专利名称：马氏体/贝氏体复合铸铁磨球及生产方法
技术领域：
本发明涉及球磨机铸铁磨球的材质与制造工艺。
磨球是冶金矿山、水泥、火力发电等工业部门应用的粉磨设备的易磨件。冶金矿山选矿每年所消耗的磨球数量占几个耗球行业消耗的磨球总量的一半以上，全国大小矿山每年所消耗的磨球约40-60万吨，价值10-20亿元。目前我国冶金矿山应用的铸铁磨球可以分为两大类，一类是白口铸铁磨球，其微观组织中含有大量的高硬度的碳化物，碳化物的显微硬度HV为1100-1700，普通白口铸铁磨球由于其韧性差，在冶金矿山基本淘汰，目前主要应用的是低合金白口铸铁磨球和高铬白口铸铁磨球，但高铬白口铸铁磨球合金含量高，成本高，在铁矿中应用受到一定的限制，低合金白口铸铁磨球由于冲击韧性较低，对于生产大直径的磨球，易出现严重的碎球现象而影响磨矿效率。另一类为球墨铸铁磨球，主要有中锰球铁磨球、奥贝球铁磨球、贝氏体球铁磨球。中锰球铁磨球的生产工艺简单，在七、八十年代在全国应用很广，但因球化率的波动，组织中碳化物的数量不易控制，以及残余奥氏体的影响，造成破碎率高，磨耗较高，现已基本被其他磨球所取代。奥贝球铁磨球、贝氏体球铁磨球都属于具有针状组织(马氏体或贝氏体)球铁磨球，从微观组织分析，其主要抗磨组织为针状组织，而针状组织的显微硬度为HV600-900，明显低于白口铸铁中碳化物的显微硬度，比一般矿石的硬度低，因此其抗磨性比白口铸铁低，虽然这种具有针状组织的球铁磨球在湿磨条件下应用取得很好的使用效果，韧性高，破碎率低，但其耐磨性比白口铸铁磨球低，且目前大多采用砂型铸造，都需要再加热淬火处理，生产效率低，能耗大。
本发明的目的是提供一种的复合铸铁磨球及生产方法，采用低合金铸铁，冲天炉或感应电炉熔炼的铁水，经过球化和孕育处理后浇入金属型或水冷金属型中，通过金属型的激冷作用得到表层为白口、心部为球铁和中间过渡层为麻口的一次结晶组织。
本发明的复合铸铁磨球，由白口铸铁和针状组织的球墨铸铁所组成，其表面为白口铸铁，心部为具有针状组织的球墨铸铁。表面层为白口铸铁的厚度为5-20mm，组织为马氏体+贝氏体+合金渗碳体，具有高硬度和优良的耐磨性，可以有效地抵抗矿石的磨损；心部球墨铸铁层的组织为马氏体+贝氏体+球状石墨，具有较高的冲击韧性，能有效地防止碎球；在表面层和心部存在一个麻口的过渡层，厚度为2-5mm，其组织马氏体+贝氏体+合金渗碳体+球状石墨。这种复合铸铁的金属基体组织为马氏体和贝氏体混合组织，因此称此发明的磨球为马氏体/贝氏体复合铸铁磨球。
这种复合铸铁磨球是通过激冷的方法获得，在铸铁凝固时增加其冷却速度而获得一定厚度的白口层，在生产中应严格地控制白口铸铁层的厚度，可以根据生产磨球的大小来确定需要控制的白口铸铁层的厚度，一般为磨球直径的1/6-1/10。要控制白口铸铁层的厚度达到设计要求，并且得到马氏体/贝氏体金属基体，就必须适当地选择其化学成分和采用合适的生产工艺。
本发明生产这种复合铸铁的化学成分是(按质量百分比)C3.4-3.8％ Si2.4-3.4％；Mn2.0-3.5％；Cr0.1-0.5％；Cu0.2-0.8％；B0.003-0.03％；P＜0.08％；S＜0.05％碳和硅是铸铁中最基本的元素，它们对铸铁的性能起决定性的作用。碳、硅的选定原则与珠光体球墨铸铁相近，要求上限不出现石墨飘浮，下限不能出现过厚的白口铸铁层。碳含量增加白口铸铁层的厚度减少，奥氏体稳定性增加，但过高的碳会出现石墨飘浮，因此碳含量一般控制在3.4-3.8％的范围内。
