一种球磨机用耐热高强高硬耐磨球的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其组成包括：C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ca、Zr、Cu、S、P、余量为Fe和不可避免的杂质；采用了超声辅助激光熔覆工艺对耐磨球的表面进行了改性，超声辅助激光熔覆工艺参数为：激光器为CO2激光器，功率为1450-1650W，送粉率为0.4-0.5g/min，扫描速度为3-5mm/s，分层厚度为0.4-0.6mm，搭接率为20-28％，超声频率为17-19kHz，超声电源电流为0.02-0.08A；所用的熔覆粉末由20-30份的WO3粉、30-50份的V2O5粉和50-80份的C粉与300-500份的Ni60自熔粉末组成。本发明所述的耐磨球具有优异的冲击强度、硬度、耐热性和耐磨性。
【专利说明】一种球磨机用耐热高强高硬耐磨球
【技术领域】
[0001] 本发明涉及耐磨材料【技术领域】，尤其涉及一种球磨机用耐热高强高硬耐磨球。
【背景技术】
[0002] 摩擦行为无处不在，造成了巨大的国民经济损失。调查发现，仅磨料磨损一项每年 就使得工业国家损失国民生产总值的1% -4%，随着经济的高速发展和社会的进步，磨损 所带来的社会损失将更加巨大。
[0003] 磨损材料一般在相对应的工况条件下使用，由于使用环境的不同对其性能要求也 不同。在干磨的条件下，耐磨材料的失效形式主要是磨料磨损引起的材料磨损、宏观断裂和 磨损面变形，由此提出对耐磨材料的基本性能要求：（1)高的硬度，高硬度的基体可以抵抗 磨粒对基体的微观切削作用，在一定程度上体现了材料的耐磨性；(2)较高的塑韧性、应变 疲劳抗力、脆断抗力和剥层疲劳抗力，高的塑韧性可以减少或者抑制裂纹的萌生和扩展，特 别是在高冲击作用的工况下具有优异的抗断裂破坏能力；（3)高的淬透性，材料的淬透性 高才能保证在大尺寸条件下材料整体组织均匀、性能稳定，耐磨性得予保证。
[0004] 耐磨球作为球磨机中的磨砂介质，既要有高的耐热性、抗冲击性、硬度、耐磨性，又 要有好的韧性。但是，现存的耐磨球在耐热性、抗冲击性、硬度、耐热性、耐磨性和韧性方面 性能欠佳，不能满足现代社会的要求。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了一种球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其具有优异的耐热性，同时具 有优异的冲击强度、硬度、韧性和耐磨性。
[0006] 本发明提出了一种球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其组成成分按质量分数包 括：C:l. 3-2. 0%，Μη:0· 12-0. 46%，Si :0· 53-0. 81 %，Ni:0. 21-0. 45%，Cr:4. 2-5. 95%， Mo: 1.1-1.5 %,V:0. 7-1.0 %,Nb:0. 2-0.5 %, Ca:0. 01-0. 038 %, Zr:0. 01-0. 015 %, Cu:0. 01-0. 03%，S彡0. 028%，P彡0. 033%，余量为Fe和不可避免的杂质；
[0007] 根据上述组成成分配比按照以下工艺进行制备球磨机用耐热高强高硬耐磨球：
[0008] S1、将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1500-1520°c，保温20-45min后加 入铬铁、钥铁、钒铁、铌铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1530-1570°C加热至完全 熔化后加入镍合金、硅钙合金、锆铁，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝 固后开模，炉冷至室温得到耐磨球坯；
[0009] S2、将S1中得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理 中，将温度升至980-1030°C，保温50-80min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至 800-820°C，保温30-75min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至500-530°C，保温 130-150min，水冷至室温，从而得到热处理耐磨球；
[0010] S3、将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得到清 洗耐磨球；
[0011] S4、将 20-30 份的 W03 粉、30-50 份的 V205 粉和 50-80 份的 C 粉与 300-500 份的 Ni60 自熔粉放入球磨机中研磨5-8h后在150-180°C的条件下保温5-6h冷却后得到熔覆粉末； 所述Ni60自熔粉的化学组成按质量分数包括：C :0· 5-0. 9 %，Cr :5-15 %，B :0· 5-2. 5 %， Si :4-8%，Fe :8-12%，余量为 Ni ;
[0012] S5 :将S3中得到的清洗耐磨球和S4中得到的熔覆粉末放入超声辅助激光熔覆 装置进行超声辅助激光熔覆得到熔覆耐磨球，其中所述超声辅助激光熔覆的工艺参数具 体如下：激光器为C0 2激光器，功率为1450-1650W，送粉率为0. 4-0. 5g/min，扫描速度为 3-5mm/s，分层厚度为0. 4-0. 6mm，搭接率为20-28 %，超声频率为17-19kHz，超声电源电流 为 0· 12-0. 18A。
