专利名称：低合金铸铁磨球及其制造方法
技术领域：
本发明为一种低合金铸铁磨球及其制造方法，属于球磨机技术领域。
球磨机是广泛应用于冶金、建材、矿山和电力等行业的主要碾磨设备，磨球是主要消耗备件，据统计，93年我国耗球120多万吨，价值数十亿元。目前广泛应用的磨球品种有以下四类，第一类是中高碳钢或低合金钢锻球，这类球韧性好，破碎率低，但硬度低，耐磨性差;第二类是中锰稀土球墨铸铁球，这类球的韧性较低，抗冲击疲劳剥落能力差，易破碎，但耐磨性优于锻钢球，生产工艺简单，生产成本较低;第三类是高铬铸铁球，它靠含有大量的M7C3型坚硬硫化物和马氏体组织而具有最高的平均体积硬度，表里硬度均匀，冲击韧性高，破碎率低，耐磨性好，但贵重合金元素含量高，必须用电炉冶炼，生产成本比锻钢球和中锰球高得多。第四类是低合金铸铁磨球，这类磨球合金元素比高铬球大大减少，冶炼容易，具有珠光体为主的基体组织，经过适当的热处理和稀土变质处理后，可得到均匀弥散的断网状碳化物，耐磨性很好，生产工艺简单，可以用冲天炉冶炼，生产成本低，是近几年发展最快的一类磨球品种，渐渐有取代锻钢球，中锰球铁球和高铬铸铁球之势。低合金铸铁磨球韧性较低，使用过程中破碎率较高，这与碳化物分布和磨球内部存在缩孔和疏松等铸造缺陷有关。以前铸造磨球是静态铸造，采用砂型或金属型成型，出品率低。
本发明的目的是给出一种低合金铸铁磨球及其制造方法，该磨球低合金铸铁并通过离心铸造的新的铸造方法，从而改善低合金铸铁磨球内碳化物的分布，减少磨球内部的铸造缺陷，进一步提高磨球的韧性，降低磨球的破碎率。
本发明的低合金铸铁磨球的化学成份如下(重量%)C:2.5～3.5%; Si:0.3～1.0%; Mn:0.5～1.5%;
Cr:3.0～5.0%; P<0.08%; S<0.08%;
RE:0.05～0.30%; 钨渣铁合金:0.8～4.0%;
其余为Fe。
首先说明本发明磨球的材料。其各组分的成分范围及限定理由如下CC是影响低合金白口铸铁中碳化物数量的主要元素，而碳化物对低合金铸铁的耐磨性起决定性作用，含C少于2.5%时，碳化物数量太少，对改善耐磨性不利，含C量超过3.5%以后，继续增加含C量，对耐磨性影响不大，但显著降低韧性，为此将C控制在2.5～3.5%。
Si增加Si含量，一方面促使基体硬度增加，有利于提高碳化物分散度;另一方面促进石墨化，对淬透性有不利影响，过高含Si量亦使白口铸铁的脆性趋势增加，为此将Si控制在0.3～1.0%。
MnMn是一种有效而廉价的稳定奥氏体的元素，又是一种弱硫化物形成元素，在低合金白口铸铁中，加入0.5%以上的Mn，有利于淬透性的提高，但Mn在提高淬透性的同时，还能大幅度降低马氏体转变温度，随含Mn量增加，残余奥氏体量也增加，因此Mn量不宜超过1.5%。为此Mn含量控制在0.5-1.5%。
CrCr在低合金白口铸铁中，是主要的合金元素，Cr是强硫化物形成元素，加Cr后，能阻止游离石墨产生，保证获得完全白口，且使碳化物由普通渗碳体(Fe3C)转变为合金渗碳体(Fe，Cr)3C，从而显著提高碳化物的显微硬度，改善耐磨性。Cr的加入，亦有利于淬透性的提高，故含Cr量要求大于3.0%，但Cr合金较昂贵，加入过多的Cr将增加生产成本，因此低合金铸铁中Cr量不宜超过5.0%，为此Cr量控制在3.0～5.0%。
PP尽管增加铁水的流动性，然而使材质变脆，所以希望P含量越低越好，P含量一般控制在0.08%以下。
