一种钒钛铌复合钢丸及其制备方法和应用与流程

本发明属于合金制品，具体涉及一种钒钛铌复合钢丸及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钢丸是一种重要的金属磨料，通过抛丸机、喷砂机等设备进行钢丸喷射，能广泛应用于金属表面的清理、强化和预处理。在船舶制造行业，钢丸用于去除船体表面的铁锈、旧漆层等，为新的涂层施工做好准备，提高涂层的附着力，延长船舶的使用寿命。在钢结构制造中，钢丸能清理焊接后的焊渣和氧化皮，使钢结构表面更加光滑平整，增强其美观度和耐腐蚀性。汽车制造领域，钢丸能够对汽车零部件进行表面清理和强化，提高零件的疲劳强度和耐磨性。此外，钢丸还应用于铸造、锻造、机械加工等行业，用于清理铸件、锻件表面的型砂和氧化皮，以及去除机械加工件表面的毛刺等。

2、为了实现较好的处理效果，提高处理效率，这就需要钢丸具有较好的形貌、硬度、韧性和耐磨性，以及选择合适的钢丸大小规格和喷射速度。较高的硬度能够保证钢丸在清理和强化过程中有效地去除金属表面的杂质和氧化皮，同时不会轻易破碎。良好的韧性使钢丸在使用过程中不易破碎，减少了钢丸的损耗，提高了回收重复使用效率。较高的耐磨性能够保证在长时间的使用过程中保持其形貌和尺寸不发生大变化，持续发挥清理和强化作用。钢丸的清理效率取决于其大小规格、硬度、喷射速度等因素，合适的钢丸能够在较短的时间内清理大面积的金属表面。

3、常见的钢丸直径有0.2mm-2.5mm不等。不同大小规格的钢丸适用于不同的应用场景。较小直径的钢丸适用于精密零件的表面清理和强化，能够去除微小的杂质和毛刺，同时不会对零件表面造成过度损伤。较大直径的钢丸则适用于大面积、高强度的表面清理和强化，如船舶、钢结构等。

4、钢丸的制备方法主要有以下几种，（1）雾化法：将熔融的钢水通过高压雾化器雾化成细小的液滴，液滴在空气中迅速冷却凝固成钢丸；这种方法制备的钢丸形状规则、表面光滑、硬度均匀，但设备成本高，设备消耗大，能耗大。（2）离心法：利用离心力将熔融的钢水甩成钢丸，离心法制备的钢丸大小均匀、硬度较高，但形状不如雾化法制备的钢丸规则，存在形貌缺陷率较大。（3）切丝法：将钢丝切成小段，然后通过加热、挤压等工艺将小段钢丝制成钢丸，切丝法制备的钢丸成本较低，但质量相对更差。

5、现有的钢丸主要是高碳钢或合金钢，成分比例和制备工艺各不相同，使用性能良莠不齐，主要存在硬度不均匀问题，磨损较快问题，硬度与韧性的平衡难题，以及耐腐蚀性差的问题。

6、（1） 硬度不均匀：由于生产工艺的差异和原材料均质性的波动，钢丸在硬度上存在一定差异，在使用过程中会能出现部分过度磨损或破碎。这会影响到钢丸在表面处理和强化过程中的效果一致性。

7、（2）磨损较快：在高强度的使用过程中，钢丸自身也会磨损，尤其是在处理硬度较高的材料时，磨损速度较快。这不仅增加了使用成本，还会导致处理效果逐渐下降，需要频繁更换钢丸。

8、（3）硬度与韧性的平衡难题：一些高硬度的钢丸在提供强大的清理和强化能力的同时，往往韧性相对不足。这导致在使用过程中钢丸容易破碎，产生过多的碎粒和粉尘。碎粒不仅会影响处理效果，还会对设备和被处理工件造成损伤。硬度较低的钢丸虽然韧性较好，不易破碎，但清理和强化效果不够理想。

9、（4）耐腐蚀性差：在一些潮湿或腐蚀性环境中使用，普通钢丸容易生锈。生锈的钢丸不仅会影响外观，还会降低其性能。例如，生锈的钢丸表面会变得粗糙，会对被处理工件表面造成划痕；同时，生锈的钢丸硬度和强度也会下降，影响清理和强化效果。

10、钢丸成分、性能、大小规格和制备方法等方面的特点决定了它在不同应用场景中的适用性。随着工业技术的不断发展，对钢丸的性能和质量要求也将不断提高，钢丸的制备技术也需要不断创新和改进。

技术实现思路

1、针对现有技术中钢丸存在的硬度不均匀问题，磨损较快问题，硬度与韧性的平衡难题，以及耐腐蚀性差的问题。本发明提供一种钒钛铌复合钢丸及其制备方法和应用，钢丸为高碳合金钢，成分含有特定比例的钒、钛、铌、锰、硅、铬、硼、玄武岩纤维、铁等成分，设计特殊的制备方法增强成分融合均一性，设计特殊的冷却液提高钢丸形貌合格率，并将玄武岩纤维融合在钢丸表面，提高韧性、耐磨性和抗裂性；各成分配合添加使用能够大幅改善高碳钢丸的使用性能和耐腐性，综合提高硬度与韧性，喷丸使用后能够使钢丸在清理和强化过程中保持完整性，不会轻易破碎，损失率小。其具体技术方案如下：

