本发明属设计一种合金钢，尤其是一种高硬度细晶粒大规格锻造磨球用钢，属于冶金技术领域。
背景技术：
球磨机作为传统的粉磨设备，在冶金、矿山、水泥等行业上的应用非常广泛。磨球是各类球磨机运转生产中的关键材料，也是球磨机中消耗量最大的项目。近年来，大型矿山磨矿流程采用大型半自磨流程逐渐增多，而半自磨机直径显著增大，直径达8m以上，有的甚至达到10m以上，所用锻钢磨球规格均在125mm以上，国外较多采用140mm及150mm，市场需求量很大。同时为降低磨耗，对所使用的大规格磨球要求具有高的体积硬度（表面硬度≥60hrc，芯部硬度≥56hrc）,与此同时还要求具有高的冲击疲劳寿命，8米落球疲劳寿命要求在4000次以上。冲击功要求≥12j/cm2，磨球的材质要求采用较高的碳含量（0.70%-0.85%）。为此，要求磨球淬火前的原始奥氏体晶粒必须细小，晶粒度级别要求高于7级。而目前国内外大直径锻造磨球，由于所用钢成分不合理，难以同时兼顾磨球的高硬度和细小的原奥氏体晶粒度。如cn201510201330.1公开的以及（大直径锻造矿用耐磨钢球的研制，许兴军，金属热处理，2013,38（1）：47-49）报道的目前广泛采用的大规格磨球用钢，其主要化学成分（wt%）c：0.75-0.85%，si0.2-0.4%，mn0.90-1.0%，cr0.88-0.96%，mo0.06-0.13%，在进行140磨球生产时，为保证充分获得足够的淬透性而使磨球淬火后得到高的平均体积硬度，加热温度必须达到880℃以上和必要的保温时间，这种情况下，原始奥氏体晶粒度级别为6级水平，而降低加热温度，又难以保证磨球的芯部硬度；文献（大直径锻球的制备工艺及其磨损性能研究，孙浩等，铸造技术，2011,32（6）：863-865）报道的磨球用钢(wt%)c0.4～0.6，si1.5～2.5，mn2.0～3.0，co≤0.5，mo≤0.25，b≤0.005，坯料采用感应炉冶炼，通过锻造制造150磨球，采用锻后空冷，其心部到表面的硬度为52-53hrc范围，硬度较低；cn201310455888.3报道了一种高淬透性的大直径65mncr磨球及其制备方法，该磨球钢成分为：c：0.55-0.75%，si：0.1-0.5%，mn：1.0-3.0%；cr：0.5-1.5%，al：0.01-0.1%，p：≤0.1%，s：≤0.01%，n：≤0.01%，钢坯经1050℃-1100℃加热后，轧制成直径130mm的磨球，水中淬火2.5-3min，并在320-400℃回火6h，其芯部硬度为50hrc，表面硬度53hrc，无缺口冲击功在25j以上，芯部硬度很低。cn201510073740.2报道的一种耐磨合金钢、合金磨球及其制备方法，所述耐磨合金钢化学成分（%）为：碳0.90-1.00％，硅0.35-0.45％，锰0.50-0.60％，铬1.1-1.3％，钼0.25-0.35％，硼0.07-0.09％，稀土0.3-0.5％，硫0-0.016％，磷0-0.015％，铜0-0.06％，采用轧制工艺制备出一种高韧性、抗磨损的耐磨合金钢及合金磨球，其直径为80-100mm，未报到淬火磨球的硬度。cn201210550594.4报道的一种中高碳大直径锻造磨球钢，化学成分为：0.67%～0.75%c、0.17%～0.37%si、0.90%～1.20%mn、p<0.035%、s<0.035%，余量为fe及不可避免杂质。将圆钢加热至1000～1100℃保温40～60分钟后利用空气锤锻造成直径110mm磨球，并在5%nano2溶液中淬火，及时进行150～200℃低温回火。其磨球表面硬度可以达到60～62hrc，芯部硬度57-59hrc；冲击韧性可以达到10～15j/cm2。cn201410515165.2提供了一种耐冲击合金磨球的制作方法，其材质化学成分为：c0.45-0.65％，mn0.95-1.2％，cr0.1-0.9％，s0.005-0.025％，p0.005-0.025％，钼mo、钒v和钛ti三者之和小于2％；所制成的磨球冲击功≥18j，磨球表面硬度为58-64hrc，芯部硬度40-50hrc。未说明磨球规格，芯部硬度较低。cn201210219595.0报道了一种高碳低合金耐磨球用钢，其化学成分重量百分比(wt%)为：c0.95-1.05%,si0.15-0.35%,mn1.00-1.20%,cr0.45-0.65%，al0.020-0.045%，ni≤0.25%,mo≤0.25%,s≤0.025%,p≤0.025%,cu≤0.25%，余为fe。轧制成的圆钢最大直径为80mm，并未报道该磨球用钢制成的磨球最大规格及性能。cn201010134775.x只是报道了一种高碳锰铬磨球用热轧圆钢及其制造方法，钢的组成按质量百分数为：c0.75～0.85％，si0.17～0.35％，mn0.70～0.90％，cr0.40～0.60％，s0.001～0.020％，cu0.01～0.20％，ni0.01～0.20％，al0.010～0.060％，p0.005～0.025％，余为fe和不可避免的杂质。该磨球用钢用于滚轧工艺生产中小规格磨球。