[0013] 优选地，上述球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其组成成分按质量分数包括： C:l. 5%, Μη:0. 32%, Si:0. 62%, Ni:0. 39%, Cr:4. 8%, Mo:l. 1%, V:0. 75%, Nb:0. 33%, Ca:0.019%，Zr:0.012%，Cu:0.015%，S:0.028%，P:0.03%，余量为 Fe 和不可避免的杂 质。
[0014] 优选地，在S2中，在正火处理中，将温度升至980-1030°C的过程中，升温速率随温 度的升高而减小且平均升温速率为5-8°C /min。
[0015] 优选地，在S2中，在淬火处理中，将温度升至800-820°C，保温30-75min，水冷至室 温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小。
[0016] 优选地，在S2中，在正火处理中，将温度升至1005°C，保温75min，空冷至室温；在 淬火处理中，将温度升至812°C，保温65min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至 522°C，保温142min，水冷至室温。
[0017] 优选地，在S4中，将22份的W03粉、42份的V20 5粉和67份的C粉与356份的Ni60 自熔粉放入球磨机中研磨7. 2h后在165°C的条件下保温5. 3h得到熔覆粉末；所述Ni60自 熔粉的化学组成按质量分数包括：C :0. 7%，Cr :10%，B :2. 2%，Si :5. 3%，Fe :9%，余量为 Ni。
[0018] 优选地，所述W03粉的纯度为99. 99 %，所述V205粉的纯度为99. 99 %，所述Ni60自 熔粉的粒度为〇. 04-0. 05mm。
[0019] 优选地，在S5中，所述超声辅助激光熔覆的工艺参数具体如下：功率为1456W， 送粉率为0.45g/min，扫描速度为5mm/s，分层厚度为0.4mm，搭接率为25%，超声频率为 18kHz，超声电源电流为0. 16A。
[0020] 本发明所述球磨机用耐热高强高硬耐磨球热处理工艺中，首先进行正火处理，细 化了晶粒，同时使组织均匀化，消除了树枝状组织和过热组织，去除了耐磨球的内应力，提 高了耐磨球的硬度；之后进行了淬火工艺，淬火冷却的过程中，降温初期，在过冷奥氏体最 不稳定的范围进行快速降温，之后采用减小的降温速率，保证获得马氏体的同时减小耐磨 球中的内应力，防止变形和开裂；在淬火后进行高温回火，消除耐磨球淬火时产生的残留应 力，降低脆性，提高其韧性，防止其变形和开裂；热处理之后采用了超声辅助激光熔覆对耐 磨球的表面进行了改性，在熔覆层中，原位生长形成了 vc-wc-w2c颗粒强化相，使熔覆层表 面颗粒均匀弥散分布且组织细密，提高了耐磨球的致密度，同时vc-wc-w 2c的化学活性很 低，电位比熔覆粉末中的Ni、Fe、Cr高，使Ni、Fe、Cr与C相接触后发生了阳极极化，促使 熔覆粉末的钝化，提高了耐磨球在酸性介质中的耐腐蚀性；另外，附加的超声波辅助熔覆， 一方面，超声波使存在于熔池中的气核空化泡生长和崩溃，加速了熔池中气体的溢出；一方 面，超声波可以产生气流，破碎待结晶晶粒的晶界，增大成核率，细化晶粒，均匀组织；一方 面，在熔覆的过程中，超声振动直接作用于待熔覆表面，进而作用于熔池，超声振动增加了 熔池与待熔覆表面的润湿性，使得液-固界面分子发生相互渗透，使分子间的结合更加紧 密，增加了熔覆表面的平整性；另一方面，超声作为一种能量波，显著加快热传导过程，增强 了熔透性，使熔池中的温度更加均匀，晶粒的长大更加均匀，得到了综合性能好的球磨机用 耐热高强高硬耐磨球。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体实施例对本发明做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本发 明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发 明的保护范围内。
[0022] 实施例1
[0023] 本发明所述球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其组成成分按质量分数包括： C:l. 3%, Μη:0. 12%, Si:0. 81%, Ni:0. 33%, Cr:4. 2%, Mo:l. 3%, V:l. 0%, Nb:0. 2%, Ca:0. 038%，Zr:0. 015%，Cu:0. 03%，S:0. 022%，P:0. 031%，余量为 Fe 和不可避免的杂 质；
[0024] 根据上述组成成分配比按照以下工艺进行制备所述球磨机用耐热高强高硬耐磨 球：
[0025] S1、将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1500°C，保温45min后加入铬铁、 钥铁、钒铁、铌铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1530°C加热至完全熔化后加入镍 合金、硅钙合金、锆铁，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉 冷至室温得到耐磨球坯；
[0026] S2、将S1中得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理 中，将温度升至l〇l〇°C，保温65min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至805°C，保温 60min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至512°C，保温134min，水冷至室温，从而 得到热处理耐磨球；
[0027] S3、将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨20min，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得 到清洗耐磨球；
