专利名称：含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方法
技术领域：
本发明的技术方案涉及含球墨的铸铁合金，具体地说是含碳化物奥铁体球墨铸铁 磨球及其制造方法。
背景技术：
铁矿石是炼铁和炼钢的主要原料，在炼铁生产过程中，矿石必须经过破碎研磨，由 此需要消耗的磨球每年多达180余万吨。而冶金和矿山行业消耗的磨球占磨球消耗总量的 70%。如何提高冶金和矿山行业在炼铁生产过程中的磨球使用寿命，以降低生产成本，一直 是国内外研究机构和生产企业所重视的课题。目前，在冶金、矿山和水泥等行业中应用的磨球材料主要有锻钢磨球、高铬铸铁磨 球和低铬铸铁磨球。锻钢磨球生产效率高、韧性高，但是硬度较低，耐磨性较差。高铬铸铁 磨球含铬量为12 16%，基体有铸态屈氏体和淬火马氏体两种，在磨煤粉和水泥等干磨料 磨损工况条件下显示了很好的耐磨性，但是在矿山铁矿粉的湿磨工况条件下，其耐磨性大 大降低，另外由于价格较高，没有显示出很好的性价比。低铬铸铁磨球含铬量为1 3%，其 价格较高铬铸铁磨球低，但是体积硬度较低，韧性较低，耐磨性较差，并且碎球率高。近年来，国内开发了几种球墨铸铁磨球。CN1035138公开了“等温淬火球墨铸 铁磨球的制造方法”，其磨球的化学成分为3. 3-3.7% C，2. 2-2.6% Si，0. 4-0. 7% Mn, P < 0. 09%，采用等温淬火的工艺制造磨球，磨球的韧性好，不失圆，破碎率低(< 0. 06% )， 但是，对于直径大于IOOmm的磨球，淬透性较低，磨球断面存在三个组织区域表面为贝氏 体+奥氏体，过渡层为屈氏体+贝氏体，心部为屈氏体组织。这导致磨球硬度分布不均勻， 体积硬度降低。CN1262338披露了“马氏体/贝氏体复合铸铁磨球及生产方法”，其化学成分 为3· 4-3. 8% C, 2. 4-3. 4% Si, 2. 0-3. 5% Μη,Ο. 1-0. 5% Cr,0. 2-0. 8% Cu,0. 003-0. 03% B，P < 0. 08%, S < 0.05%，其热处理工艺为余热淬火+回火，当磨球在铸型中冷却至 920-1000°C时，开箱空冷至780-820°C，淬入水玻璃溶液中，冷却至50_120°C，取出低温回 火，这种工艺的缺点是现场工艺参数不易控制，磨球质量不稳定。CN1944700报道了“一种贝 氏体球墨铸铁磨球及其制作工艺”，该工艺利用中频感应电炉熔炼结合真空实型铸造制备 出球墨铸铁磨球，然后采用控制热处理工艺对磨球进行热处理以获得贝氏体复相组织，最 后进行低温回火，这种工艺的缺点是聚苯乙烯泡沫实型铸造磨球容易产生黑渣，真空干砂 紧实，冷却速度慢，磨球体积硬度低，耐磨性差。CN1134468公开了“贝氏体球墨铸铁磨球”， 该工艺采用水玻璃水溶液连续冷却的方式对磨球进行淬火，硬度大于HRC55，但是连续冷却 获得的贝氏体组织不稳定，导致力学性能稳定性差，容易出现碎球。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方 法，该方法利用覆砂金属型铸造工艺，在磨球铸态组织中形成一定数量的碳化物和石墨球， 然后，通过等温淬火工艺，获得综合力学优良的奥铁体基体，由于奥铁体基体中分布着一定
4数量的碳化物，因此含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球具有高的耐磨性和韧性，从而克服了现 有技术中现场工艺参数不易控制，导致磨球质量不稳定；聚苯乙烯泡沫实型铸造磨球容易 产生黑渣，真空干砂紧实，冷却速度慢，导致磨球体积硬度低，耐磨性差；连续冷却获得的贝 氏体组织不稳定，导致力学性能稳定性差，容易出现碎球以及用CN1035138的方法导致磨 球硬度分布不均勻，体积硬度降低的诸多缺点。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其 化学元素组成的质量百分比为3. 3 3. 7% C、2. 4 3. 3% Si,2. 5 3. 6% Μη、0. 6 1. 5% Cr, P < 0. 08%,S < 0. 025%,0. 03 0. 05% Mg、0. 02 0. 04% Re 和其余为 Fe。上述含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的金相组织主要由奥铁体、碳化物和石墨球组 成。上述含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的金相组织由奥铁体、碳化物、石墨球和微量 的马氏体组成。