低合金鑄鐵磨球及其製造方法

2023-12-10 23:35:22

專利名稱：低合金鑄鐵磨球及其製造方法
技術領域：
本發明為一種低合金鑄鐵磨球及其製造方法，屬於球磨機技術領域。
球磨機是廣泛應用於冶金、建材、礦山和電力等行業的主要碾磨設備，磨球是主要消耗備件，據統計，93年我國耗球120多萬噸，價值數十億元。目前廣泛應用的磨球品種有以下四類，第一類是中高碳鋼或低合金鋼鍛球，這類球韌性好，破碎率低，但硬度低，耐磨性差;第二類是中錳稀土球墨鑄鐵球，這類球的韌性較低，抗衝擊疲勞剝落能力差，易破碎，但耐磨性優於鍛鋼球，生產工藝簡單，生產成本較低;第三類是高鉻鑄鐵球，它靠含有大量的M7C3型堅硬硫化物和馬氏體組織而具有最高的平均體積硬度，表裡硬度均勻，衝擊韌性高，破碎率低，耐磨性好，但貴重合金元素含量高，必須用電爐冶煉，生產成本比鍛鋼球和中錳球高得多。第四類是低合金鑄鐵磨球，這類磨球合金元素比高鉻球大大減少，冶煉容易，具有珠光體為主的基體組織，經過適當的熱處理和稀土變質處理後，可得到均勻彌散的斷網狀碳化物，耐磨性很好，生產工藝簡單，可以用沖天爐冶煉，生產成本低，是近幾年發展最快的一類磨球品種，漸漸有取代鍛鋼球，中錳球鐵球和高鉻鑄鐵球之勢。低合金鑄鐵磨球韌性較低，使用過程中破碎率較高，這與碳化物分布和磨球內部存在縮孔和疏鬆等鑄造缺陷有關。以前鑄造磨球是靜態鑄造，採用砂型或金屬型成型，出品率低。
本發明的目的是給出一種低合金鑄鐵磨球及其製造方法，該磨球低合金鑄鐵並通過離心鑄造的新的鑄造方法，從而改善低合金鑄鐵磨球內碳化物的分布，減少磨球內部的鑄造缺陷，進一步提高磨球的韌性，降低磨球的破碎率。
本發明的低合金鑄鐵磨球的化學成份如下(重量%)C:2.5～3.5%; Si:0.3～1.0%; Mn:0.5～1.5%;
Cr:3.0～5.0%; P0.08%; S0.08%;
RE:0.05～0.30%; 鎢渣鐵合金:0.8～4.0%;
其餘為Fe。
首先說明本發明磨球的材料。其各組分的成分範圍及限定理由如下CC是影響低合金白口鑄鐵中碳化物數量的主要元素，而碳化物對低合金鑄鐵的耐磨性起決定性作用，含C少於2.5%時，碳化物數量太少，對改善耐磨性不利，含C量超過3.5%以後，繼續增加含C量，對耐磨性影響不大，但顯著降低韌性，為此將C控制在2.5～3.5%。
Si增加Si含量，一方面促使基體硬度增加，有利於提高碳化物分散度;另一方面促進石墨化，對淬透性有不利影響，過高含Si量亦使白口鑄鐵的脆性趨勢增加，為此將Si控制在0.3～1.0%。
MnMn是一種有效而廉價的穩定奧氏體的元素，又是一種弱硫化物形成元素，在低合金白口鑄鐵中，加入0.5%以上的Mn，有利於淬透性的提高，但Mn在提高淬透性的同時，還能大幅度降低馬氏體轉變溫度，隨含Mn量增加，殘餘奧氏體量也增加，因此Mn量不宜超過1.5%。為此Mn含量控制在0.5-1.5%。
CrCr在低合金白口鑄鐵中，是主要的合金元素，Cr是強硫化物形成元素，加Cr後，能阻止游離石墨產生，保證獲得完全白口，且使碳化物由普通滲碳體(Fe3C)轉變為合金滲碳體(Fe，Cr)3C，從而顯著提高碳化物的顯微硬度，改善耐磨性。Cr的加入，亦有利於淬透性的提高，故含Cr量要求大於3.0%，但Cr合金較昂貴，加入過多的Cr將增加生產成本，因此低合金鑄鐵中Cr量不宜超過5.0%，為此Cr量控制在3.0～5.0%。