硅降低白口铸铁层的厚度，提高共析转变的温度，加宽共析转变的范围，缩短珠光体和贝氏体的孕育期。硅能碳在奥氏体中的溶解度，从而降低了奥氏体的稳定性。一般硅含量为2.4-3.4％。
锰能增加白口铸铁层的厚度，扩大奥氏体区，降低过冷奥氏体的分解速度，抑制珠光体转变，提高奥氏体的稳定性，显著提高淬透性，使C曲线右移。且锰的价格较低，因此作为主要的合金元素，含量为2.0-3.5％。
铬是反石墨化元素，强烈地增加白口铸铁层的厚度，在白口铸铁层中形成合金渗碳体，提高碳化物的硬度，固溶到金属基体后可以提高合金的淬透性，在本发明中主要用于调节白口铸铁层的厚度和增加白口层的硬度，其含量为0.1-0.5％。
铜在一次结晶中为石墨化元素，减少白口铸铁层的厚度，在共析转变中阻碍石墨化，且可以提高合金的淬透性，一般加入量为Cu0.2-0.8％。
硼是强烈的反石墨化元素，显著地增加白口铸铁层的厚度，微量的硼固溶到金属基体中可以显著地提高合金的淬透性，加入量为0.003-0.03％。
本发明通过调整这些合金的含量，使球化的铁水在一次结晶过程中生成一定厚度的激冷白口铸铁层，且在后续的余热淬火条件下得到马氏体/贝氏体金属基体。磨球表面层为白口铸铁，厚度控制在5-20mm，表面层组织为马氏体、贝氏体、合金渗碳体；心部为球墨铸铁，热处理后球墨铸铁的基体组织为马氏体和贝氏体组成的针状组织；在磨球的表面层与心部为麻口的过渡层，厚度为2-5mm，麻口过渡层组织马氏体、贝氏体、合金渗碳体、球状石墨。
本发明的复合铸铁磨球的生产方法是采用冲天炉熔炼，或感应电炉熔炼，铁水出炉后在球化包中进行球化处理和一次孕育处理，在浇注小包中进行二次孕育处理，经球化和孕育处理的铁水浇入金属型或水冷金属型进行铸造，也可采用金属型铸造机进行铸造，铸造成形的磨球，在铸型中冷却一定的温度，脱模后空冷，利用余热进行淬火处理，最后进行低温回火处理。其生产工艺流程如附
图1 熔炼可以采用冲天炉熔炼或感应电炉熔炼，其熔炼工艺与一般球墨铸铁相似。如采用冲天炉熔炼，宜与金属型铸造机配套；感应电炉熔炼，可以采用手工金属型铸造或金属型铸造机铸造。2 炉前处理炉前处理包括球化处理和孕育处理。球化处理温度为1400-1450℃，球化剂为稀土镁硅铁合金，加入量为铁水量的1.0-1.7％。采用两次孕育处理，一次孕育处理是在球化包中进行，加入75％硅铁合金，加入量为铁水的0.6-1.2％；二次孕育处理在浇注小包中进行，加入75％硅铁合金，加入量为铁水量的0.05-0.1％。3 铸造用金属型铸造或水冷金属型铸造，或金属型铸造机铸造，浇注温度为1350-1380℃。将已球化和孕育，浇入金属型或水冷金属型中，在铁水凝固过程中，形成表面白口、麻口铸铁和中心球墨铸铁三层复合一次结晶组织。对于水冷金属型铸造，可以根据生产的磨球的大小，调整其控制进水量，来有效地控制白口铸铁层的厚度。4 余热淬火浇注成形的磨球在铸型中冷却至920-1000℃，进行高温打箱，在空气中冷却或在保温坑中冷却至780-880℃立即淬火，淬火介质为硅酸钠水溶液，其比重为1.05-1.35g/cm3，模数为2.0-3.5，温度为30-95℃，磨球在这种冷却介质中冷却至50-200℃取出，去除浇注系统，并检查其表面质量。5 低温回火将清理干净的磨球，重新入炉进行回火，消除铸造应力和淬火应力，回火温度为200-250℃，保温6-12小时。
