本发明涉及耐磨球及其制备技术领域，具体涉及一种高硬度高铬合金耐磨球及其制备方法。
背景技术：
球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。
耐磨球是一种用于球磨机中的粉碎介质，在球磨机中耐磨球是重要的组成部分，用于粉碎球磨机中的物料，主要分为两种：一种是以铬为主要合金元素的白口铸铁，简称铬合金铸铁，以铬合金铸铁为材料的铸造磨球称为铬合金铸铁磨球；另一种是以球墨铸铁为材料的铸造磨球称为球墨铸铁磨球。它的主要作用是对物料进行冲击破碎，同时也起到一定的研磨作用，属于易磨损件。目前，随着工业化的快速发展，各式大型球磨机逐年增加，而现有的耐磨球晶体组织粗糙，硬度比较低，冲击韧性低，耐磨性能差，因此，耐磨球的消耗也大幅度增长，极大的影响了行业发展。
耐磨球的质量对粉碎效果和粉磨效率会产生直接的影响，并最终影响球磨机产量，因此，急需研制出一种具有高强度、高硬度、高冲击韧性的高品质耐磨球。
技术实现要素：
针对上述存在的问题，本发明提出了一种高硬度高铬合金耐磨球及其制备方法，通过合理的元素配比与工艺优化，制得的耐磨球综合质量好，强度高、硬度高，磨耗量降低了7％以上，且不易变形凹陷，使用寿命相较于普通高铬耐磨球延长了4倍以上。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种高硬度高铬合金耐磨球，包括以下百分含量的合金元素：c2.2-2.45％、si0.5-0.7％、mn0.8-1.2％、cr16-18％、cu0.18-0.23％、mo0.25-0.36％、b0.1-0.23％、ni0.4-0.55％，余量为fe和不可避免的杂质，所述高硬度高铬合金耐磨球还包括稀土氧化物和氮化物细粉。
优选的，稀土氧化物为占耐磨球总质量0.08-0.14％的摩尔比为1：1的氧化铈和氧化钪的混合物，或为占耐磨球总质量0.1-0.15％的摩尔比为1：1的氧化铈和氧化钇的混合物。
优选的，氮化物细粉为占耐磨球总质量1.5-2％的质量比2：1-1.5的氮化硅、氮化铪的混合物。
优选的，高硬度高铬合金耐磨球，包括以下百分含量的合金元素：c2.36-2.45％、si0.5-0.6％、mn1-1.2％、cr16-17.3％、cu0.21-0.23％、mo0.33-0.36％、b0.1-0.18％、ni0.4-0.5％，余量为fe和不可避免的杂质，所述高硬度高铬合金耐磨球还包括稀土氧化物和氮化物细粉。
优选的，高硬度高铬合金耐磨球，制备步骤如下：
1)配料熔炼：将废钢、生铁、钼铁、废铜、部分锰铁加入中频电炉中，加热熔融，熔炼温度为1580-1600℃，待完全熔融后再将硅铁、铬铁、镍铁、部分稀土氧化物加入其中，最后再将硼砂、剩余锰铁加入其中熔炼，取样分析，调整钢水中各元素成分，完全熔融后将部分氮化物细粉加入其中，保温3-5min；
2)出包浇铸：将熔融的钢水倒入钢包中，并随流添加剩余稀土氧化物、孕育剂和剩余氮化物细粉，待钢水温度为1450±10℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，冷却至250-270℃，破壳，得耐磨球粗品；
3)时效处理：将耐磨球粗品加热至960-980℃保温3h，进行一次油淬，然后再次加热至1050-1080℃保温2h，进行二次水淬，然后回火升温至320-360℃，保温4-6h，室温空冷后即得成品。
优选的，稀土氧化物、氮化物细粉均为纳米级粉料，粒径为40-60nm。