含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制造方法，其步骤是第一步，原料配制和熔炼按元素的质量百分比为3. 3 3. 7% C、2. 4 3. 3% Si,2. 5 3. 6% Μη、0. 6 1. 5% Cr,P < 0. 08%,S < 0. 025%,0. 03 0. 05% Mg、0. 02 0. 04% Re 和其余为 Fe，配 制原料，将配制好的原料放入中频感应电炉中，升温至全部原料组分熔化，并熔炼成奥铁体 球墨铸铁原铁液，出炉温度为1500 1550°C ；第二步，球化处理和孕育处理将第一步制得出炉的奥铁体球墨铸铁原铁液进行球化处理和孕育处理，球化剂采 用元素组分的质量百分比为5 7% Mg、l 3% Re,40 45% Si和其余为铁的稀土硅铁 镁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液质量的1. 1 1. 8% ；孕育剂采用元素组分的质 量百分比为1 3% Ba、70 75% Si和其余为铁的含钡硅铁合金，其加入量为奥铁体球墨 铸铁原铁液质量的0. 4 1. 0%，然后将球化和孕育处理好的奥铁体球墨铸铁原铁液浇入 到覆砂金属型中，该处理好的奥铁体球墨铸铁原铁液冷却后制得含有石墨球和碳化物的珠 光体基体球墨铸铁磨球，其碳化物含量为该磨球总质量的5 25% ；第三步，等温淬火热处理将第二步制得的含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球加热至880 9500C，保温1 4小时，然后迅速淬入温度为190 300°C的质量百分比浓度为50% NaNO3+ 质量百分比浓度为50% KNOdI盐溶液中，保持时间1 5小时，然后取出在空气中冷却 至室温，最终制得含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其化学元素组成的质量百分比为3. 3 3. 7 % C、2. 4 3. 3 % Si,2. 5 3. 6 % Μη、0· 6 1. 5 % Cr、P < 0. 08 %、S < 0. 025 %、 0. 03 0. 05% Mg、0. 02 0. 04% Re和其余为Fe，其金相组织主要由奥铁体、碳化物和石 墨球组成；在上述含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制造方法中，所涉及的百分比均为质量百 分比。上述含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制造方法，最终制得含碳化物奥铁体球墨铸 铁磨球，其金相组织由奥铁体、碳化物、石墨球和微量的马氏体组成。在上述含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制造方法中，第二步所制得含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球，其碳化物含量是通过调整覆砂层的厚度和第一步配制 原料中所用元素化学成分的质量百分比两者之间的配合来控制的，当覆砂层厚度为3 5mm，第一步配制原料中的1.0 1.5% Cr和2. 5 2. 8% Si时，该磨球的碳化物含量为 15 25% ；当覆砂层厚度为6 9mm，第一步配制原料中的0. 6 0. 9% Cr和2. 8-3. 5% Si时，该磨球的碳化物含量为5 15%。本发明的有益效果是与现有球墨铸铁磨球及其制备方法的技术相比，本发明的 显著的进步在于(1)本发明方法利用覆砂金属型工艺既能提高处理好的奥铁体球墨铸铁原铁液结 晶时的冷却速度，又能保护金属型的寿命，准确控制碳化物的含量，提高石墨球数。(2)本发明方法利用等温淬火工艺获得奥铁体基体组织，其组织分布均勻，有利于 提高球墨铸铁磨球产品的力学性能。试验证明，本发明制得的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨 球本体冲击韧性是高铬铸铁磨球的3倍以上，是低铬铸铁磨球的4 5倍，硬度高于高铬铸 铁磨球和低铬铸铁磨球，耐磨性好，冲击疲劳寿命高，不碎球，提高了矿石的研磨效率。(3)用本发明方法，经过等温淬火热处理制得的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的 硬度分布如图2所示。其体积硬度超过HRC57，磨球本体的冲击韧性可达到lOJ/cm2以上， 直径IOOmm的磨球，内外硬度差小于HRC3。经过落球试验表明，磨球不破碎，其落球冲击疲 劳寿命超过10000次。下面实施例进一步详细证明本发明的有益效果。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1用本发明方法制得的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的金相组织图。图2用本发明方法制得的直径为IOOmm的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的硬度分 布图。
