短流程半固态铸造耐磨球及其制造方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103014478 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103014478 A *CN103014478A* (21)申请号 201210550595.9 (22)申请日 2012.12.18 C22C 37/04(2006.01) C22C 33/10(2006.01) C21C 1/10(2006.01) C21D 5/00(2006.01) B02C 17/20(2006.01) (71)申请人 鞍钢集团矿业公司 地址 114001 辽宁省鞍山市铁东区二一九路 39 号 (72)发明人 鞠洪钢 宋仁伯 李海臣 张永军 张力刚 薛敏 (74)专利代

2、理机构 鞍山贝尔专利代理有限公司 21223 代理人 林治锦 (54) 发明名称 短流程半固态铸造耐磨球及其制造方法 (57) 摘要 本发明涉及一种短流程半固态贝氏体球墨 铸铁磨球及其制备方法， 其特征在于其化学成分 质量百分比为 ： C3.3% 3.7%、 Si2.2% 2.6%、 Mn0.4% 0.7%、 RE0.03% 0.045%， Mg0.004% 0.055%、B0.015% 0.018%、Cu0.5%0.7%、 P0.1%、 S0.04%、 余量为Fe及不可避免杂质。 其制备方法包括真空熔炼、 利用孕育剂和球化剂 进行一次孕育、 将铁水浇注到金属铸型， 同时进行 二次孕育、 采用

3、电磁搅拌技术在金属铸型中制得 半固态浆料， 然后冷却、 开模， 并将铸件放置在熔 融混合碱中进行等温淬火。本发明制备工艺流程 短、 能耗低、 产品性能稳定， 硬度均匀， 整体体积硬 度达到 HRC58， 表面硬度达到 HRC60 61， 心部硬 度为 HRC54 57， 110mm 的磨球内外硬度差小于 HRC6 ； 冲击功 k 15J/cm 2， 经过落球试验表明， 其落球冲击疲劳寿命超过 10000 次。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 1/1 页 2 1. 一种短流

4、程半固态铸造耐磨球， 其特征在于其化学成分质量百分比为 ： C 3.3% 3.7%、 Si 2.2% 2.6%、 Mn 0. 4% 0.7%、 RE 0.03% 0.045%， Mg 0.004% 0.055%、 B 0.015% 0.018%、 Cu 0.5%0.7%、 P 0.1%、 S 0.04%、 余量为 Fe 及不可避免杂质。 2. 一种制备权利要求 1 所述的短流程半固态铸造耐磨球的方法， 其特征在于包括真 空熔炼、 利用孕育剂和球化剂进行一次孕育、 将铁水浇注到金属铸型， 同时进行二次孕育、 采用电磁搅拌技术在金属铸型中制得半固态浆料， 然后冷却、 开模， 并将铸件放置在熔融混

5、合碱中进行等温淬火， 具体操作步骤如下 ： 第一步， 原料配制和铁液熔炼 按下列质量百分比的化学成分配制原料 ： C 3.3% 3.7%、 Si 2.2% 2.6%、 Mn0.4% 0.7%、 B 0.015%0.018%、 Cu 0.5%0.7%， 余量为Fe及不可避免杂质， 将配制好的原料放入 中频感应电炉中进行真空熔炼， 使其升温至全部原料组分熔化， 并熔炼成贝氏体球墨铸铁 原铁液， 出炉温度为 14501500 ； 第二步， 孕育处理和球化处理 将球化剂和孕育剂加入到第一步制得出炉的贝氏体球墨铸铁的原铁液中进行球 化处理和孕育处理 ； 所述的球化剂采用元素组分的质量百分比为 Mg 7.

6、0 9.0%、 RE 2.5 4.0%、 Si 35 44%、 Mn 4.0 4.5%、 Al 0.5 1.0%、 Ti 1.0 1.2% 和其余为铁的稀土硅铁镁合金， 其牌 号为 QRMg8RE3 的球化剂， 其加入量为原铁液质量的 1.0%1.8% ； 所述的孕育剂采用元素组分的质量百分比为RE 35%、 Si72%和其余为铁的硅铁稀土 合金， 其牌号为 FeSi72 的孕育剂， 其加入量为原铁液质量的 1.0%1.8% ； 其球化剂主和孕育剂加入方法为注入法， 即使用刚玉管将孕育剂和球化剂的均匀混合 物注入炼成的原铁液中， 一次孕育剂加入量为 0.6%1.0%， 并且进行电磁搅拌使其均匀

7、分 布 ； 之后将原铁液直接放入保温炉中预热保温静置 60 90s， 然后待其温度降至 1350 1400后， 将二次孕育剂加入到原铁液中， 并一起浇注到已经预热到 230 300的金属 铸型， 同时采用磁搅拌技术在金属铸型中制得半固态浆料， 二次孕育剂加入量为原铁液质 量的 0.2%0.6%， 获得近表面为细小枝晶组织， 内部为半固态两相组织 ； 第三步， 开模等温淬火 当浇注的半固态浆料与金属铸型一起以 300 /min 的冷却速度降温至 840880 的初始淬火温度时， 开模并将铸件放置在淬火介质中进行等温淬火， 其等温淬火温度为 270300， 淬火保温时间为 35 小时， 从而获得贝