上述涉及到的生产直径130mm-150mm规格的磨球，存在着为保证磨球高硬度而必须采用高淬火加热温度致使晶粒粗大的问题；或者存在制备的磨球硬度低的问题，或者仅涉及130mm以下的磨球用钢及其制造工艺。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种大规格磨球（直径≥130mm）用钢，所生产的磨球不仅具有高的平均体积硬度（≥58hrc），而且能保证淬火前原奥氏体晶粒度级别≥7.5级。解决目前已有的磨球钢不能同时保证高的磨球平均体积硬度（≥58hrc）和细小的奥氏体晶粒（晶粒度级别≥7.5级）或者硬度低的问题。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案如下：本发明高硬度细晶粒大规格锻造磨球用钢采用最佳的mn、cr、si多元合金化，配合少量的mo及nb微合金化，其化学成分的质量百分数为：c:0.70～0.85%、mn:1.0～1.3%、cr：0.8～0.95%、si：0.6～0.8%、mo：0.1～0.3%、nb：0.02～0.06%、al：0.01～0.06%、cu：≤0.2%、s:≤0.025%、p：≤0.025%、其余为铁。
本发明高硬度细晶粒大规格锻造磨球用钢各主要合金元素的作用和限定用量理由如下：
碳是生产大规格耐磨钢球用钢的重要元素。碳含量决定着磨球淬火后的硬度高低，也影响钢的淬透性。碳含量超过共析钢碳含量过高时，为保证淬透性而采取适当高的加热温度时，容易造成残余奥氏体量增加，同时在放置过程中残余奥氏体转变会引起残余应力的增大，增大使用过程中的剥落掉块倾向；低于共析钢碳含量过多时，板条马氏体比例增加，降低磨球的耐磨性。因此本发明钢种的碳含量为0.70～0.85%。
锰是本发明大规格磨球用钢中添加的主要合金元素，主要用于提高钢的淬透性，同时锰又属于廉价合金元素，可以低成本的达到提高淬透性的目的。结合已有的磨球用钢，本发明钢种的锰含量为1.0～1.3%。
本发明钢中添加铬元素，一是配合锰，增强钢的淬透性，二是降低高碳钢高温下的表面脱碳倾向，三是添加铬与本发明钢中的合金元素硅、钼复合合金化，使淬火钢的回火稳定性提高，有助于在回火过程中消除应力的同时保持高的表面硬度。本发明钢的铬含量控制在0.8～0.95%。
本发明钢添加硅，一是配合其它合金元素进一步提高淬透性，二是与铬、钼配合提高磨球用钢回火抗力，三是属于廉价元素。硅含量过高增加钢表面脱碳倾向，同时提高淬透性的作用效率降低。因此本发明钢种的硅含量为0.6～0.8%。
本发明添加少量合金元素钼，配合其它合金元素显著提高钢的淬透性，同时在磨球水空分级淬火时还能起到促进贝氏体转变、细化有效晶粒提高韧性的目的。考虑到钼属于贵重元素，本发明钢种的钼少量添加，含量为0.1～0.3%。
本发明钢添加微量铌，主要是利用高温加热时钢中未溶的nbc、nbn细小第二相粒子抑制奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的目的。高碳钢中添加微量nb的应用研究很少。本发明钢的铌含量为0.02～0.06%。
al为炼钢过程中脱氧残留的元素，cu、p、s为杂质元素，尽量减少。
本发明大规格锻造磨球用钢的生产工艺流程是：电弧炉或转炉炼钢+lf精炼+rh或vd真空精炼+采用全程保护和电磁搅拌控制的连铸+热轧+缓冷，获得直径90～95mm的圆钢，其轧制比大于15。
本发明锻造磨球用钢制备大规格磨球的工艺如下：利用空气锤将加热的圆钢经粗锻→精锻后，淬火加热→水中淬火→空冷至室温→低温回火。
本发明锻造磨球用钢主要制备直径为130mm以上尺寸的高性能锻造磨球，磨球产品主要用于金属矿山半自磨机作为矿石破碎研磨介质。
本发明的有益效果是：本发明大规格锻造磨球用钢，具有良好的淬透性，在840-860℃奥氏体化温度范围内加热，水中淬火，生产的直径≥130mm锻造磨球平均体积硬度≥58hrc，表面硬度≥59hrc，马氏体组织细小，淬火前原始奥氏体晶粒度级别≥7.5级。与目前生产的大直径锻造磨球相比，本发明钢生产的磨球的淬火加热温度显著降低，加之微合金化nb的作用，显著抑制磨球加热过程中奥氏体晶粒的长大倾向，晶粒度级别提高2～3级，锻造磨球的耐磨性和强韧性得到理想配合，抗破碎性能优异，是大型半自磨机磨球用理想的研磨介质。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明大规格高性能锻造磨球用钢，采用转炉炼钢+lf精炼+rh真空精炼，其熔炼成分（组成按质量百分数）为c：0.70，mn:1.05，cr：0.95，si：0.75，mo：0.1，nb：0.06，al：0.03%、cu：0.10%，s:0.02，p：0.018，其余为铁。
经过全程保护连铸成直径600mm圆坯+热轧工艺分别轧制成直径90mm和直径100mm圆钢。