SS和P一样使材质脆化，应尽量降低S的含量，希望S含量越低越好，S含量一般控制在0.08%以下。
RE低合金白口铸铁中共晶碳化物是(F，Cr)3C型，呈连续网状分布，从而割裂了基体，导致低合金铸铁韧性不足，脆性过高。磨球在实际应用过程中承受一定的撞击，为了提高磨球的韧性，保证使用过程中不发生脆裂，因此就有必要改善其韧性，对于低合金白口铸铁而言，改善韧性的关键在于改变共晶硫化物的形态和分布，使其由连续网状分布转变为断网状分布，枝晶形态转变为板块形态，加入0.05%以上的RE可以获得满意的效果，RE加入量过多使低合金铸铁含硅量增加，夹杂物增多，从而导致性能的下降，为此将RE含量控制在0.05～0.30%。
钨渣铁合金本发明适用廉价的钨渣铁合金作为辅助合金化元素。钨渣铁合金是生产钨铁过程中的残渣，其中含有W、Mn、Nb、Ta和Ti等多种合金元素。其成分(重量%)W4.5～8%;Mn13～15%;Nb0.5～0.6%;Ta0.05～0.15%;Ti0.10～0.15%;C5.5～6.5%，余铁。这些元素均能与碳，氮形成高熔点化合物，可作为外来晶核细化晶粒，提高强度和韧性，有利于材料耐磨性的提高。同时这些元素固溶于基体，延缓奥氏体向珠光体的转变，有利于提高材料淬透性。因此钨渣铁合金是提高低合金铸铁强韧性和耐磨性的理想辅助合金，加入量小于0.8%时，效果不明显，加入量超过4.0%后，由于高熔点硬质相过多，不仅不能细化晶粒，反而会促使碳化物析出，损害强度和韧性。为此钨渣铁合金加入量控制在0.8～4.0%。
下面就本发明的磨球制造方法加以详述。通常制造铸造磨球的方法是将具有合适的温度和化学成分符合要求的铁水浇入铸型内，铸型通常是一次性砂型或金属型，在静态下铸造成型，磨球在铸型内冷却一段时间后出箱。本发明的方法是采用金属型铸型(见图1)，铸型1上下箱用定位销2定位，再用连续螺栓3固定，装配完毕后，将铸型固定在立式离心机4上，然后转动离心机，离心机的转速n按下面计算公式来选定n＝ 5520/(MR) β式中n-铸型转速 rpm，即离心机转速;
M-金属溶液的密度 g/cm3;
R-磨球型腔与直浇道中心线的最短距离 cmβ-调整系数，铸铁为1.2～1.5经实际使用β＝1.2～1.3时，获得了比较理想的转速。
当离心机转速稳定后，将1350～1420℃温度和化学成分符合要求的低合金铸铁铁水浇入直浇道5内，铁水在离心力的作用下，沿内浇道6进入铸型型腔7内，铸型型腔内的气体沿排气孔8排出型腔。铁水在离心力的作用下进入型腔并凝固，凝固完毕后，离心机停机并继续冷却到磨球温度达到800～950℃时，取出磨球，将磨球风冷，然后在250～300℃温度下将磨球进行时效处理，时效时间为3～5小时。为了提高铸型的寿命，在金属型的浇注道表面，采用绝热耐火材料9修筑浇注道表面。
本发明效果离心铸造低合金铸铁磨球与普通金属型铸造低合金铸铁磨球相比，有以下三点不同(1)离心磨球的晶粒明显细化，碳化物的形态更趋于断网状，分布均匀，磨球内部疏松和夹杂等铸铁缺陷明显减少，离心磨球的冲击韧性明显提高。
(2)离心磨球的破碎率低于0.05%，耐磨性优于普通球。
(3)用离心铸造方法生产低合金铸铁磨球，工艺出品率高达92%，而用常规方法生产低合金铸铁磨球，工艺出品率仅为65～70%。
图1是用离心铸造方法生产低合金铸铁磨球的示意图。
图2是图1的A-A视图。
1-铸型2-定位销3-连接螺栓4-离心机5-直浇道6-内浇道7-型腔8-排气孔9-耐火材料最佳实施例本例为在磨球直径φ100mm的磨球上采用本发明。