8、氏体球墨铸铁。 3. 根据权利要求 2 所述的短流程半固态铸造耐磨球的制造方法， 其特征在于所述步骤 三中的电磁搅拌与低频电源相连， 该电磁搅拌器的功率为 5 20kW， 频率为 5 50Hz， 励磁 电流为 1 50A。 4. 根据权利要求 2 所述的短流程半固态铸造耐磨球的制造方法， 其特征在于所述的淬 火介质为 NaOH 和 KOH 混合物， 其淬火介质物质的量比例为 7:3。 权 利 要 求 书 CN 103014478 A 2 1/4 页 3 短流程半固态铸造耐磨球及其制造方法 技术领域 0001 本发明属于金属材料及其制备技术领域， 尤其涉及一种短流程半固态铸造耐磨球 及其制造方法

9、。 背景技术 0002 金属磨球是一种形状较为简单的球形产品， 是矿山、 建材、 煤炭、 化工等工业部门 不可缺少的重要部分。所以， 耐磨钢球作为易耗品， 其市场年需求量极大。每年国际磨球的 需求量在500万吨以上， 中国磨球的需求在100万吨以上， 特别是大规模矿山用磨球需求量 更为突出。 0003 根据各行业不同设备、 不同工况条件的要求， 制造磨球的材质及生产工艺多种多 样， 如锻造钢球、 球墨铸铁、 铬合金铸造磨球等。 0004 锻造生产磨球工艺过程是熔炼钢水、 浇注钢锭、 轧制圆钢、 圆钢切块、 加热锻轧或 轧制钢球、 钢球热处理、 检查、 成品入库、 工艺过程复杂、 二次加热进行锻

10、造轧制， 能源浪费 大， 工人劳动强度高。 0005 铸造生产磨球工艺过程是熔炼铁水或钢水、 造磨球铸型、 浇注磨球、 打开铸型、 清 理铸球、 热处理铸球、 检验铸球、 成品入库。 该工艺过程虽然减少了轧制钢材和二次加热、 锻 打过程的能源消耗和工人劳动量。 但由于铸造生产磨球缺陷比较多。 结晶晶粒粗大， 疏松缩 孔夹渣等缺陷难以消除。 目前， 铸造磨球 （包括低、 中、 高铬铸球） 的硬度已经能够达到60HRC 以上， 但是其冲击韧性只能在 5J/cm2以上。随着目前球磨机直径加大到 13 米左右， 磨球在 使用过程中主要以抛落为主， 所以导致冲击韧性不高的磨球在使用过程中破碎率较高。这

11、样看来， 随着球磨机设备大型化， 对磨球耐磨性高要求的同时， 冲击韧性质的要求将会越来 越高。 所以， 大型球磨机迫切需要配备一种与其相配套耐磨球， 这种磨球的表层有一定厚度 的高硬度层， 内部具有很高的冲击韧性， 而这样的性能使用传统的铸造方法是很难制得的。 因此， 需要使用一种新型的制备方法。 0006 半固态成型技术， 自上世纪 70 年代以来， 在理论和工业应用方面发展十分迅速。 介于液态、 固态之间的半固态金属， 既可以在压力加工的过程中， 压力较小的情况下成型形 状复杂的制件， 也可以减少铸造加工造成的常见缺陷， 使制件的性能达到了一个较高的水 平 ； 同时还保留了压力加工和铸造加

12、工二者所具有的节能、 近净成行、 环保等优点， 满足新 世纪的先进制造技术的要求。目前， 半固态成形工艺在充型性能以及制件质量方面的优势 已经得到了充分的体现， 其在欧美等发达国家已经实现了工业化， 现广泛应用于提高铝镁 等轻金属的力学性能， 至今尚未发现在球墨铸铁上应用。 发明内容 0007 本发明的目的就是针对目前锻造、 普通铸造磨球的生产工艺存在缺陷， 提供一种 边部具有高硬度、 高耐磨性， 整体体积硬度达到 HRC58， 表面硬度达到 HRC6061， 心部硬度 为 HRC5457， 110mm 的磨球内外硬度差小于 HRC6 ； 磨球心部具有高韧性， 韧性可达到 15J/ 说 明 书