优选的，锰铁分两部分添加，两次添加质量比为1：1；稀土氧化物分两部分添加，两次添加质量比为1：0.8；氮化物细粉分两部分添加，两次添加质量比为3：2。
优选的，浇铸前，先对模具进行预热，预热后将模具置于振动机上，然后再进行浇铸，浇铸完成后启动振动机震动3-4min。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：本发明通过调整和控制合金钢中各元素的组成配比和添加顺序，加强了元素间的协同促进效果，组织金相转化均匀，微观结构细致平衡，强度、硬度、抗冲击性等显著提高。适量的mn使得合金具有较高的强度和良好的塑性及加工性能，配合同期加入的cu降低了mn在合金材料中的溶解度，质硬而脆，因此，将mn分步加入配合稀土氧化物除了加强脱氧效果外，有利于提高耐磨性能，避免了mn过量引起的粗晶问题。另外，稀土元素可与mo、cr、ni等结合，有效提高了组织液流动性，配合浇铸过程中的震动处理，结构均一性强，金相结构稳定，综合性能明显提高。添加有纳米级的稀土氧化物、氮化物细粉，脱氧孕育效果好，合金元素分散结合性强，且分步添加有效保证了化合物及元素作用的充分发挥。部分氮化物细粉在加热过程中保温一段时间，可分解出氮元素，与其它元素结合生成高强度金属氮化物，另一部分可用于保证浇铸过程中元素的流动和二次结合，提高了震动过程中对钢水流动性的处理效果，加强了铸件的性能提升。本发明通过合理的元素配比与工艺优化，制得的耐磨球综合质量好，强度高、硬度高，磨耗量降低了7％以上，且不易变形凹陷，使用寿命相较于普通高铬耐磨球延长了4倍以上
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种高硬度高铬合金耐磨球，包括以下百分含量的合金元素：c2.2％、si0.55％、mn0.9％、cr17％、cu0.18％、mo0.25％、b0.12％、ni0.46％，余量为fe和不可避免的杂质，所述高硬度高铬合金耐磨球还包括稀土氧化物和氮化物细粉。
其中，稀土氧化物为占耐磨球总质量0.08％的摩尔比为1：1的氧化铈和氧化钪的混合物；氮化物细粉为占耐磨球总质量1.5-2％的质量比2：1-1.5的氮化硅、氮化铪的混合物。
高硬度高铬合金耐磨球，制备步骤如下：
1)配料熔炼：将废钢、生铁、钼铁、废铜、部分锰铁加入中频电炉中，加热熔融，熔炼温度为1580℃，待完全熔融后再将硅铁、铬铁、镍铁、部分稀土氧化物加入其中，最后再将硼砂、剩余锰铁加入其中熔炼，取样分析，调整钢水中各元素成分，完全熔融后将部分氮化物细粉加入其中，保温3-5min；
2)出包浇铸：将熔融的钢水倒入钢包中，并随流添加剩余稀土氧化物、孕育剂和剩余氮化物细粉，待钢水温度为1450±10℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，冷却至260℃，破壳，得耐磨球粗品；
3)时效处理：将耐磨球粗品加热至970℃保温3h，进行一次油淬，然后再次加热至1050℃保温2h，进行二次水淬，然后回火升温至350℃，保温5h，室温空冷后即得成品。
其中，稀土氧化物、氮化物细粉均为纳米级粉料，粒径为40-60nm；锰铁分两部分添加，两次添加质量比为1：1；稀土氧化物分两部分添加，两次添加质量比为1：0.8；氮化物细粉分两部分添加，两次添加质量比为3：2；浇铸前，先对模具进行预热，预热后将模具置于振动机上，然后再进行浇铸，浇铸完成后启动振动机震动3-4min。
实施例2：
