本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高韧性高强度耐磨钢球及其制备方法。
背景技术：
球磨机作为矿山、水泥工业中物料粉磨的主要设备，得到广泛的普及应用，其中的球磨机钢球是球磨机运行工作的重要消耗性材料，其原理是利用耐磨球与物料的冲击和研磨作用使物料粉碎，耐磨球的质量直接影响待粉碎物料的粉碎质量，耐磨球的使用寿命直接影响劳动生产率，所以对耐磨球的要求是既要具有足够的强度和硬度，又要有较好的抗冲击韧性。现有技术中，球磨机的磨介钢球主要是铬系合金、锰系合金等球磨铸钢件或球磨铸铁件，如高铬钢球、低铬钢球、多元合金钢球和钒钛铬合金钢球等，在使用的过程中，存在冲击韧性不是很好、强度较低、耐磨性能欠佳的缺陷。
技术实现要素：
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高韧性高强度耐磨钢球及其制备方法，所述的高韧性高强度耐磨钢球的制备方法，其过程简单，条件温和，得到的耐磨钢球冲击韧性好，强度高，耐磨性能优异。
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球，其化学成分按重量百分比包括：C：0.35-0.47％、Si：0.25-0.4％、Mn：2-3％、Cu：0.03-0.04％、Cr：1-1.5％、B：0.003-0.005％、Mg：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Zr：0.02-0.04％、Nb：0.01-0.03％、V：0.05-0.1％、Mo：0.05-0.2％、Ni：0.1-0.25％、Ca+Ba：0.015-0.018％、S：0.01-0.02％、P：0.01-0.02％、其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，其化学成分中，Mn、B、Cr的重量百分比满足以下关系式：Mn＝500×B+0.15×Cr，且Cr+Mn≥3.4％。
优选地，其化学成分中，Nb、B、Ti的重量百分比满足以下关系式：Ti＝kB+Nb，且k取3-5。
优选地，其化学成分中，Nb、V的重量百分比满足关系式：0.09％≤Nb+V≤0.11％。
优选地，其化学成分中Ca、Ba的重量比为2-10:3-8。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼，扒渣、脱氧后得到合金液；
S2、待合金液冷却至1430-1450℃后浇注入金属模具型腔中，待合金液温度降至900-950℃时取出，冷却至室温得到耐磨球坯体；
S3、将耐磨球坯体升温至880-900℃，保温40-55min，降温至250-300℃然后在350-360℃中保温30-50min，空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球。
优选地，在S1中，在脱氧的过程中，所采用的脱氧剂的原料按重量份包括：铝矾土35-50份、钙粉10-15份、铁粉5-20份、硅石2-10份、重晶石1-5份、焦炭2-10份；所述脱氧剂选择了铝矾土、钙粉、铁粉、硅石、重晶石、焦炭为原料，并调节了各原料在体系中的比例，使各原料的性能协同，与氧具有较高的强和力，同时具有较高的脱硫能力，在脱氧的同时起到了脱硫的效果，与同类脱氧剂相比，钢水总氧含量低，脱氧产物相互聚积长大，上浮快；钢中夹杂物含量减少，同时可使夹杂物变性，钢水浇铸时流动性好，同时使用了铝矾土代替金属铝，降低了成本。
优选地，在S3中，升温至880-900℃的过程中，升温速率为A℃/s，A＝1.3+K1×CCr+K2×CMn，其中，K1取50-100，K2取30-50，CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比。
优选地，在S3中，降温至250-300℃的过程中，降温速度为B℃/s，B＝0.8+K3×CCr+K4×CMn，其中，K3取100-200，K4取30-80，CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比。
优选地，在S3中，回火的温度为T℃，且T＝328+K5×CTi+K6×CNb，其中，K5取20000-35000，K6取25000-40000，CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比。