在转速为820rpm的旋转金属模中，金属模用HT200制造，在1380℃浇注温度下浇注低合金铸铁铁水，浇注道表面的绝对耐火材料是高纯高密度钢玉，成分是Al2O3≥99.0%，SiO2≤0.20%，Fe2O3≤0.15%。铁水浇注完毕后，继续将金属模转动8分钟以保证液态金属在离心力作用下凝固，然后停机将金属模从离心机上取出来，将金属模在空气中冷却，待磨球温度达到880℃时，打开金属模，取出磨球，将磨球风冷，然后将磨球在280℃进行时效处理，时效时间4小时。低合金铸铁铁水的化学成分(Wt%)为C 2.93%;Si 0.55%;Mn 0.78%;Cr 4.14%;P 0.05%;S 0.04%;RE0.087%;钨渣铁合金3%，其余为Fe。其中钨渣铁合金的成分为(Wt%)Nb 0.57%;Ta 0.14%;Ti 0.12%;Mn 13.1%;W 7.5%;C 5.7%。
本试例磨球经时效处理后，硬度达到HRC49～52，磨球心部和表面硬度差仅有3个HRC。
表1给出了本发明铸造低合金铸铁磨球和普通静态金属型铸造低合金铸铁磨球的差别。
表1 磨球的韧性、破碎率和工艺出品率
本发明的低破碎率低合金铸铁磨球硬度均匀，耐磨性好，冲击韧性高，磨球内部致密，磨球铸造缺陷少，破碎率低，可以广泛应用于冶金、矿山、建材、化工和电力等行业取代目前应用的钢球和铁球。
权利要求
1.一种低合金铸铁磨球，其特征在于所说的磨球的化学成分为(重量%)C 2.5～3.5%，Si 0.3～1.0%，Mn 0.5～1.5%，Cr 3.0～5.0%，P＜0.08%，S＜0.08%，Rm 0.05%～0.30%，钨渣铁合金0.3～4.0%，其余为铁；所说的钨渣铁合金的化学成分为(重量%)W 4.5～8%；Mn13～15%；Nb 0.5～0.6%；Ta 0.05～0.15%；Ti 0.10～0.15%；C 5.5～6.5%；其余为铁。
2.如权利要求1所述的磨球的制造方法，其特征在于将金属型铸型(1)固定在立式离心机(4)上，然后转动离心机(4)，离心机(4)的转速n按下式计算n＝ 5520/(MR) ·β式中M-金属溶液的密度g/cm3，;R-磨球型腔与直浇道中心线的最短距离;β-调速系数，铸铁为1.2～1.5;在离心机(4)转速稳定后，将温度为1350～1420℃的权利要求1中所说化学成分的低合金铸铁磨球铁水浇入直浇道(5)内，铁水在离心力作用下进入铸型型腔(7)待凝固后使离心机(4)停机，并冷却至磨球温度降至800～950℃时，取出磨球，将磨球风冷，然后在250～300℃温度下将磨球进行时效处理，时效时间为3～5外小时。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所说的金属型铸型(1)的浇注道表面有一层绝热耐火材料(9)。
全文摘要
本发明为一种低合金铸铁磨球及其制造方法，属于球磨机技术领域。该磨球的化学成分为wt％)2.5～3.5％c；0.3～1.0％ Si；0.5～1.5％Mn；3.0～5.0％Cr；P＜0.08％；S＜0.08％；0.05～0.30％R
文档编号C22C37/06GK1101949SQ94114948
公开日1995年4月26日 申请日期1994年8月19日 优先权日1994年8月19日
发明者符寒光, 吴建中 申请人:冶金工业部北京冶金设备研究院