具体实施例方式实施例1第一步，原料配制和熔炼按元素的质量百分比为3. 6 % C、2. 5 % Si,2. 5 % Μη、0. 6 % Cr, < 0. 07 % P、 < 0. 025% S、0. 04% Mg、0. 03% Re和其余为Fe，配制原料，将配制好的原料放入中频感应 电炉中，升温至全部原料组分熔化并熔炼成奥铁体球墨铸铁原铁液，出炉温度为1500°C ；第二步，球化处理和孕育处理将第一步制得出炉的奥铁体球墨铸铁原铁液进行球化处理和孕育处理，球化剂采 用元素组分的质量百分比为5 7% Mg、l 3% Re,40 45% Si和其余为铁的稀土硅铁 镁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液重量的重量百分比1. 4% ；孕育剂采用元素组分 的质量百分比为1 3% Ba、70 75% Si和其余为铁的含钡硅铁合金余为铁的稀土硅铁 镁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液重量的重量百分比0. 7%，然后将球化和孕育处 理好的奥铁体球墨铸铁原铁液浇入到覆砂层厚度为6 9mm的覆砂金属型中，该处理好的 奥铁体球墨铸铁原铁液冷却后制得含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球，其碳化物含量为该磨球总质量的百分比10%，铸态金相组织分析表明，基体组织为珠光体；第三步，等温淬火热处理将第二步制得的含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球加热至900°C， 保温2小时，然后迅速淬入温度为190 240°C的质量百分比浓度为50% NaNO3+质量百分 比浓度为50% KNO3硝盐溶液中，保持时间2 4小时，然后取出在空气中冷却至室温，最终 制得含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其化学元素组成的质量百分比为3.6% C,2.5% Si、
2.5% Μη、0· 6% Cr、< 0. 07% P、< 0. 025% S、0. 04% Mg、0. 03% Re 和其余为 Fe，该磨球的 金相组织主要由奥铁体、碳化物和石墨球组成。该磨球的体积硬度HRC58. 8，磨球本体的冲 击韧性达到10. 2J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到10450次。实施例2第一步，原料配制和熔炼按元素的质量百分比为3. 7 % C、3. 2 % Si,3. 5 % MnU. 5 % Cr、< 0. 06 % P、
<0. 025% S、0. 03% Mg、0. 02% Re和其余为Fe，配制原料，将配制好的原料放入中频感应 电炉中，升温至全部原料组分熔化并熔炼成奥铁体球墨铸铁原铁液，出炉温度为1550°C ；第二步，球化处理和孕育处理将第一步制得出炉的奥铁体球墨铸铁原铁液进行球化处理和孕育处理，球化剂采 用元素组分的质量百分比为5 7% Mg、l 3% Re,40 45% Si和其余为铁的稀土硅铁 镁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液重量的重量百分比1. 8% ；孕育剂采用元素组分 的质量百分比为1 3% Ba、70 75% Si和其余为铁的含钡硅铁合金余为铁的稀土硅铁 镁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液重量的重量百分比0. 4%，然后将球化和孕育处 理好的奥铁体球墨铸铁原铁液浇入到覆砂层厚度为3 5mm的覆砂金属型中，该处理好的 奥铁体球墨铸铁原铁液冷却后制得含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球，其碳 化物含量为该磨球总质量的百分比25%，铸态金相组织分析表明，基体组织为珠光体；第三步，等温淬火热处理将第二步制得的含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球加热至950°C， 保温1小时，然后迅速淬入温度为240 260°C的质量百分比浓度为50% NaNO3+质量百分 比浓度为50% KNO3硝盐溶液中，保持时间1 3小时，然后取出在空气中冷却至室温，最终 制得含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其化学元素组成的质量百分比为3. 7% C、3. 2% Si、