将φ90mm、φ100mm圆钢坯料由天然气加热炉加热到1150℃左右，由空气锤将φ90mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ130mm和φ140mm球，将φ100mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ150mm球。然后经840℃×3h加热，水中淬火并经200℃回火5h。8米落球冲击疲劳寿命（单球）大于5000次。回火后磨球的硬度和冲击功和原始奥氏体晶粒度级别如表1所示。
实施例2
本发明大规格高性能锻造磨球用钢，采用转炉炼钢+lf精炼+rh真空精炼，其熔炼成分（组成按质量百分数）为c：0.85，mn:1.3，cr：0.8，si：0.6，mo：0.3，nb：0.02，al：0.03%、cu：0.10%，s:0.02，p：0.018，其余为铁。
经过全程保护连铸成直径600mm圆坯+热轧工艺分别轧制成直径90mm和直径100mm圆钢。
将φ90mm、φ100mm圆钢坯料由天然气加热炉加热到1150℃左右，由空气锤将φ90mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ130mm和φ140mm球，将φ100mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ150mm球。然后经840℃×3h加热，水中淬火并经200℃回火5h。其余同实施例1。
实施例3
本发明大规格高性能锻造磨球用钢，采用电弧炉炼钢+lf精炼+vd真空精炼，其熔炼成分（组成按质量百分数）为c：0.85，mn:1.3，cr：0.8，si：0.6，mo：0.3，nb：0.045，al：0.03%、cu：0.10%，s:0.02，p：0.018，其余为铁。
经过全程保护连铸成350mm方坯+热轧工艺，分别轧制成直径90mm和直径100mm圆钢。
将φ90mm、φ100mm圆钢坯料由天然气加热炉加热到1150℃左右，由空气锤将φ90mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ130mm和φ140mm球，将φ100mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ150mm球。然后经850℃×3h加热，水中淬火并经200℃回火5h。其余同实施例1。
实施例4
本发明大规格高性能锻造磨球用钢，采用电弧炉炼钢+lf精炼+vd真空精炼，其熔炼成分（组成按质量百分数）为c：0.75，mn:1.2，cr：0.85，si：0.8，mo：0.15，nb：0.035，al：0.04%、cu：0.10%，s:0.015，p：0.022，其余为铁。
经过全程保护连铸成350mm方坯+热轧工艺，分别轧制成直径90mm和直径100mm圆钢。
将φ90mm、φ100mm圆钢坯料由天然气加热炉加热到1150℃左右，由空气锤将φ90mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ130mm和φ140mm球，将φ100mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ150mm球。然后经860℃×3h加热，水中淬火并经200℃回火5h。其余同实施例1。
实施例5
本发明大规格高性能锻造磨球用钢，采用转炉炼钢+lf精炼+rh真空精炼，其熔炼成分（组成按质量百分数）为c：0.80，mn:1.15，cr：0.90，si：0.72，mo：0.15，nb：0.030，al：0.04%、cu：0.15%，s:0.008，p：0.022，其余为铁。
经过全程保护连铸成直径400mm方坯+热轧工艺分别轧制成直径90mm和直径100mm圆钢。
将φ90mm、φ100mm圆钢坯料由天然气加热炉加热到1150℃左右，由空气锤将φ90mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ130mm和φ140mm球，将φ100mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ150mm球。然后经850℃×3h加热，水中淬火并经200℃回火5h。其余同实施例1。
实施例6
本发明大规格高性能锻造磨球用钢，采用电弧炉炼钢+lf精炼+vd真空精炼，其熔炼成分（组成按质量百分数）为c：0.82，mn:1.25，cr：0.85，si：0.76，mo：0.25，nb：0.040，al：0.05%、cu：0.18%，s:0.012，p：0.020，其余为铁。
经过全程保护连铸成直径400mm方坯+热轧工艺分别轧制成直径90mm和直径100mm圆钢。
将φ90mm、φ100mm圆钢坯料由天然气加热炉加热到1150℃左右，由空气锤将φ90mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ130mm和φ140mm球，将φ100mm圆钢经粗锻、精锻锻造成φ150mm球。然后经860℃×3h加热，水中淬火并经200℃回火5h。其余同实施例1。
表1本发明大规格锻造磨球用钢制作磨球产品的性能