一种高硬度铬合金铸球
阅读说明：本技术 一种高硬度铬合金铸球 (High-hardness chromium alloy cast ball ) 是由 赵东凯 明章林 杨霄 胡璇 林俊 刘伟 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种高硬度铬合金铸球,所述铸球的化学组成成分按质量百分比包括：C：3.4％-3.8％、Si：0.3％-0.9％、Mn：0.4％-0.9％、Cr：11.0％-15.4％、S：≤0.02％、P：≤0.05％,其余为Fe和其他不可避免的杂质；按照上述化学组成成分进行配料,熔炼,浇铸后得到铸球初品；将该铸球初品加热到520℃-550℃,保温2h-3h,加热到750℃-780℃,保温2h-3h,加热到840℃-880℃,保温2h-3h,加热到880℃-920℃,保温2h-3h,之后淬入油温为150℃-190℃的高温油中10min-20min,再进行回火,制得所述高硬度铬合金铸球。本发明提出的一种高硬度铬合金铸球,改善了铸球的耐磨性能。(The invention provides a high-hardness chromium alloy cast ball, which comprises the following chemical components in percentage by mass: c: 3.4% -3.8%, Si: 0.3% -0.9%, Mn: 0.4% -0.9%, Cr: 11.0% -15.4%, S: less than or equal to 0.02 percent, P: less than or equal to 0.05 percent, and the balance of Fe and other inevitable impurities; mixing the raw materials according to the chemical components, smelting, and casting to obtain a primary cast ball product; heating the primary casting ball to 520-550 ℃, preserving heat for 2-3 h, heating to 750-780 ℃, preserving heat for 2-3 h, heating to 840-880 ℃, preserving heat for 2-3 h, heating to 880-920 ℃, preserving heat for 2-3 h, then quenching into high-temperature oil with the oil temperature of 150-190 ℃ for 10-20 min, and then tempering to obtain the high-hardness chromium alloy casting ball. The high-hardness chromium alloy casting ball provided by the invention has the advantage that the wear resistance of the casting ball is improved.)
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高硬度铬合金铸球。
背景技术
高铬铸球是一类应用非常广泛的重要耐磨材料，其含铬量大于10％，公知热处理技术为空气淬火与低温回火。由于在这种条件下，高硬度的M7C3型碳化物几乎全部代替了M3C型碳化物，因此与呈网状连续分布的M3C型碳化物相比，M7C3型碳化物大大增强了基体的连续性，因而铸球的硬度和韧性均显著提高。我国现行标准(GB/T17445-1998、JC/T533-2004及YB/T092-2005)中高铬铸造磨球的铬(Cr)含量范围为10-30％，其淬火态硬度为HRC52-56。