3.5% MnU. 5% Cr、< 0. 06% P,< 0. 025% S、0. 03% Mg、0. 02% Re 和其余为 Fe，该磨球的 金相组织主要由奥铁体、碳化物和石墨球组成。该磨球的体积硬度HRC57. 9，磨球本体的冲 击韧性达到11. 2J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到10780次。实施例3第一步，原料配制和熔炼按元素的质量百分比为3. 4 % C、3. 0 % Si,2. 8 % MnU. 0 % Cr、< 0. 08 % P、
<0. 022% S、0. 05% Mg、0. 04% Re和其余为Fe，配制原料，将配制好的原料放入中频感应 电炉中，升温至全部原料组分熔化并熔炼成奥铁体球墨铸铁原铁液，出炉温度为1520°C ；第二步，球化处理和孕育处理将第一步制得出炉的奥铁体球墨铸铁原铁液进行球化处理和孕育处理，球化剂采 用元素组分的质量百分比为5 7% Mg、l 3% Re,40 45% Si和其余为铁的稀土硅铁
7镁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液重量的重量百分比1. 15% ；孕育剂采用元素组 分的质量百分比为1 3% Ba、70 75% Si和其余为铁的含钡硅铁合金余为铁的稀土硅 铁镁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液重量的重量百分比1. 0%，然后将球化和孕育 处理好的奥铁体球墨铸铁原铁液浇入到覆砂层厚度为6 9mm的覆砂金属型中，该处理好 的奥铁体球墨铸铁原铁液冷却后制得含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球，其 碳化物含量为该磨球总质量的百分比5%，铸态金相组织分析表明，基体组织为珠光体；第三步，等温淬火热处理将第二步制得的含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球加热至880°C， 保温4小时，然后迅速淬入温度为260 300°C的质量百分比浓度为50% NaNO3+质量百分 比浓度为50% KNO3硝盐溶液中，保持时间3 5小时，然后取出在空气中冷却至室温，最终 制得含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其化学元素组成的质量百分比为3.4% C,3.0% Si、 2. 8% MnU. 0% Cr、< 0. 08% P、< 0. 022% S、0. 05% Mg、0. 04% Re 和其余为 Fe，该磨球的 金相组织主要由奥铁体、碳化物和石墨球组成。该磨球的体积硬度HRC57. 1，磨球本体的冲 击韧性可达到12. 5J/cm2，落球冲击疲劳寿命达到11006次。图1表明在上述实施例中，经过等温淬火热处理所制得的含碳化物奥铁体球墨铸 铁磨球的金相组织主要由奥铁体、碳化物和石墨球组成，还含有微量的马氏体。图2显示上述实施例中经过等温淬火热处理制得的碳化物奥铁体球墨铸铁磨球 的硬度分布。这些磨球体积硬度超过HRC57，本体的冲击韧性可达到lOJ/cm2以上。直径 IOOmm的磨球的内外硬度差小于HRC3。经过落球试验表明，其落球冲击疲劳寿命超过10000 次。
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权利要求
含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其特征在于其化学元素组成的质量百分比为3.3～3.7％C、2.4～3.3％Si、2.5～3.6％Mn、0.6～1.5％Cr、P＜0.08％、S＜0.025％、0.03～0.05％Mg、0.02～0.04％Re和其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其特征在于该磨球的金相 组织主要由奥铁体、碳化物和石墨球组成。
3.根据权利要求1或2所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其特征在于该磨球的 金相组织由奥铁体、碳化物、石墨球和微量的马氏体组成。