PP儘管增加鐵水的流動性，然而使材質變脆，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一樣使材質脆化，應儘量降低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低合金白口鑄鐵中共晶碳化物是(F，Cr)3C型，呈連續網狀分布，從而割裂了基體，導致低合金鑄鐵韌性不足，脆性過高。磨球在實際應用過程中承受一定的撞擊，為了提高磨球的韌性，保證使用過程中不發生脆裂，因此就有必要改善其韌性，對於低合金白口鑄鐵而言，改善韌性的關鍵在於改變共晶硫化物的形態和分布，使其由連續網狀分布轉變為斷網狀分布，枝晶形態轉變為板塊形態，加入0.05%以上的RE可以獲得滿意的效果，RE加入量過多使低合金鑄鐵含矽量增加，夾雜物增多，從而導致性能的下降，為此將RE含量控制在0.05～0.30%。
鎢渣鐵合金本發明適用廉價的鎢渣鐵合金作為輔助合金化元素。鎢渣鐵合金是生產鎢鐵過程中的殘渣，其中含有W、Mn、Nb、Ta和Ti等多種合金元素。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%，餘鐵。這些元素均能與碳，氮形成高熔點化合物，可作為外來晶核細化晶粒，提高強度和韌性，有利於材料耐磨性的提高。同時這些元素固溶於基體，延緩奧氏體向珠光體的轉變，有利於提高材料淬透性。因此鎢渣鐵合金是提高低合金鑄鐵強韌性和耐磨性的理想輔助合金，加入量小於0.8%時，效果不明顯，加入量超過4.0%後，由於高熔點硬質相過多，不僅不能細化晶粒，反而會促使碳化物析出，損害強度和韌性。為此鎢渣鐵合金加入量控制在0.8～4.0%。
下面就本發明的磨球製造方法加以詳述。通常製造鑄造磨球的方法是將具有合適的溫度和化學成分符合要求的鐵水澆入鑄型內，鑄型通常是一次性砂型或金屬型，在靜態下鑄造成型，磨球在鑄型內冷卻一段時間後出箱。本發明的方法是採用金屬型鑄型(見圖1)，鑄型1上下箱用定位銷2定位，再用連續螺栓3固定，裝配完畢後，將鑄型固定在立式離心機4上，然後轉動離心機，離心機的轉速n按下面計算公式來選定n＝ 5520/(MR) β式中n-鑄型轉速 rpm，即離心機轉速;
M-金屬溶液的密度 g/cm3;
R-磨球型腔與直澆道中心線的最短距離 cmβ-調整係數，鑄鐵為1.2～1.5經實際使用β＝1.2～1.3時，獲得了比較理想的轉速。
當離心機轉速穩定後，將1350～1420℃溫度和化學成分符合要求的低合金鑄鐵鐵水澆入直澆道5內，鐵水在離心力的作用下，沿內澆道6進入鑄型型腔7內，鑄型型腔內的氣體沿排氣孔8排出型腔。鐵水在離心力的作用下進入型腔並凝固，凝固完畢後，離心機停機並繼續冷卻到磨球溫度達到800～950℃時，取出磨球，將磨球風冷，然後在250～300℃溫度下將磨球進行時效處理，時效時間為3～5小時。為了提高鑄型的壽命，在金屬型的澆注道表面，採用絕熱耐火材料9修築澆注道表面。
本發明效果離心鑄造低合金鑄鐵磨球與普通金屬型鑄造低合金鑄鐵磨球相比，有以下三點不同(1)離心磨球的晶粒明顯細化，碳化物的形態更趨於斷網狀，分布均勻，磨球內部疏鬆和夾雜等鑄鐵缺陷明顯減少，離心磨球的衝擊韌性明顯提高。
(2)離心磨球的破碎率低於0.05%，耐磨性優於普通球。
(3)用離心鑄造方法生產低合金鑄鐵磨球，工藝出品率高達92%，而用常規方法生產低合金鑄鐵磨球，工藝出品率僅為65～70%。


圖1是用離心鑄造方法生產低合金鑄鐵磨球的示意圖。