一种高硬度高铬合金耐磨球，包括以下百分含量的合金元素：c2.36％、si0.6％、mn0.8％、cr16.5％、cu0.21％、mo0.32％、b0.1％、ni0.55％，余量为fe和不可避免的杂质，所述高硬度高铬合金耐磨球还包括稀土氧化物和氮化物细粉。
其中，稀土氧化物为占耐磨球总质量0.1％的摩尔比为1：1的氧化铈和氧化钪的混合物；氮化物细粉为占耐磨球总质量1.8％的质量比2：1.5的氮化硅、氮化铪的混合物。
高硬度高铬合金耐磨球，制备步骤如下：
1)配料熔炼：将废钢、生铁、钼铁、废铜、部分锰铁加入中频电炉中，加热熔融，熔炼温度为1600℃，待完全熔融后再将硅铁、铬铁、镍铁、部分稀土氧化物加入其中，最后再将硼砂、剩余锰铁加入其中熔炼，取样分析，调整钢水中各元素成分，完全熔融后将部分氮化物细粉加入其中，保温3-5min；
2)出包浇铸：将熔融的钢水倒入钢包中，并随流添加剩余稀土氧化物、孕育剂和剩余氮化物细粉，待钢水温度为1450±10℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，冷却至250℃，破壳，得耐磨球粗品；
3)时效处理：将耐磨球粗品加热至960℃保温3h，进行一次油淬，然后再次加热至1060℃保温2h，进行二次水淬，然后回火升温至360℃，保温6h，室温空冷后即得成品。
其中，稀土氧化物、氮化物细粉均为纳米级粉料，粒径为40-60nm；锰铁分两部分添加，两次添加质量比为1：1；稀土氧化物分两部分添加，两次添加质量比为1：0.8；氮化物细粉分两部分添加，两次添加质量比为3：2；浇铸前，先对模具进行预热，预热后将模具置于振动机上，然后再进行浇铸，浇铸完成后启动振动机震动3-4min。
实施例3：
一种高硬度高铬合金耐磨球，包括以下百分含量的合金元素：c2.42％、si0.6％、mn1％、cr18％、cu0.22％、mo0.33％、b0.18％、ni0.5％，余量为fe和不可避免的杂质，所述高硬度高铬合金耐磨球还包括稀土氧化物和氮化物细粉。
其中，稀土氧化物为占耐磨球总质量0.14％的摩尔比为1：1的氧化铈和氧化钪的混合物；氮化物细粉为占耐磨球总质量1.6％的质量比2：1.5的氮化硅、氮化铪的混合物。
高硬度高铬合金耐磨球，制备步骤如下：
1)配料熔炼：将废钢、生铁、钼铁、废铜、部分锰铁加入中频电炉中，加热熔融，熔炼温度为1580℃，待完全熔融后再将硅铁、铬铁、镍铁、部分稀土氧化物加入其中，最后再将硼砂、剩余锰铁加入其中熔炼，取样分析，调整钢水中各元素成分，完全熔融后将部分氮化物细粉加入其中，保温3-5min；
2)出包浇铸：将熔融的钢水倒入钢包中，并随流添加剩余稀土氧化物、孕育剂和剩余氮化物细粉，待钢水温度为1450±10℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，冷却至270℃，破壳，得耐磨球粗品；
3)时效处理：将耐磨球粗品加热至980℃保温3h，进行一次油淬，然后再次加热至1060℃保温2h，进行二次水淬，然后回火升温至320℃，保温4h，室温空冷后即得成品。
其中，稀土氧化物、氮化物细粉均为纳米级粉料，粒径为40-60nm；锰铁分两部分添加，两次添加质量比为1：1；稀土氧化物分两部分添加，两次添加质量比为1：0.8；氮化物细粉分两部分添加，两次添加质量比为3：2；浇铸前，先对模具进行预热，预热后将模具置于振动机上，然后再进行浇铸，浇铸完成后启动振动机震动3-4min。
实施例4：
一种高硬度高铬合金耐磨球，包括以下百分含量的合金元素：c2.45％、si0.7％、mn1.2％、cr17％、cu0.2％、mo0.36％、b0.23％、ni0.52％，余量为fe和不可避免的杂质，所述高硬度高铬合金耐磨球还包括稀土氧化物和氮化物细粉。