本发明所述高韧性高强度耐磨钢球，其化学成分中适当提高了C的含量，在防止材料淬火后工件开裂的前提下，提高了材料的冲击韧性，同时加入了Mn和Cr，并适当提高了Mn和Cr的含量，同时降低了Mo的含量，显著提高了材料的淬透性和回火稳定性，同时使加入的Mn与B相配合，在防止硼脆的前提下，抑制了多边形铁素体的转变，同时凸出贝氏体转变区，在较大范围内得到贝-马组织，同时控制Mn、B、Cr的重量百分比满足以下关系式：Mn＝500×B+0.15×Cr，且Cr+Mn≥3.4％，使Mn、B、Cr三者结合，使得高温转变孕育期明显长于中温转变，从而细化了材料的尺寸，显著改善了钢球的强度和韧性；Nb和B加入体系中，降低了贝氏体的转变温度，进一步细化了组织，提高了基体中位错密度，并加入了一定量的Ti，并使Nb、B、Ti的重量百分比满足以下关系式：Ti＝kB+Nb，且k取3-5，从而使Nb、B、Ti具有最优的协同性能，避免N与B的结合同时形成了TiN和NbN，起到了凝固核心的作用，促进了钢球显微组织的细化，进一步提高了钢球的强度和韧性，同时防止了粗大夹杂物的形成；同时加入了Ca和Ba，并将Ca+Ba的含量控制在0.015-0.018％的范围内，起到了细化钢球的作用，使所得钢球更圆整，同时有利于提高钢球的强度和韧性；在制备方法中，具体选择了淬火的温度为880-900℃，保温40-45min，另外，控制了淬火过程中升温的速率和降温的速率，使升温速率A满足A＝1.3+K1CCr+K2CMn，K1取50-100，K2取30-50，降温速率B满足B＝0.8+K3CCr+K4CMn，K3取100-200，K4取30-80，使珠光体析出减少，马氏体组织逐渐增多，硬度增大，使钢球的硬度和冲击韧性达到最优，增加了过冷奥氏体转变为马氏体的稳定性，增强了钢的淬透性，提高了淬透层的硬度；当超过900℃后组织开始细化，硬度和冲击韧性逐渐降低；之后降温至250-300℃，控制了冷却的速度，并在350-360℃中保温30-50min，避免了非马氏体类组织转变，赋予钢球最佳性能；优选方式中，将回火的温度为设置为Ti、Nb的重量百分比的关系式，即T＝328+K5×CTi+K6×CNb，其中，K5取20000-35000，K6取25000-40000，CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比，从而使组织的析出物除了有大量弥散分布的ε-碳化物外，还出现了少量的(Nb,Ti)(C,N)粒子，这两类析出粒子的出现，使所得耐磨钢球在保持极高的强度和硬度的同时，仍然具有较好的韧性，从而为其具备极高的耐磨性能提供了保障。
对本发明所述高韧性高强度耐磨钢球进行性能测试，其硬度为49-56HRC，冲击韧性为31-36J/cm2，综合性能良好。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球，其化学成分按重量百分比包括：C：0.47％、Si：0.25％、Mn：3％、Cu：0.03％、Cr：1.5％、B：0.003％、Mg：0.06％、Ti：0.01％、Zr：0.04％、Nb：0.03％、V：0.05％、Mo：0.2％、Ni：0.1％、Ca+Ba：0.018％、S：0.01％、P：0.02％、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼，扒渣、脱氧后得到合金液；
S2、待合金液冷却至1430℃后浇注入金属模具型腔中，待合金液温度降至950℃时取出，冷却至室温得到耐磨球坯体；
S3、将耐磨球坯体升温至880℃，保温55min，降温至250℃然后在360℃中保温50min，空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球。
实施例2
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球，其化学成分按重量百分比包括：C：0.35％、Si：0.4％、Mn：2％、Cu：0.04％、Cr：1％、B：0.005％、Mg：0.03％、Ti：0.03％、Zr：0.02％、Nb：0.01％、V：0.1％、Mo：0.05％、Ni：0.25％、Ca+Ba：0.015％、S：0.02％、P：0.01％、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼，扒渣、脱氧后得到合金液；
S2、待合金液冷却至1450℃后浇注入金属模具型腔中，待合金液温度降至900℃时取出，冷却至室温得到耐磨球坯体；
S3、将耐磨球坯体升温至900℃，保温40min，降温至300℃然后在350℃中保温30min，空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球。
实施例3
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球，其化学成分按重量百分比包括：C：0.43％、Si：0.28％、Mn：2.01％、Cu：0.031％、Cr：1.4％、B：0.0036％、Mg：0.055％、Ti：0.0258％、Zr：0.028％、Nb：0.015％、V：0.08％、Mo：0.17％、Ni：0.16％、Ca：0.013％、Ba：0.004％、S：0.018％、P：0.013％、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼，扒渣、脱氧后得到合金液；其中，在脱氧的过程中，所采用的脱氧剂的原料按重量份包括：铝矾土50份、钙粉10份、铁粉20份、硅石2份、重晶石5份、焦炭2份；
S2、待合金液冷却至1435℃后浇注入金属模具型腔中，待合金液温度降至940℃时取出，冷却至室温得到耐磨球坯体；
