一种奥氏体‑贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法与流程

本发明涉及一种奥氏体-贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。

背景技术：

随着我国冶金工业的发展，磨球广泛应用于矿山、冶金、水泥等领域。目前，国内磨球的年消耗量保守估计为180~250万吨，全球市场年消耗量达到500~600万吨，并且需求量每年以15%的速度递增。国内磨球制造材料主要有锻钢、中锰球铁、低合金白口铸铁和高铬白口铸铁等。高铬铸铁磨球在干磨介质中，耐磨性好，但生产成本高，破碎率较高，低合金白口铸铁性能较差，目前较少使用，而中锰球铁磨球制造方便、生产成本低，但冲击韧性低，磨球破碎率高。目前，国内对贝氏体球磨铸铁磨球的炉前铁液处理工艺和获得贝氏体-马氏体复相组织的热处理工艺研究较多，例如，中国发明专利cn1944700a所公布的一种贝氏体球墨铸铁磨球及其生产工艺，其提供一种控制喷水冷却的热处理的工艺，即将磨球奥氏体化后极冷到贝氏体/马氏体复相组织，涉及一种雾化喷淋装置，在长期生产中存在水压供给充足、管线流通堵塞不易工人操作和喷淋过程中磨球表面高温着水不均匀的缺陷，遇到水压不够或者过大都会对磨球的极冷速度造成影响，而且大批量生产难免会存在喷淋整个磨球着水降温不均匀，使磨球内部组织应力不够均匀，容易导致磨球内部与表面出现裂纹，或者磨球自身炸裂的缺陷，并且很难控制磨球的组织分布，从而影响磨球的性能，降低了磨球的成品率。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种奥氏体-贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，通过喂丝法同时孕育球化处理后，石墨等级高，球化率好，且通过等温淬火后，制得的磨球性能稳定，硬度高，韧性好，耐磨性能优良，具有良好的综合力学性能，制备方法操作方便，工艺容易控制，产品质量稳定。

本发明提供一种奥氏体-贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比（wt.%）为：c:3.5~3.8%；si:2.0~2.5%；mn:2.0~2.5%；mg:0.04~0.06%；cr:0.5~0.8%；mo:0.15~0.3%；re:0.02~0.03%；p≤0.03%；s≤0.03%，剩下的是fe及不可避免杂质，进行配料，并采用中频感应炉进行熔炼；

（2）熔炼完成后，控制铁液出炉温度为1480℃~1520℃，将铁液全部倒入铁液包中，在铁液包里加入铁液包内物质总质量0.2~0.4%的长效孕育剂sibaca，再撒上一层覆盖剂隔绝空气，然后将铁液包与喂丝机上包盖合上；

（3）采用包芯线在铁液包中同时进行球化和孕育处理，两根包芯线分别为铁包裹球化剂和铁包裹孕育剂制成的球化包芯线和孕育包芯线，通过喂丝机控制球化包芯线和孕育包芯线，在球化包芯线持续加入的同时，间歇性加入孕育包芯线，球化包芯线喂丝速度为17~19m/min，球化包芯线的加入量为30~40m/t铁液包内物质总质量，孕育包芯线的加入量为22.5~34m/t铁液包内物质总质量，按加入长度计算孕育包芯线的加入量是球化包芯线的75~85%；

（4）步骤（3）包芯线加入结束后，铁液包脱离包盖，加入铁液包内物质总质量0.2~0.4%的长效孕育剂sibaca，扒渣并加入铁液包内物质总质量0.1%~0.3%的冰晶石，用草木灰覆盖隔绝空气，待浇；

（5）步骤（4）处理后的铁液浇注球墨铸铁磨球，浇注温度为1380℃~1420℃，待铸件冷却到900~950℃后空冷至室温；

（6）步骤（5）冷却至室温的磨球进行热处理，阶梯升温至650℃，750℃，850℃，880℃~900℃进行保温，直径40~80mm磨球每个温区保温130~150min，直径90~100mm磨球每个温区保温150~170min，直径大于100mm磨球每个温区保温170~190min，再进行盐浴等温淬火处理，盐浴5~10s，空冷5~10s，交替进行10~20min，然后温度为200~250℃，保温2~3小时，选用45%亚硝酸钠+55%硝酸钾混合盐作为等温淬火介质；

