图来解释本发明，其中
图1是本发明架空滚道式淬火装置的示意主视图；图2是图1的俯视图。
在图1和图2中各代号的定义如下1、淬火水槽；2、架空滚道；3、支架；4、钢球；5、水面。
在本附图所描述的较佳方案中，架空滚道2由扁钢构成。虽然在图1中看到的钢球4是完整的外形，但实际上钢球4是处于两根扁钢之间，正如图2的钢球4所示那样，由于扁钢之间的距离小于钢球的直径，所以钢球不会落到由两根扁钢限定的滚道之下，也不会滑出滚道之外。两个支架3至少有一个是可调的，从而可以随意地调节滚道的倾角和钢球在水槽中的停留时间。当处理不同直径的钢球时，可以采用具有不同滚道宽度的多个水槽，也可以在同一个水槽中设置具有不同滚道宽度的多条滚道。
下面通过实施例和比较例来进一步解释本发明。但本发明不受这些实施例的限定。
实施例1使用如图1和图2所示的架空滚道式淬火装置，其主要尺寸为水槽长(即滚道长)6m；水槽高1m、水槽宽1m；架空滚道的倾斜角为5°；架空滚道最高点与水面的距离为30mm；架空滚道用17根10×100mm的扁钢窄面向上立着排成一个栅栏，共形成16条供钢球滚动淬火的滚道；每两根扁钢之间限定的滚道宽度为40mm。
热处理对象为直径100mm的锻制钢球。
作为钢球原料的高碳低合金钢化学成分如下成分百分比(重量％)C1.1Si 0.92Mn 1.28S0.04P0.03V0.13Ti 0.08Fe 余量采用红切下料，二次加热锻制成球，利用锻后余热在架空滚道上进行滚动淬火，其余各种热处理条件如下淬火水温75℃钢球入水时表面温度750±10℃淬火时间8分钟钢球出水时表面温度160±10℃钢球出水后至放入回火浴的时间间隔10-20秒回火介质机油回火浴温度220℃回火保温时间200分钟，共处理10个钢球，对所获产品的各项检测结果(平均值)见表1。
比较例1除了不采用本发明的架空滚道式淬火装置而是直接将钢球落入水槽底部进行淬火之外，其余条件皆与实施例1相同，共处理10个钢球，对所获产品的各项检测结果见表1。
实施例2除了将淬火水温改为50℃外，其余条件皆与实施例1相同，共处理10个钢球，其检测结果(平均值)见表1。
比较例2除了不采用本发明的架空滚道式淬火装置而是直接将钢球落入水槽底部进行淬火之外，其余条件皆与实施例2相同，共处理10个钢球，其检测结果(平均值)见表1。
由表1可以看出，在本发明实施例1和实施例2中所获钢球的表面硬度在上、下两方的表面完全一致，而且在对其上、下、左、右、前、后6点进行测定时，各点的表面硬度均一致。而作为现有技术的比较例1和比较例2中所获钢球上、下表面的硬度差别很大。另外，在3.5米高度的50000次落球试验中，本发明实施例1和实施例2的钢球无一破损，完好率达到100％。而比较例1的钢球有11％破损，比较例2的钢球有13.5％破损。如果考虑到由于表面硬度不一致而引起的磨损变形或破损，则比较例1和2的钢球在使用过程中由于变形或破损引起的半途报废还要远大于上述的破损百分数。由此可见，按照本发明方法和使用本发明装置进行热处理加工的钢球的质量要比按现有技术进行热处理加工的钢球好得多。
权利要求
1.一种中、高碳低合金钢锻球热处理方法，包括将锻制好的钢球在水介质中淬火和在油介质中回火，其特征在于，其中所说的水介质中淬火是在一种具有固定倾斜角或可调倾斜角架空滚道的淬火装置中进行滚动淬火。
2.如权利要求1所述的锻球热处理方法，其特征在于，其中所说中、高碳低合金钢的化学成分如下成分 百分比(重量％)C0.4-1.2Si 0.5-1.2Mn 0.7-2.2S＜0.05P＜0.05Cr ≤0.4V≤0.15Ti ≤0.15Mo ≤0.2Cu ≤0.4Fe 余量
3.如权利要求1或2所述的锻球热处理方法，其特征在于，其中所说钢球淬火时入水的温度为700-820℃。
4.如权利要求1或2所述的锻球热处理方法，其特征在于，其中所说淬火时所用水浴的温度为40-80℃。
5.如权利要求1或2所述的锻球热处理方法，其特征在于，其中所说淬火后钢球出水时的表面温度为100-200℃。
6.如权利要求1或2所述的锻球热处理方法，其特征在于，其中所说回火时所用油浴的温度为200-230℃，油浴的介质为机油，回火时间为3-5小时。
7.一种架空滚道式淬火装置，其特征在于，在淬火水槽内设置有一条或多条固定倾斜角或可调倾斜角的金属架空滚道。
8.如权利要求7所述的架空滚道式淬火装置，其特征在于，其中所说固定倾斜角金属架空滚道的倾角为2-15°。
9.如权利要求7或8所述的架空滚道式淬火装置，其特征在于，其中所说金属架空滚道的两侧设置有用于防止钢球滑出滚道的凸缘。
10.如权利要求7或8所述的架空滚道式淬火装置，其特征在于，其中所说架空滚道的长度为2-6米。
全文摘要
一种中、高碳低合金钢锻球热处理方法，包括在水介质中淬火和在油介质中回火，其特征是在一种具有固定或可调倾斜角架空滚道的淬火装置中进行滚动淬火。所说淬火装置的特征是在淬火水槽内设置有一条或多条固定或可调倾斜角的金属架空滚道。利用本发明方法和装置进行热加工处理的锻球，其表面各点硬度的均匀性、冲击韧性、落球试验的完好率以及耐磨性均远优于按现有技术方法生产的锻球。
文档编号C21D1/62GK1165865SQ97100608
公开日1997年11月26日 申请日期1997年3月6日 优先权日1997年3月6日
发明者陈治远, 敬守政, 陈朝光 申请人:西昌市铁工厂