本发明复合铸铁磨球采用低合金铸铁，通过成份控制和凝固时冷却强度的控制，有效地控制白口铸铁层的厚度，选择来源广、成本较低的锰作为主要的合金元素，利用微量的硼来提高淬透性和调节白口深度，在连续冷却的条件下得到马氏体/贝氏体基体组织。
说明实施如下化学成份C3.4-3.6％；Si2.6-3.2％Mn2.5-3.0％； Cr0.1-0.3％；Cu0.2-0.5％ B0.003-0.01％P＜0.08％； S＜0.05％
热处理工艺余热淬火温度780-820℃，淬火介质为硅酸钠水溶液，其比重为1.05-1.25g/cm3，模数为2.0-3.0，温度为40-95℃，磨球在这种冷却介质中冷却至50-150℃取出；低温回火温度为200-220℃，保温6-10小时。
本发明马氏体/贝氏体复合铸铁磨球在河北省迁安市境内几十个铁矿应用，使用厂矿反映良好，其质量优于其它磨球。本工艺已生产千吨产品，应用表明本工艺的生产效率高、成本低、节能、节省原材料，工艺出品率高、经济效益好、产品质量高，平均每班可生产7-8吨成品磨球，工艺出品率为85.1％。
权利要求
1.一种马氏体/贝氏体复合铸铁磨球及生产方法，其特征在于磨球的化学成分按质量百分数计C3.4-3.8％；Si2.4-3.4％；Mn2.0-3.5％；Cr0.1-0.5％；Cu0.2-0.8％；B0.003-0.03％；P＜0.08％；S＜0.05％。磨球表面层为白口铸铁，厚度控制在5-20mm，心部为球墨铸铁，在磨球的表面层与心部为麻口的过渡层，厚度为2-5mm。热处理后表面层组织为马氏体+贝氏体+合金渗碳体；心部组织为马氏体+贝氏体+球状石墨；麻口过渡层组织马氏体+贝氏体+合金渗碳体+球状石墨。
2.如权利要求1所述磨球的生产方法，其特征在于采用冲天炉熔炼，出炉的铁水经过球化处理和孕育处理后，浇入金属型中凝固成形，成形的磨球随金属型冷却，脱模后空冷，利用余热进行淬火处理，最后进行低温回火。
3.根据权利要求2所述目前的生产方法，其特征在于采用金属型铸造，浇注温度为1350-1380℃，铁水在金属型或水冷金属型内凝固过程中，形成磨球的表面白口层、麻口过渡层和心部球墨铸铁等一次结晶组织。
4.根据权利要求2所述磨球的生产方法，其特征在于应用水冷金属型铸造，采用低注式浇注系统。
5.根据权利要求2所述磨球的生产方法，其特征在于热处理工艺为余热淬火和低温回火，铸造成形的磨球在金属型或水冷金属型中冷却至920-1000℃，进行高温脱模，磨球空冷至780-820℃进行淬火处理，淬火介质为硅酸钠水溶液，其比重为1.05-1.25g/cm3，模数为2.0-3.0，温度为40-95℃，磨球在这种冷却介质中冷却至50-120℃，取出磨球装入回火炉中，加热至200-250℃，保温6-12小时，进行回火处理，最后出炉空冷。
全文摘要
一种冶金矿山磨矿用复合铸铁磨球,其表面层为具有优良耐磨性的白口铸铁,可以有效地抵抗矿石的磨损,心部为具有针状组织的球墨铸铁,其韧性较好,可以防止碎球。通过合理的成分设计,应用冲天炉或感应电炉熔炼、金属型或水冷金属型强制冷却的方法铸造、余热淬火等工艺生产。本发明的复合铸铁磨球耐磨性高、磨耗低、破碎率低、不失圆;应用本发明的生产方法制备这种复合铸铁磨球,具有生产效率高,工艺出品率高,节省工时、节能、生产成本低等特点。
文档编号C21D5/00GK1262338SQ9910029
公开日2000年8月9日 申请日期1999年1月28日 优先权日1999年1月28日
发明者赵爱民, 马振生, 毛为民, 钟雪友 申请人:北京科技大学, 迁安市马兰庄镇凯达金属制品厂