（7）待热处理完成后，进入清洗池中进行清洗，将清洗后磨球进行回火处理，消除淬火应力，稳定组织，提高磨球的综合性能，回火温度220℃~240℃，在回火炉中保温6~8h，得到奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球。

步骤（2）所述覆盖剂为冒口保温发热剂dy·2型覆盖剂。

步骤（3）所述球化包芯线中球化剂为镁含量6-7%的镁球化剂，球化包芯线的规格为0.4~0.5kg/m，镁球化剂含量为0.24~0.4kg/m。

步骤（3）所述孕育包芯线里面用到的孕育剂型号为：zfsccm型（含si:77-80%，al:0.5-1.0%，其余为fe及0.5-1.0%的re，粒度为2.0-2.5mm）、cbsalloy型（含si:72-74%，al:1.0-1.5%，其余为fe及0.5-1.0%的re，粒度为0.1-0.3mm）或fs510型（含si:75-77%，al:0.8-1.2%，其余为fe及0.5-1.0%的re，粒度为1.0-2.0mm），其中孕育包芯线的规格为0.31~0.41kg/m，孕育剂的含量为0.18~0.25kg/m。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过喂丝球化法球化孕育处理后，球墨大小等级达到7~8级，球化率达到1~2级。

（2）本发明有效的发挥材料本身的优势，所生产出不同直径的磨球硬度为hrc55-62，而且内外硬度差值小于5，冲击韧性αk为5~16j/cm²，落球次数>20000次，具有良好的耐磨性、冲击韧性和较好的综合力学性能。

（3）本发明所提出奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的制备方法操作方便，工艺容易控制，产品质量稳定。

（4）本发明研制奥氏体-贝氏体球墨铸铁磨球通过喂丝法球化孕育同时处理，可以制得分布均匀且质量等级高的球墨，并且后续处理制得磨球质量与性能稳定，硬度高，韧性好，表面与心部硬度差小，耐磨性能优良，破碎率低，因此，研制生产高性能的奥-贝型球墨铸铁磨球材料具有重要意义。

附图说明

图1本发明实施例1奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的球墨图；

图2本发明实施例1奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，未细述内容为本领域常规技术手段。

实施例1

本实施例一种奥氏体-贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）配料及熔炼：按照重量百分比（wt.%）为：c:3.8%；si:2.5%；mn:2.2%；mg:0.05%；cr:0.7%；mo:0.25%；re:0.02%；p≤0.03%；s≤0.03%，剩下的是fe及不可避免杂质，进行配料，并采用中频感应炉进行熔炼；

（2）铁液准备：采用中频感应炉熔炼完成后，控制铁液出炉温度在1480℃，将炉中铁液全部倒入铁液包后，在铁液包里加入铁液包内物质总质量0.2%的长效孕育剂sibaca，再撒上一层冒口保温发热剂dy·2型覆盖剂隔绝空气，然后用行车将铁液包与喂丝机上包盖合上；