13、 CN 103014478 A 3 2/4 页 4 cm2以上， 可有效降低破碎率的短流程半固态贝氏体球墨铸铁。 0008 本发明的再一个目的是提供一种短流程半固态贝氏体球墨铸铁制造方法。 0009 本发明的目的是通过以下方式来实现 ： 本发明的短流程半固态铸造耐磨球， 其特征在于其化学成分质量百分比为 ： C 3.3% 3.7%、 Si 2.2% 2.6%、 Mn 0.4% 0.7%、 RE 0.03% 0.045%、 Mg 0.004% 0.055%、 B 0.015% 0.018%、 Cu 0.5%0.7%、 P 0.1%、 S 0.04%、 余量为 Fe 及不可避免杂质。 0010 一

14、种制备短流程半固态铸造耐磨球的方法， 其特征在于包括真空熔炼、 利用孕育 剂和球化剂进行一次孕育、 将铁水浇注到金属铸型， 同时进行二次孕育、 采用电磁搅拌技术 在金属铸型中制得半固态浆料， 然后冷却、 开模， 并将铸件放置在熔融混合碱中进行等温淬 火。具体操作步骤如下 ： 第一步， 原料配制和铁液熔炼 按下列质量百分比的化学成分配制原料 ： C 3.3% 3.7%、 Si 2.2% 2.6%、 Mn0.4% 0.7%、 B 0.015%0.018%、 Cu 0.5%0.7%， 余量为Fe及不可避免杂质， 将配制好的原料放入 中频感应电炉中进行真空熔炼， 使其升温至全部原料组分熔化， 并熔炼成

15、贝氏体球墨铸铁 原铁液， 出炉温度为 14501500 ； 第二步， 孕育处理和球化处理 将球化剂和孕育剂加入到第一步制得出炉的贝氏体球墨铸铁的原铁液中进行球化处 理和孕育处理 ； 所述的球化剂采用元素组分的质量百分比为 Mg 7.0 9.0%、 RE 2.5 4.0%、 Si 35 44%、 Mn 4.0%、 Al 0.5%、 Ti 1.0% 和其余为铁的稀土硅铁镁合金， 其牌号为 QRMg8RE3 的球化 剂， 其加入量为原铁液质量的 1.0%1.8% ； 所述的孕育剂采用元素组分的质量百分比为 RE3 5%、 Si72% 和其余为铁的硅铁稀土 合金， 其牌号为 FeSi72 的孕育剂 ；

16、 其球化剂主和孕育剂加入方法为注入法， 即使用刚玉管将孕育剂和球化剂的均匀混合 物注入炼成的原铁液中， 一次孕育剂加入量为 0.6%1.0%， 并且进行电磁搅拌使其均匀分 布 ； 之后将原铁液直接放入保温炉中预热保温静置 60 90s， 然后待其温度降至 1350 1400后， 将二次孕育剂加入到原铁液中， 并一起浇注到已经预热到 230 300的金属 铸型， 同时采用磁搅拌技术在金属铸型中制得半固态浆料， 二次孕育剂加入量为原铁液质 量的 0.2%0.6%， 获得近表面为细小枝晶组织， 内部为半固态两相组织 ； 第三步， 开模等温淬火 当浇注的半固态浆料与金属铸型一起以 300 /min 的

17、冷却速度降温至 840 880 的初始淬火温度时， 开模， 并将铸件放置在淬火介质中进行等温淬火， 其等温淬火温度为 270 300， 淬火保温时间为 3 5 小时， 从而获得贝氏体球墨铸铁 ； 所述步骤三中的电磁搅拌与低频电源相连， 该电磁搅拌器的功率为 5 20kW， 频率为 5 50Hz， 励磁电流为 1 50A ； 所述的淬火介质为 NaOH 和 KOH 混合物， 其淬火介质物质的量比例为 7:3。 0011 与传统的贝氏体球墨铸铁磨球相比， 本发明的优点是 ： 由于本发明采用了上述化 学成分， 并采用了独特的孕育处理和球化处理工艺， 制备得到的产品内部组织为 ： 贝氏体 + 马氏体+

18、残余奥氏体 ； 其硬度均匀， 整体体积硬度达到HRC58， 表面硬度达到HRC6061， 心 说 明 书 CN 103014478 A 4 3/4 页 5 部硬度为HRC5457， 110mm的磨球内外硬度差小于HRC6 ； 冲击功k15J/cm2， 经过落球 试验表明， 其落球冲击疲劳寿命超过 10000 次。 具体实施方式 0012 下面例举几个化学组份为定值和不同生产工艺条件下生产的磨球的实例及所达 到的性能指标， 对本发明作进一步说明。 0013 具体化学成分及性能见表 1。 0014 表 1 实施例化学成分及性能 （质量分数 %， 余量为 Fe） 表 2 为上述 5 种实施方案的具体工艺参数。 0015 说 明 书 CN 103014478 A 5 4/4 页 6 采用本发明的生产流程， 避免了传统铸造中的二次加热淬火和回火， 缩短了生产流程、 减少了生产周期、 更重要的是降低了能耗， 所以本发明中的磨球生产方法可以在有效地降 低生产成本的同时， 提高磨球的产品质量。 说 明 书 CN 103014478 A 6