4.含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于其步骤是第一步，原料配制和熔炼按元素的质量百分比为3. 3 3. 7% C、2. 4 3. 3% Si,2. 5 3. 6% Μη、0. 6 1. 5% Cr、P < 0. 08%, S < 0. 025%,0. 03 0. 05% Mg、0. 02 0. 04% Re 和其余为 Fe，配制原 料，将配制好的原料放入中频感应电炉中，升温至全部原料组分熔化，并熔炼成奥铁体球墨 铸铁原铁液，出炉温度为1500 1550°C ；第二步，球化处理和孕育处理将第一步制得出炉的奥铁体球墨铸铁原铁液进行球化处理和孕育处理，球化剂采用元 素组分的质量百分比为5 7% Mg、l 3% Re,40 45% Si和其余为铁的稀土硅铁镁合 金，其加入量为奥铁体球墨铸铁原铁液质量的1. 1 1. 8% ；孕育剂采用元素组分的质量百 分比为1 3% Ba、70 75% Si和其余为铁的含钡硅铁合金，其加入量为奥铁体球墨铸铁 原铁液质量的0. 4 1. 0%，然后将球化和孕育处理好的奥铁体球墨铸铁原铁液浇入到覆 砂金属型中，该处理好的奥铁体球墨铸铁原铁液冷却后制得含有石墨球和碳化物的珠光体 基体球墨铸铁磨球，其碳化物含量为该磨球总质量的5 25% ；第三步，等温淬火热处理将第二步制得的含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球加热至880 9500C，保温1 4小时，然后迅速淬入温度为190 300°C的质量百分比浓度为50% NaNO3+ 质量百分比浓度为50% KNOdI盐溶液中，保持时间1 5小时，然后取出在空气中冷却 至室温，最终制得含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其化学元素组成的质量百分比为3. 3 3. 7 % C、2. 4 3. 3 % Si,2. 5 3. 6 % Μη、0· 6 1. 5 % Cr、P < 0. 08 %、S < 0. 025 %、 0. 03 0. 05% Mg、0. 02 0. 04% Re和其余为Fe，其金相组织主要由奥铁体、碳化物和石 墨球组成；在上述含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制造方法中，所涉及的百分比均为质量百分比。
5.根据权利要求4所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于最 终制得含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球，其金相组织由奥铁体、碳化物、石墨球和微量的马氏 体组成。
6.根据权利要求4所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球的制备方法，其特征在于第 二步所制得含有石墨球和碳化物的珠光体基体球墨铸铁磨球，其碳化物含量是通过调整覆 砂层的厚度和第一步配制原料中所用元素化学成分的质量百分比两者之间的配合来控制 的，当覆砂层厚度为3 5mm，第一步配制原料中的，1. 0 1. 5% Cr和2. 5 2. 8% Si时， 该磨球的碳化物含量为15 25% ；当覆砂层厚度为6 9mm，第一步配制原料中的0. 6 ，0.9% Cr和2. 8-3. 5% Si时，该磨球的碳化物含量为5 15%。
全文摘要
本发明含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方法涉及含球墨的铸铁合金，该磨球化学元素组成的质量百分比为3.3～3.7％C、2.4～3.3％Si、2.5～3.6％Mn、0.6～1.5％Cr、P＜0.08％、S＜0.025％、0.03～0.05％Mg、0.02～0.04％Re和其余为Fe，其制备方法是(1)原料配制和熔炼，(2)球化处理和孕育处理，(3)等温淬火热处理。该方法利用覆砂金属型铸造工艺，在磨球铸态组织中形成一定数量的碳化物和石墨球，然后，通过等温淬火工艺，获得综合力学优良的奥铁体基体，由于奥铁体基体中分布着一定数量的碳化物，因此，含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球具有高的耐磨性和韧性。
文档编号C22C33/08GK101906565SQ20091006917
公开日2010年12月8日 申请日期2009年6月8日 优先权日2009年6月8日
发明者刘金海, 张会友, 张纯伟, 李国禄, 王磊, 王绍勤, 赵雪勃, 边泊乾, 郝晓燕 申请人:河北工业大学;迁西奥帝爱机械铸造有限公司