（3）球化孕育处理：采用包芯线在铁液包中同时进行球化和孕育处理，所用两根包芯线分别为铁包裹球化剂和铁包裹孕育剂制成的球化包芯线和孕育包芯线，球化包芯线和孕育包芯线直径均为13mm，通过喂丝机控制球化包芯线和孕育包芯线，在球化包芯线球化处理持续加入的同时，间歇性加入孕育包芯线，在铁液包内进行球化孕育处理，喂丝速度与处理温度有关，处理温度越高，喂丝速度越快，本实施例喂丝球化温度选为1420℃，另外考虑球化剂起爆时间点，要求包芯线在球化剂起爆时正好到达包底，浇包尺寸：包盖约0.3m，包体约1.1m，考虑到包芯线前段有0.2m的烧损，故最佳球化起爆时间点为球化包芯线进入1.6m开始起爆，球化包芯线喂丝速度控制在17m/min，其中按加入长度计算孕育包芯线的加入量是球化包芯线的75%，球化包芯线30m/t铁液包内物质总质量，孕育包芯线22.5m/t铁液包内物质总质量，孕育包芯线的加入速度在实际生产中具体调控，球化包芯线球化剂为镁含量6%的镁球化剂，球化包芯线的规格为0.4kg/m，其中铁皮质量为0.16kg/m，镁球化剂含量为0.24kg/m，孕育包芯线里面用到的孕育剂的型号为：zfsccm型（含si:77-80%，al:0.5-1.0%，其余为fe及0.5-1.0%的re，粒度为2.0-2.5mm），其中孕育剂的含量为0.18kg/m，孕育包芯线的规格为0.31kg/m；

（4）处理后孕育：待球化孕育结束后，铁液包脱离包盖，再加入铁液包内物质总质量0.2%的长效孕育剂sibaca，扒渣并加入铁液包内物质总质量0.1%的冰晶石，用草木灰覆盖隔绝空气，待浇；

（5）浇铸成型：用快速热电偶测温，三角试块检查球化质量，浇注温度1380℃，处理后铁液直接浇注40mm球墨铸铁磨球，待铸型内铸件冷却到900℃时开箱空冷至室温；

（6）热处理：将冷却至室温的磨球放入铁框中，在连续推杆式加热炉中阶梯加热至880℃，加热炉分为四区加热，设定温度分别为650℃，750℃，850℃，880℃，每个温区可递推式放入7框磨球，加热时间由推杆间隔时间控制，直径40mm磨球每个温区保温130min，直径40mm磨球推杆速度为20min/框，待加热至880℃后铁框由推杆加热炉中推出磨球导入带有提杆的铁箱，再进行盐浴等温淬火处理，整个过程包括，提杆提铁箱进入盐浴池5s，提起进行空冷5s，交替进行10min，然后将铁箱放入盐浴池进行保温，温度保持在220℃，保温2小时，选用45%亚硝酸钠+55%硝酸钾混合盐作为等温淬火介质；

（7）清洗及回火：待热处理完成后，进入清洗池中进行清洗；将清洗后磨球进行回火处理，消除淬火应力，稳定组织，提高磨球的综合性能，在回火炉中220℃保温6h，得到奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球。

图1所示为本实施例步骤（5）检测得到的奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的球墨图，从图中可知石墨的球化率达到1级，球墨大小等级达到7级；图2所述为本实施例检测得到的奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的显微组织图，从图中可知物相组织有残余奥氏体、贝氏体、马氏体、碳化物和石墨球，其中贝氏体和球墨提供良好的韧性，马氏体和碳化物提供较硬的强度，还有石墨球的圆整度对提高球墨铸铁磨球的机械性能非常重要；本实施例生产出的磨球硬度为hrc62，而且内外硬度差值小于5，冲击韧性αk为5j/cm²，落球次数>20000次，具有良好的耐磨性、冲击韧性和较好的综合力学性能。

实施例2

本实施例一种奥氏体-贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）配料及熔炼：按照重量百分比（wt.%）为：c:3.6%；si:2.2%；mn:2.0%；mg:0.04%；cr:0.5%；mo:0.15%；re:0.025%；p≤0.03%；s≤0.03%，剩下的是fe及不可避免杂质，进行配料，并采用中频感应炉进行熔炼；

（2）铁液准备：采用中频感应炉熔炼完成后，控制铁液出炉温度在1500℃，将炉中铁液全部倒入铁液包后，在铁液包里加入铁液包内物质总质量0.3%的长效孕育剂sibaca，再撒上一层冒口保温发热剂dy·2型覆盖剂隔绝空气，然后用行车将铁液包与喂丝机上包盖合上；