圖2是圖1的A-A視圖。
1-鑄型2-定位銷3-連接螺栓4-離心機5-直澆道6-內澆道7-型腔8-排氣孔9-耐火材料最佳實施例本例為在磨球直徑φ100mm的磨球上採用本發明。
在轉速為820rpm的旋轉金屬模中，金屬模用HT200製造，在1380℃澆注溫度下澆注低合金鑄鐵鐵水，澆注道表面的絕對耐火材料是高純高密度鋼玉，成分是Al2O3≥99.0%，SiO2≤0.20%，Fe2O3≤0.15%。鐵水澆注完畢後，繼續將金屬模轉動8分鐘以保證液態金屬在離心力作用下凝固，然後停機將金屬模從離心機上取出來，將金屬模在空氣中冷卻，待磨球溫度達到880℃時，打開金屬模，取出磨球，將磨球風冷，然後將磨球在280℃進行時效處理，時效時間4小時。低合金鑄鐵鐵水的化學成分(Wt%)為C 2.93%;Si 0.55%;Mn 0.78%;Cr 4.14%;P 0.05%;S 0.04%;RE0.087%;鎢渣鐵合金3%，其餘為Fe。其中鎢渣鐵合金的成分為(Wt%)Nb 0.57%;Ta 0.14%;Ti 0.12%;Mn 13.1%;W 7.5%;C 5.7%。
本試例磨球經時效處理後，硬度達到HRC49～52，磨球心部和表面硬度差僅有3個HRC。
表1給出了本發明鑄造低合金鑄鐵磨球和普通靜態金屬型鑄造低合金鑄鐵磨球的差別。
表1 磨球的韌性、破碎率和工藝出品率

本發明的低破碎率低合金鑄鐵磨球硬度均勻，耐磨性好，衝擊韌性高，磨球內部緻密，磨球鑄造缺陷少，破碎率低，可以廣泛應用於冶金、礦山、建材、化工和電力等行業取代目前應用的鋼球和鐵球。
權利要求
1.一種低合金鑄鐵磨球，其特徵在於所說的磨球的化學成分為(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%，鎢渣鐵合金0.3～4.0%，其餘為鐵；所說的鎢渣鐵合金的化學成分為(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%；其餘為鐵。
2.如權利要求1所述的磨球的製造方法，其特徵在於將金屬型鑄型(1)固定在立式離心機(4)上，然後轉動離心機(4)，離心機(4)的轉速n按下式計算n＝ 5520/(MR) ·β式中M-金屬溶液的密度g/cm3，;R-磨球型腔與直澆道中心線的最短距離;β-調速係數，鑄鐵為1.2～1.5;在離心機(4)轉速穩定後，將溫度為1350～1420℃的權利要求1中所說化學成分的低合金鑄鐵磨球鐵水澆入直澆道(5)內，鐵水在離心力作用下進入鑄型型腔(7)待凝固後使離心機(4)停機，並冷卻至磨球溫度降至800～950℃時，取出磨球，將磨球風冷，然後在250～300℃溫度下將磨球進行時效處理，時效時間為3～5外小時。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於所說的金屬型鑄型(1)的澆注道表面有一層絕熱耐火材料(9)。
全文摘要
本發明為一種低合金鑄鐵磨球及其製造方法，屬於球磨機技術領域。該磨球的化學成分為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
文檔編號C22C37/06GK1101949SQ94114948
公開日1995年4月26日 申請日期1994年8月19日 優先權日1994年8月19日
發明者符寒光, 吳建中 申請人:冶金工業部北京冶金設備研究院