目前，工业上应用的高铬铸球常采用铬含量15-25％，碳含量不超过3.3％的亚共晶或近共晶成分。由于该种铸球碳化物含量相对较少，在许多耐磨耐蚀工况，如立磨磨辊、浆料输送杂质泵、球磨机衬板等都表现出明显的耐磨性不足。为此，为了提高高铬铸铁球的耐磨性，科研工作者开展了大量的研究开发工作，通过提高高铬铸铁球中碳或铬的含量以增加碳化物数量，从而使耐磨性大幅提高，但过高的碳或铬使得高铬铸铁球出现粗大的初生碳化物而使材料韧性急剧下降，与此同时粗大的初生碳化物在磨损过程中极易破碎，使得无法实现大规模的工业化应用。因此，控制和改善过共晶高铬铸铁球中初生碳化物的形态和粒度，即获得细小、均匀分布的初生碳化物是实现过共晶高铬白口铸铁规模化工业应用的关键。
中国专利CN1042193A公开了一种耐磨耐热的高铬合金铸铁及独特的热处理工艺，该材料主要成分为C：2.85-3.4％，Si：0.8-1.5％，Mn：0.3-0.4％，Cr：25-38％，Ni：3-8％，Re：0.08-0.15，P：≤0.03％、S：≤0.02％，余量为Fe。通过进行两次热处理，第一次的温度为1100-1300℃，出炉后空冷；第二次的温度为1000-1250℃，缓冷。该发明利用合理设计的成分和工艺，发挥了稀土的良好作用。但是该发明含有较多价格昂贵的镍元素，导致生产成本高，另外淬火工艺复杂，且淬火温度高，生产周期长，能耗高。
中国专利CN1769508A公开了一种低成本高耐磨的过共晶高铬铸铁及其制备方法，其主要成分为C：3.5-4.5％，，Si：0.5-1.5％，Mn：1.0-3.5％，Cr：17-30％Cu：1.0-2.0％，P、S：≤0.06％，Ni：≤1％，余量为Fe。其制备方法是通过加TiN、NbN等颗粒中间合金，在包内孕育，作为初生碳化物异质形核基底，而达到细化初生碳化物的目的。但外加TiN、NbN等颗粒在铁水中易团聚，分布均匀性差，使初生碳化物的形态和分布均匀性差，铸件波动性大，而且采用外加形核剂，铁液易污染，纯净度差。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高硬度铬合金铸球，在提高铸球碳含量来增加碳化物数量，以使所述铸球硬度得到大幅提高的前提下，通过特定的热处理工艺来细化初生碳化物，使所述铸球的韧性亦得以保持，由此改善了铸球的耐磨性能。
本发明提出的一种高硬度铬合金铸球，所述铸球的化学组成成分按质量百分比包括：C：3.4％-3.8％、Si：0.3％-0.9％、Mn：0.4％-0.9％、Cr：11.0％-15.4％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
按照上述化学组成成分进行配料，熔炼，浇铸后得到铸球初品；将该铸球初品加热到520℃-550℃，保温2h-3h，加热到750℃-780℃，保温2h-3h，加热到840℃-880℃，保温2h-3h，加热到880℃-920℃，保温2h-3h，之后淬入油温为150℃-190℃的高温油中10min-20min，再进行回火，制得所述高硬度铬合金铸球。
本发明中，通过碳、铬等多种合金元素的复合添加，使所得铸球具有极高硬度的同时，还获得良好的韧性性能，其中各元素的作用如下：
碳(C)：碳是可以有效地用于增加碳化物体积分数的元素，随着碳加入量的增加，碳化物的含量越多，如此大幅提高了所得铸球的硬度和耐磨性能，但是碳加入量过多时，所得铸球的强度和韧性就明显下降。为了平衡硬度、强度和韧性性能，本发明所述碳的含量控制为3.4％-3.8％。
铬(Cr)：铬是通过与碳形成高硬度M7C3型碳化物的基础，铬的加入量过少时，不易获得高硬度的M7C3型碳化物，但是加入量过多时，基体中容易出现低硬度的铁素体，反而降低材料耐磨性；并且适配碳含量的铬的加入量容易在凝固过程中形成细化的初生碳化物。本发明中所述铬的含量控制为11.0％-15.4％
锰(Mn)：锰是可以抑制铁素体形成并可以有效增加淬火性同时提高铸球强度和韧性的元素。铸球中加入适量的锰，除了起脱氧和净化铁水作用外，还可以阻碍碳化物生长，使碳化物细化，但锰是扩大奥氏体区，稳定奥氏体的元素，加入量过多时，铸态基团中易形成较多的奥氏体，不利于提高铸球的耐磨性。为了确保所得铸球的硬度，本发明中所述锰的含量控制为0.4％-0.9％。
硅(Si)：硅是通过脱氧和固溶强化来有效提高铸球强度的元素。为了获得上述效果，本发明中所述硅的含量控制为0.3％-0.9％。
硫(S)：硫是在铸球中容易形成夹杂物而使铸球韧性劣化的元素。因此，本发明中将硫的含量控制为0.02％或者更少。
磷(P)：磷是铸球中不可避免含有并使铸球韧性劣化的元素。因此将磷的含量控制为0.05％或更少。