（3）球化孕育处理：采用包芯线在铁液包中同时进行球化和孕育处理，所用两根包芯线分别为铁包裹球化剂和铁包裹孕育剂制成的球化包芯线和孕育包芯线，球化包芯线和孕育包芯线直径均为13mm，通过喂丝机控制球化包芯线和孕育包芯线，在球化包芯线球化处理持续加入的同时，间歇性加入孕育包芯线，在铁液包内进行球化孕育处理，喂丝速度与处理温度有关，处理温度越高，喂丝速度越快，本实施例喂丝球化温度选为1440℃，另外考虑球化剂起爆时间点，要求包芯线在球化剂起爆时正好到达包底，浇包尺寸：包盖约0.3m，包体约1.1m，考虑到包芯线前段有0.3m的烧损，故最佳球化起爆时间点为球化包芯线进入1.7m开始起爆，球化包芯线喂丝速度控制在18m/min，其中按加入长度计算孕育包芯线的加入量是球化包芯线的85%，球化包芯线40m/t铁液包内物质总质量，孕育包芯线34m/t铁液包内物质总质量，孕育包芯线的加入速度在实际生产中有具体调控，其中球化包芯线球化剂为镁含量7%的镁球化剂，球化包芯线的规格为0.5kg/m，其中铁皮质量为0.16kg/m，镁球化剂含量为0.34kg/m，孕育包芯线里面用到的孕育剂的型号为：cbsalloy型（含si:72-74%，al:1.0-1.5%，其余为fe及0.5-1.0%的re，粒度为0.1-0.3mm），其中孕育剂的含量为0.21kg/m，孕育包芯线的规格为0.35kg/m；

（4）处理后孕育：待球化孕育结束后，铁液包脱离包盖，再加入铁液包内物质总质量0.3%的长效孕育剂sibaca，扒渣并加入铁液包内物质总质量0.3%的冰晶石，用草木灰覆盖隔绝空气，待浇；

（5）浇铸成型：用快速热电偶测温，三角试块检查球化质量，浇注温度1400℃，处理后铁液直接浇注90mm球墨铸铁磨球，待铸型内铸件冷却到950℃时开箱空冷至室温；

（6）热处理：将冷却至室温的磨球放入铁框中，在连续推杆式加热炉中阶梯加热至900℃，加热炉分为四区加热，设定温度分别为650℃，750℃，850℃，900℃，每个温区可递推式放入7框磨球，加热时间由推杆间隔时间控制，直径90mm磨球每个温区保温150min，直径90mm磨球推杆速度为23min/框，待加热至900℃后铁框由推杆加热炉中推出磨球导入带有提杆的铁箱，再进行盐浴等温淬火处理，整个过程包括，提杆提铁箱进入盐浴池8s，提起进行空冷8s，交替进行15min，然后将铁箱放入盐浴池进行保温，温度保持在230℃，保温2.5小时，选用45%亚硝酸钠+55%硝酸钾混合盐作为等温淬火介质；

（7）清洗及回火：待热处理完成后，进入清洗池中进行清洗；将清洗后磨球进行回火处理，消除淬火应力，稳定组织，提高磨球的综合性能，在回火炉中230℃保温7h，得到奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球。

本实施例步骤（5）得到的奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的球墨图石墨的球化率达到2级，球墨大小等级达到8级，奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的显微组织与实施例1相同为残余奥氏体、贝氏体、马氏体、碳化物和石墨球，生产出的磨球硬度为hrc58，而且内外硬度差值小于5，冲击韧性αk为9j/cm²，落球次数>20000次，具有良好的耐磨性、冲击韧性和较好的综合力学性能。

实施例3

本实施例一种奥氏体-贝氏体球墨铸铁磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）配料及熔炼：按照重量百分比（wt.%）为：c:3.5%；si:2.0%；mn:2.5%；mg:0.06%；cr:0.8%；mo:0.3%；re:0.03%；p≤0.03%；s≤0.03%，剩下的是fe及不可避免杂质，进行配料，并采用中频感应炉进行熔炼；