2、一种钒钛铌复合钢丸，钢丸包括以下质量百分数的组分：钒1.00%～1.50%、钛1.00%～1.50%、铌1.50%～2.00%、锰1.20%～1.50%、碳0.90%～1.30%、硅0.50%～1.00%、铬0.50%～1.00%、硼0.30%～0.60%、玄武岩纤维0.10%～0.50%、硫＜0.05%、磷＜0.05%，余量为铁。

3、上述技术方案中，所述钢丸的密度大于7.40g/cm3；所述钢丸的直径规格为0.2mm～3.0mm。

4、上述一种钒钛铌复合钢丸的制备方法，包括如下步骤：

5、s1：按质量百分数，向1700℃～1900℃的铁水中加入钛、锰、碳、硅，进行混合熔炼均匀，得到流体a；

6、s2：按质量百分数，将钒、铬、硼在2100℃～2300℃进行混合熔融，得到流体b；

7、s3：按质量百分数，将铌在2500℃～2800℃进行熔融，得到流体c；

8、s4：将流体a、流体b和流体c转入密封熔炉中，升温至2480℃～2600℃搅拌均匀，然后降温至1600℃～1800℃，得到钢水；

9、s5：利用离心雾化造粒设备将钢水甩成小液滴，并将小液滴甩入冷却液中，冷却液将小液滴定型，得到半成品钢丸；

10、s6：取出半成品钢丸进行水洗、烘干、分选，然后将分选合格的半成品钢丸进行淬火处理，加热至900℃～1000℃，保温20min～30min后进行水冷，得到淬火钢丸；

11、s7：将淬火钢丸进行回火处理，在400℃～500℃保温50min～80min，降温后，粒度精筛，得到尺寸规格一致的成品钢丸。

12、上述制备方法的s1中，所述铁水为铁矿石经过冶炼除杂得到的铁水，所述铁水含杂质硫＜0.05%、磷＜0.05%；所述碳为石墨粉，石墨粉的粒度为500μm以下；所述混合熔炼为非密封熔炼，混合熔炼的转速为60r/min～80r/min。

13、上述制备方法的s2中，所述混合熔融为在惰性气体保护下进行熔融。

14、上述制备方法的s3中，所述熔融为在惰性气体保护下进行熔融。

15、上述制备方法的s4中，所述密封熔炉通入惰性气体保护；所述搅拌的速度为100r/min～200r/min，所述搅拌的时间为15min以下。

16、上述制备方法的s5中，所述冷却液包括以下质量百分数的原料：1%～3%玄武岩纤维、1%～3%分散剂、3%～6%增稠剂、余量为水；所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钙或木质素磺酸钠；所述增稠剂为羧甲基纤维素钠或聚丙烯酸钠；所述玄武岩纤维的直径为15μm以下，所述玄武岩纤维的长度为20μm～80μm。

17、上述制备方法的s6中，所述分选的合格率为97.5%以上，分选出不合格的半成品钢丸包括空心球钢丸和不规则形状钢丸，不规则形状包括多角状、半球状和扁平状。

18、上述一种钒钛铌复合钢丸用于金属磨料，通过抛丸机或喷砂机进行钢丸喷射，对金属表面进行清理和强化。

19、本发明提供的一种钒钛铌复合钢丸及其制备方法和应用，与现有技术相比，有益效果为：

20、一、本发明钢丸为高碳合金钢，成分含有特定比例的钒、钛、铌、锰、硅、铬、硼、玄武岩纤维、铁等成分，各成分配合添加使用能够大幅改善高碳钢丸的使用性能和耐腐性，综合提高硬度与韧性，喷丸使用后能够使钢丸在清理和强化过程中保持完整性，不会轻易破碎，损失率小。

21、钒和碳、氮、氧有极强的亲和力，会形成相应的稳定化合物，在钢中主要以碳化物的形式存在，这些碳化物能够阻碍钢在凝固和热处理过程中晶粒的长大，使晶粒细化，晶粒细化能提高钢的强度和韧性，因为晶界增多能够阻碍位错的运动，使钢更难变形；当钒在高温下溶入固溶体时，能增加钢的淬透性，使钢在淬火时更容易获得均匀的马氏体组织，提高钢的硬度和强度；钒能够增加淬火钢的回火稳定性，在回火过程中能抵抗硬度的降低，并且会产生二次硬化效应，即经过回火后，钢的硬度会进一步提高，提高钢丸的耐磨性和使用寿命。

22、钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮、碳的有效元素，能够减少钢中的氧、氮等气体含量，降低气体对钢性能的不良影响，提高钢的纯净度；钛固定了氮和硫并形成碳化钛，提高了钢的强度，经正火使晶粒细化，析出形成碳化物能使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善。碳化钛结合力强，稳定，不易分解，碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用，细化晶粒同样能提高钢的强度和韧性。