其中，稀土氧化物为占耐磨球总质量0.1％的摩尔比为1：1的氧化铈和氧化钇的混合物；氮化物细粉为占耐磨球总质量1.5％的质量比2：1的氮化硅、氮化铪的混合物。
高硬度高铬合金耐磨球，制备步骤如下：
1)配料熔炼：将废钢、生铁、钼铁、废铜、部分锰铁加入中频电炉中，加热熔融，熔炼温度为1590℃，待完全熔融后再将硅铁、铬铁、镍铁、部分稀土氧化物加入其中，最后再将硼砂、剩余锰铁加入其中熔炼，取样分析，调整钢水中各元素成分，完全熔融后将部分氮化物细粉加入其中，保温3-5min；
2)出包浇铸：将熔融的钢水倒入钢包中，并随流添加剩余稀土氧化物、孕育剂和剩余氮化物细粉，待钢水温度为1450±10℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，冷却至260℃，破壳，得耐磨球粗品；
3)时效处理：将耐磨球粗品加热至970℃保温3h，进行一次油淬，然后再次加热至1070℃保温2h，进行二次水淬，然后回火升温至340℃，保温5h，室温空冷后即得成品。
其中，稀土氧化物、氮化物细粉均为纳米级粉料，粒径为40-60nm；锰铁分两部分添加，两次添加质量比为1：1；稀土氧化物分两部分添加，两次添加质量比为1：0.8；氮化物细粉分两部分添加，两次添加质量比为3：2；浇铸前，先对模具进行预热，预热后将模具置于振动机上，然后再进行浇铸，浇铸完成后启动振动机震动3-4min。
实施例5：
一种高硬度高铬合金耐磨球，包括以下百分含量的合金元素：c2.27％、si0.65％、mn1.1％、cr16％、cu0.23％、mo0.28％、b0.15％、ni0.4％，余量为fe和不可避免的杂质，所述高硬度高铬合金耐磨球还包括稀土氧化物和氮化物细粉。
其中，稀土氧化物为占耐磨球总质量0.15％的摩尔比为1：1的氧化铈和氧化钇的混合物；氮化物细粉为占耐磨球总质量2％的质量比2：1.5的氮化硅、氮化铪的混合物。
高硬度高铬合金耐磨球，制备步骤如下：
1)配料熔炼：将废钢、生铁、钼铁、废铜、部分锰铁加入中频电炉中，加热熔融，熔炼温度为1600℃，待完全熔融后再将硅铁、铬铁、镍铁、部分稀土氧化物加入其中，最后再将硼砂、剩余锰铁加入其中熔炼，取样分析，调整钢水中各元素成分，完全熔融后将部分氮化物细粉加入其中，保温3-5min；
2)出包浇铸：将熔融的钢水倒入钢包中，并随流添加剩余稀土氧化物、孕育剂和剩余氮化物细粉，待钢水温度为1450±10℃时，将钢包中的钢水注入模具进行浇铸，冷却至250℃，破壳，得耐磨球粗品；
3)时效处理：将耐磨球粗品加热至960℃保温3h，进行一次油淬，然后再次加热至1060℃保温2h，进行二次水淬，然后回火升温至350℃，保温6h，室温空冷后即得成品。
其中，稀土氧化物、氮化物细粉均为纳米级粉料，粒径为40-60nm；锰铁分两部分添加，两次添加质量比为1：1；稀土氧化物分两部分添加，两次添加质量比为1：0.8；氮化物细粉分两部分添加，两次添加质量比为3：2；浇铸前，先对模具进行预热，预热后将模具置于振动机上，然后再进行浇铸，浇铸完成后启动振动机震动3-4min。
本发明实施例产品进行性能测试，数据如下：
根据上述表格数据可知本发明制备的高硬度高铬合金耐磨球耐磨性强，球芯硬度≥58，球面硬度≥66，落球抗击疲劳次数≥19660次，综合机械性能强，值得推广。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。