[0028] S4、将24份的W03粉、50份的V205粉和67份的C粉与300份的Ni60自熔粉放入 球磨机中研磨7h后在180°C的条件下保温6h冷却后得到熔覆粉末；所述Ni60自熔粉的化 学组成按质量分数包括：C :0. 5%，Cr :13%，B :2. 5%，Si :4%，Fe :10%，余量为Ni ;
[0029] S5 :将S3中得到的清洗耐磨球和S4中得到的熔覆粉末放入超声辅助激光熔覆装 置进行超声辅助激光熔覆得到熔覆耐磨球，其中所述超声辅助激光熔覆的工艺参数具体如 下：激光器为C0 2激光器，功率为1600W，送粉率为0. 4g/min，扫描速度为3mm/s，分层厚度为 0. 49mm，搭接率为28 %，超声频率为17kHz，超声电源电流为0. 12A。
[0030] 实施例2
[0031] 本发明所述球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其组成成分按质量分数包括： C:2. 0%, Μη:0. 22%, Si:0. 53%, Ni:0. 21%, Cr:5. 5%, Mo:l. 5%, V:0. 9%, Nb:0. 5%, Ca:0. 01%，Zr:0. 012%，Cu:0. 01%，S:0. 025%，Ρ:0· 029%，余量为 Fe 和不可避免的杂质；
[0032] 根据上述组成成分配比按照以下工艺进行制备所述球磨机用耐热高强高硬耐磨 球：
[0033] S1、将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1520°C，保温20min后加入铬铁、 钥铁、钒铁、铌铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1570°C加热至完全熔化后加入镍 合金、硅钙合金、锆铁，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉 冷至室温得到耐磨球坯；
[0034] S2、将S1中得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理 中，将温度升至1030°C，保温50min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至800°C，保温 75min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至530°C，保温130min，水冷至室温，从而 得到热处理耐磨球；其中，在正火处理中，将温度升至1030°C的过程中，升温速率随温度的 升高而减小且平均升温速率为8°C /min ;在淬火处理中，将温度升至800°C，保温75min，水 冷至室温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小；
[0035] S3、将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨34min，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得 到清洗耐磨球；
[0036] S4、将30份的W03粉、30份的V205粉和80份的C粉与500份的Ni60自熔粉放入球 磨机中研磨8h后在150°C的条件下保温5h冷却后得到熔覆粉末；所述Ni60自熔粉的化学 组成按质量分数包括：C:0. 9%，Cr :15%，B:2. 2%，Si :8%，Fe :8%，余量为Ni ;其中，所述 W03粉的纯度为99. 99 %，所述V205粉的纯度为99. 99 %，所述Ni60自熔粉的粒度为0. 05mm ;
[0037] S5 :将S3中得到的清洗耐磨球和S4中得到的熔覆粉末放入超声辅助激光熔覆装 置进行超声辅助激光熔覆得到熔覆耐磨球，其中所述超声辅助激光熔覆的工艺参数具体如 下：激光器为C0 2激光器，功率为1450W，送粉率为0. 42g/min，扫描速度为5mm/s，分层厚度 为0. 6mm，搭接率为23 %，超声频率为18kHz，超声电源电流为0. 16A。
[0038] 实施例3
[0039] 本发明所述球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其组成成分按质量分数包括： C:l. 7%, Μη:0. 46%, Si :0. 74%, Ni :0. 45%, Cr:5. 95%, Mo: 1. 1 %, V:0. 7%, Nb:0. 4%, Ca:0. 024%，Zr:0. 01%，Cu:0. 015%，S:0. 022%，Ρ:0· 03%，余量为 Fe 和不可避免的杂质；
[0040] 根据上述组成成分配比按照以下工艺进行制备所述球磨机用耐热高强高硬耐磨 球：
[0041] S1、将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1508°C，保温33min后加入铬铁、 钥铁、钒铁、铌铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1554°C加热至完全熔化后加入镍 合金、硅钙合金、锆铁，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后开模，炉 冷至室温得到耐磨球坯；
[0042] S2、将S1中得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中， 将温度升至980°C，保温80min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至820°C，保温30min， 水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至500°C，保温150min，水冷至室温，从而得到热 处理耐磨球；其中，在正火处理中，将温度升至980°C的过程中，升温速率随温度的升高而 减小且平均升温速率为7°C /min ;在淬火处理中，将温度升至820°C，保温30min，水冷至室 温的过程中，冷却速度随温度的降低而减小；