23、大含量中的部分铌溶入固溶体起固溶强化作用，而以碳化物和氧化物微粒形式存在时，能够细化晶粒，细化后的晶粒能够提高钢的强度和韧性，并且降低钢的过热敏感性和回火脆性，使钢在淬火时更容易获得均匀的组织，提高钢的性能。铌能够增加钢的回火稳定性，并且有二次硬化作用，与钒的作用类似，能提高钢的硬度和耐磨性，大含量铌使钢具有良好的抗氢性能。

24、锰能够提高钢丸的强度和硬度，改善钢的热加工性能，锰能溶入铁素体和渗碳体中，增强铁素体的强度，同时提高渗碳体的硬度，从而整体上提高钢的强度和硬度。锰和硫有较强的亲和力，能够与硫形成硫化锰等化合物，减少硫在钢中的游离状态，从而减轻硫对钢的脆性危害，提高钢丸的韧性和可加工性。

25、碳是决定钢丸硬度的关键元素之一，适量的碳能够与铁形成渗碳体，提高钢的硬度和强度。但如果碳含量过高，会使钢丸的韧性下降，容易破碎；碳含量过低，则钢丸的硬度不够，无法起到应有的清理和强化作用。因此，本发明添加较高含量的钒、钛、铌与碳进行结合，避免游离碳使钢丸的韧性下降，有效降低喷丸破碎率。

26、硅能起到钢液脱氧的作用，降低钢中的氧含量，提高钢的纯净度。同时，硅固溶在钢中能够提高钢的强度，特别是弹性极限、屈服点和抗拉强度。硅改善钢液的流动性，有利于离心雾化成型。

27、铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，能够提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。在钢丸中，铬的存在能够提高钢丸的表面硬度，增强其耐磨性，延长钢丸的使用寿命。铬能够在钢的表面形成一层致密的氧化膜，提高钢丸的耐腐蚀性，使其在一些恶劣的环境中也能保持较好的性能。

28、加入少量的硼就能提高钢的淬透性，使钢在淬火时更容易获得均匀的组织，提高钢丸的整体性能。

29、玄武岩纤维具有较高的抗拉强度和力学性能，添加到钢丸中能够起到增强的作用，提高钢丸的强度和韧性，减少钢丸在使用过程中的破裂和损耗。玄武岩纤维的耐磨性较好，能够提高钢丸的耐磨性，使其在清理和强化工件表面时更加有效。

30、钒、钛、铌这三种元素都具有细化晶粒的作用，共同使用时能够进一步细化钢丸的晶粒，使钢丸的组织更加均匀致密，从而提高钢丸的强度、韧性和耐磨性。同时，它们在提高淬透性、回火稳定性和二次硬化等方面也具有协同效应，能够使钢丸在热处理后获得更好的性能。锰能够提高钢的强度和硬度，而硅能够提高钢的弹性极限和抗拉强度，两者共同作用能够使钢丸的综合力学性能得到提高。此外，硅的脱氧作用能够减少钢中的氧含量，为锰的强化作用提供更好的条件。铬能够提高钢的硬度和耐腐蚀性，硼能够提高钢的淬透性和改善组织，两者协同作用能够使钢丸在硬度、耐磨性和组织均匀性等方面都得到改善。玄武岩纤维与钢中的金属成分相互结合，能够充分发挥各自的优点。金属成分提供了钢丸的基本强度和硬度，而玄武岩纤维则在增强、耐磨和降低成本等方面起到辅助作用，使钢丸的性能更加优异。

31、二、本发明钢丸制备方法中，将钒、铬、硼在2100℃～2300℃进行混合熔融，将铌在2500℃～2800℃进行熔融，将熔融后的物质进行混合制备钢水，预熔融能够提高融合效果，形成更加均匀的晶相。并且预熔融能够节能，有效降低密封熔炉的整体熔炼时间。

32、三、常规冷却液为去离子水；本发明设计了特定含量的玄武岩纤维、分散剂、增稠剂加入水中配制冷却液。分散剂有助于玄武岩纤维在水中的分散均匀性；增稠剂能够提高玄武岩纤维在冷却液中的悬浮性，玄武岩纤维和增稠剂能够增加冷却液对钢丸液滴的阻力，该阻力能够改善钢丸成型形貌质量，更加圆润一致，有效降低形貌不合格率。将玄武岩纤维加入冷却液中，能够在钢丸液滴进入冷却液时，贴附融合在钢丸液滴表面，形成表面附着有玄武岩纤维的钢丸，提高钢丸的表面耐磨性，抗裂性好。冷却液的稠度阻力能够促进玄武岩纤维的融合性。玄武岩纤维的熔点较低，如果参与熔炼会破坏玄武岩的结构和改变成分，本发明设计在冷却液中加玄武岩纤维，玄武岩不参与熔炼，能够保护纤维结构和成分的完整性，发挥最大表面耐磨性和抗裂性，并保护钢丸抗腐蚀。

33、四、本发明方法根据合金的特性，设计了淬火温度和回火温度，保证钢丸产品的硬度和韧性。并且900℃～1000℃淬火能够进一步提高玄武岩纤维与钢丸的融合性，进一提高钢丸的韧性、耐磨性和抗裂性。