（2）铁液准备：采用中频感应炉熔炼完成后，控制铁液出炉温度在1520℃，将炉中铁液全部倒入铁液包后，在铁液包里加入铁液包内物质总质量0.4%的长效孕育剂sibaca，再撒上一层冒口保温发热剂dy·2型覆盖剂隔绝空气，然后用行车将铁液包与喂丝机上包盖合上；

（3）球化孕育处理：采用包芯线在铁液包中同时进行球化和孕育处理，所用两根包芯线分别为铁包裹球化剂和铁包裹孕育剂制成的球化包芯线和孕育包芯线，球化包芯线和孕育包芯线直径均为13mm，通过喂丝机控制球化包芯线和孕育包芯线，在球化包芯线球化处理持续加入的同时，间歇性加入孕育包芯线，在铁液包内进行球化孕育处理，喂丝速度与处理温度有关，处理温度越高，喂丝速度越快，本实施例喂丝球化温度选为1440℃，另外考虑球化剂起爆时间点，要求包芯线在球化剂起爆时正好到达包底，浇包尺寸：包盖约0.3m，包体约1.1m，考虑到包芯线前段有0.4m的烧损，故最佳球化起爆时间点为球化包芯线进入2.0m开始起爆，球化包芯线喂丝速度控制在19m/min，其中按加入长度计算孕育包芯线的加入量是球化包芯线的85%，球化包芯线37.5m/t铁液包内物质总质量，孕育包芯线30m/t铁液包内物质总质量，孕育包芯线的加入速度在实际生产中具体调控，球化包芯线球化剂为镁含量6.5%的镁球剂，球化包芯线的规格为0.45kg/m，其中铁皮质量为0.16kg/m，镁球化剂含量为0.29kg/m，孕育包芯线里面用到的孕育剂的型号为fs510型（含si:75-77%，al:0.8-1.2%，其余为fe及0.5-1.0%的re，粒度为1.0-2.0mm），其中孕育剂的含量为0.25kg/m，孕育包芯线的规格为0.41kg/m；

（4）处理后孕育：待球化孕育结束后，铁液包脱离包盖，再加入铁液包内物质总质量0.4%的长效孕育剂sibaca，扒渣并加入铁液包内物质总质量0.2%的冰晶石，用草木灰覆盖隔绝空气，待浇；

（5）浇铸成型：用快速热电偶测温，三角试块检查球化质量，浇注温度1420℃，处理后铁液直接浇注120mm球墨铸铁磨球，待铸型内铸件冷却到920℃时开箱空冷至室温；

（6）热处理：将冷却至室温的磨球放入铁框中，在连续推杆式加热炉中阶梯加热至890℃，加热炉分为四区加热，设定温度分别为650℃，750℃，850℃，890℃，每个温区可递推式放入7框磨球，加热时间由推杆间隔时间控制，直径120mm磨球每个温区保温170min，直径120mm磨球推杆速度为26min/框，待加热至890℃后铁框由推杆加热炉中推出磨球导入带有提杆的铁箱，再进行盐浴等温淬火处理，整个过程包括，提杆提铁箱进入盐浴池10s，提起进行空冷10s，交替进行20min，然后将铁箱放入盐浴池进行保温，温度保持在250℃，保温3小时，选用45%亚硝酸钠+55%硝酸钾混合盐作为等温淬火介质；

（7）清洗：待热处理完成后，进入清洗池中进行清洗；将清洗后磨球进行回火处理，消除淬火应力，稳定组织，提高磨球的综合性能，在回火炉中保温8h，回火温度240℃，得到奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球。

本实施例步骤（5）得到奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的球墨图石墨的球化率达到2级，球墨大小等级达到7级，奥氏体-贝氏体型球墨铸铁磨球的显微组织与实施例1相同为残余奥氏体、贝氏体、马氏体、碳化物和石墨球，生产出不同直径的磨球硬度在hrc55，而且内外硬度差值小于5，冲击韧性αk为16j/cm²，落球次数>20000次，具有良好的耐磨性、冲击韧性和较好的综合力学性能。