S3、将耐磨球坯体升温至885℃，保温52min，降温至260℃然后在358℃中保温36min，空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球；
其中，升温至885℃的过程中，升温速率为A℃/s，A＝1.3+K1×CCr+K2×CMn，其中，K1取50，K2取50，CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比，即A＝3.005℃/s；
降温至260℃的过程中，降温速度为B℃/s，B＝0.8+K3×CCr+K4×CMn，其中，K3取200，K4取30，CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比，即B＝4.203℃/s；
回火的温度为T℃，且T＝328+K5×CTi+K6×CNb，其中，K5取35000，K6取40000，CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比，即T＝343.03℃。
实施例4
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球，其化学成分按重量百分比包括：C：0.36％、Si：0.37％、Mn：2.213％、Cu：0.038％、Cr：1.42％、B：0.004％、Mg：0.037％、Ti：0.03％、Zr：0.036％、Nb：0.01％、V：0.085％、Mo：0.1％、Ni：0.22％、Ca：0.0032％、Ba：0.0128％、S：0.015％、P：0.017％、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼，扒渣、脱氧后得到合金液；其中，在脱氧的过程中，所采用的脱氧剂的原料按重量份包括：铝矾土35份、钙粉15份、铁粉5份、硅石10份、重晶石1份、焦炭10份；
S2、待合金液冷却至1445℃后浇注入金属模具型腔中，待合金液温度降至920℃时取出，冷却至室温得到耐磨球坯体；
S3、将耐磨球坯体升温至896℃，保温43min，降温至287℃然后在352℃中保温43min，空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球；
其中，升温至896℃的过程中，升温速率为A℃/s，A＝1.3+K1×CCr+K2×CMn，其中，K1取100，K2取30，CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比，即A＝3.3839℃/s；
降温至287℃的过程中，降温速度为B℃/s，B＝0.8+K3×CCr+K4×CMn，其中，K3取100，K4取80，CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比，即B＝3.9904℃/s；
回火的温度为T℃，且T＝328+K5×CTi+K6×CNb，其中，K5取20000，K6取25000，CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比，即T＝336.5℃。
实施例5
本发明提出的一种高韧性高强度耐磨钢球，其化学成分按重量百分比包括：C：0.38％、Si：0.32％、Mn：2.195％、Cu：0.035％、Cr：1.3％、B：0.004％、Mg：0.045％、Ti：0.028％、Zr：0.03％、Nb：0.01％、V：0.08％、Mo：0.16％、Ni：0.16％、Ca：0.008％、Ba：0.008％、S：0.01％、P：0.02％、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提出的一种所述高韧性高强度耐磨钢球的制备方法，包括以下步骤：
S1、将原料加入真空感应炉中进行熔炼，扒渣、脱氧后得到合金液；其中，在脱氧的过程中，所采用的脱氧剂的原料按重量份包括：铝矾土42份、钙粉13份、铁粉10份、硅石8份、重晶石3份、焦炭7份；
S2、待合金液冷却至1440℃后浇注入金属模具型腔中，待合金液温度降至930℃时取出，冷却至室温得到耐磨球坯体；
S3、将耐磨球坯体升温至890℃，保温50min，降温至280℃然后在355℃中保温40min，空冷后回火得到所述高韧性高强度耐磨钢球；
其中，升温至890℃的过程中，升温速率为A℃/s，A＝1.3+K1×CCr+K2×CMn，其中，K1取60，K2取40，CCr、CMn分别为Cr和Mn的重量百分比，即A＝2.958℃/s；
降温至280℃的过程中，降温速度为B℃/s，B＝0.8+K3×CCr+K4×CMn，其中，K3取160，K4取50，CCr、CMn分别为Cr、Mn的重量百分比，即B＝3.9775℃/s；
回火的温度为T℃，且T＝328+K5×CTi+K6×CNb，其中，K5取30000，K6取30000，CTi、CNb分别为Ti、Nb的重量百分比，即T＝339.4℃。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。