【权利要求】
1. 一种球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，其组成成分按质量分数包括： C:l. 3-2. 0 %, Mn:0. 12-0. 46 %, Si ：0. 53-0. 81 %, Ni:0. 21-0. 45 %, Cr:4. 2-5. 95 %, Mo: 1.1-1.5 %,V:0. 7-1.0 %,Nb:0. 2-0.5 %, Ca:0. 01-0. 038 %, Zr:0. 01-0. 015 %, Cu:0. 01-0. 03%，S彡0. 028%，P彡0. 033%，余量为Fe和不可避免的杂质； 根据上述组成成分配比按照以下工艺进行制备球磨机用耐热高强高硬耐磨球： 51、 将废钢加入到中频感应熔炼炉中，并加热至1500-1520°C，保温20-45min后加入铬 铁、钥铁、钒铁、铌铁，待完全熔化后加入硅铁和锰铁，升温至1530-1570°C加热至完全熔化 后加入镍合金、硅钙合金、锆铁，各原料完全熔化扒渣后得到钢液，浇注，待钢液完全凝固后 开模，炉冷至室温得到耐磨球坯； 52、 将S1中得到的耐磨球坯依次经过正火、淬火和高温回火处理；在正火处理中，将温 度升至980-1030°C，保温50-80min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度升至800-820°C，保 温30-75min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至500-530°C，保温130-150min，水 冷至室温，从而得到热处理耐磨球； 53、 将S2中得到的热处理耐磨球用砂纸打磨，用丙酮清洗后用乙醇清洗，得到清洗耐 磨球； 54、 将20-30份的W03粉、30-50份的V205粉和50-80份的C粉与300-500份的Ni60自 熔粉放入球磨机中研磨5-8h后在150-180°C的条件下保温5-6h冷却后得到熔覆粉末；所 述Ni60自熔粉的化学组成按质量分数包括：C :0.5-0. 9%，Cr :5-15%，B :0.5-2. 5%，Si : 4-8%，Fe :8-12%，余量为 Ni ; S5 :将S3中得到的清洗耐磨球和S4中得到的熔覆粉末放入超声辅助激光熔覆装置 进行超声辅助激光熔覆得到熔覆耐磨球，其中所述超声辅助激光熔覆的工艺参数具体如 下：激光器为C02激光器，功率为1450-1650W，送粉率为0. 4-0. 5g/min，扫描速度为3-5mm/ s，分层厚度为0.4-0. 6mm，搭接率为20-28 %，超声频率为17-19kHz，超声电源电流为 0· 12-0. 18A。
2. 根据权利要求1所述的球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，其组成成 分按质量分数包括：C:1.5%，Mn:0.32%，Si:0.62%，Ni:0.39%，Cr:4.8%，Μο:1· 1%， V:0. 75%，Nb:0. 33%，Ca:0. 019%，Zr:0. 012%，Cu:0. 015%，S:0. 028%，Ρ:0· 03%，余量为 Fe和不可避免的杂质。
3. 根据权利要求1或2所述的球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，在S2中，在 正火处理中，将温度升至980-1030°C的过程中，升温速率随温度的升高而减小。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，在 S2中，在淬火处理中，将温度升至800-820°C，保温30-75min，水冷至室温的过程中，冷却速 度随温度的降低而减小。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，在 S2中，在正火处理中，将温度升至1005°C，保温75min，空冷至室温；在淬火处理中，将温度 升至812°C，保温65min，水冷至室温；在高温回火处理中，将温度升至522°C，保温142min， 水冷至室温。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，在 S4中，将22份的W03粉、42份的V205粉和67份的C粉与356份的Ni60自熔粉放入球磨机 中研磨7. 2h后在165°C的条件下保温5. 3h得到熔覆粉末；所述Ni60自熔粉的化学组成按 质量分数包括：C :0· 7%，Cr :10%，B :2· 2%，Si :5· 3%，Fe :9%，余量为 Ni。
7. 根据权利要求6所述的球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，所述W03粉的纯 度为99. 99%，所述V205粉的纯度为99. 99%，所述Ni60自熔粉的粒度为0. 04-0. 05mm。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的球磨机用耐热高强高硬耐磨球，其特征在于，在 S5中，所述超声辅助激光熔覆的工艺参数具体如下：功率为1456W，送粉率为0.45g/min， 扫描速度为5mm/s，分层厚度为0. 4mm，搭接率为25%，超声频率为18kHz，超声电源电流为 0· 16A。
【文档编号】C21D9/36GK104099532SQ201410374619
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】丁仕武, 丁幸, 徐帮明 申请人:宁国市宁武耐磨材料有限公司