除了上述对铸球组成进行控制以外，本发明中还选用淬火热处理工艺对铸球性能进行有效改善。通过阶段升温并在高温淬火油(150-190℃)中进行淬火，对铸球的金相组织进行控制，确保铸球中具有大面积的初生碳化物、共晶碳化物，以及呈弥散分布状的马氏体和少量贝氏体的复合相，保证所获铸球最终硬度在65HRC以上，冲击韧性值在5J/cm2以上，综合性能优良。
优选地，[C]×[Cr]≥0.42％，且[Cr]/[Mn]≥17，[C]、[Cr]、[Mn]分别为C、Cr、Mn的质量百分含量。
本发明铸球组成中还通过控制[C]×[Cr]≥0.42％，且[Cr]/[Mn]≥17，使得铸球中C与Cr最大限定的合金化以形成高硬度的M7C3型碳化物，如此来增加合金碳化物含量和提高基体的硬度；与此同时，由于Mn可以抑制铁素体形成并细化碳化物，通过调节Mn与Cr的配比，在最大限度细化Cr7C3型碳化物碳化物的同时，使马氏体转变点Ms降低，进而在铸铁淬火后容易形成贝氏体，贝氏体塑性变形强，可以使铸球获得较好韧性。
优选地，所述铸球的化学组成成分按质量百分比还包括：Ti：0.1％-0.5％、Ni：0.02％-0.2％、Mo：0.01％-0.1％中的至少一种。
为了进一步赋予所得铸球的相应性能，另外添加的合金元素作用如下：
钛(Ti)：钛是通过与碳形成强碳化物的元素，铸球中加入适量的钛，能够形成细小且均匀分布的TiC，TiC可作为M7C3型碳化物的形核核心，进一步阻碍初生碳化物的长大，如此达到细化初生碳化物的作用。为了获得上述效果，本发明中可以添加0.1％-0.5％含量的钛。
镍(Ni)：镍是通过提高淬透性能以提高铸球的韧性和强度的元素。为了获得上述效果，本发明中可以添加0.02％-0.2％含量的镍。
钼(Mo)：钼可以与碳形成高硬度的富钼碳化物M2C，从而可以增加合金碳化物含量以及提高基体硬度的元素。为了获得上述效果，本发明中可以添加0.01％-0.1％含量的钼。
优选地，所述铸球的硬度不小于65HRC，表面与球心硬度的差值不大于1HRC，冲击韧性不小于5J/cm2。
优选地，所述配料的原料包括废钢、增碳剂、铬铁、锰铁和硅铁。
优选地，所述熔炼的温度为1550℃-1600℃。
优选地，所述浇注的温度为1480℃-1520℃。
优选地，所述回火的温度为240℃-280℃，时间为7h-9h。
优选地，所述铸球的微观组织包括碳化物、马氏体和少量贝氏体，碳化物的体积含量不少于40％。
本发明通过提高铸球中的碳含量以增加碳化物数量，从而使所得铸球耐磨性大幅提高，并且通过控制和改善铸球中初生碳化物的形态和粒度来进一步使所得铸球韧性得以保持。因此在无需另外加入其它合金元素或者TiN、NbN等孕育剂的前提下，本发明即可以使所得铸球具有超过65HRC的硬度，同时冲击韧性值也保持在5J/cm2以上。
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，但是应该明确，提出这些实施例用于举例说明，但并不解释为限制本发明的范围。
实施例1
一种高硬度铬合金铸球，其化学成分按质量百分比包括：C：3.6％、Si：0.6％、Mn：0.7％、Cr：13.2％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，[C]×[Cr]≥0.42％，且[Cr]/[Mn]≥17；
该铸球制造工艺如下：将废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼原料，以上述化学成分确定原料的配比关系进行配料；再先将废钢、增碳剂在中频感应电炉中进行熔炼，待铁水溶清后加入铬铁、锰铁、硅铁，升温至1580℃后进行熔炼直至溶清，在出炉前两分钟加入铝锭进行脱氧，之后转入中转包后进行扒渣，接着倒入浇注包，控制温度为1500℃进行浇注，铁水凝固后得到铸球初品(Φ100mm)；
将所得铸球初品装入加热炉中进行加热，由常温加热至530℃，保温2.5h，继续加热至770℃，保温2.5h，再加热至860℃，保温2.5h，最后加热至900℃，保温2.5h，出炉后放入高温特种淬火油(油温为170℃)中进行淬火处理，淬火时间为15min，淬火后将铸球冷却到室温后再装入台车式回火炉中进行低温回火处理，回火温度为260℃，回火时间为8h，接着冷却至室温，即得到所述高硬度铬合金铸球。
实施例2
一种高硬度铬合金铸球，其化学成分按质量百分比包括：C：3.4％、Si：0.9％、Mn：0.9％、Cr：15.4％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，[C]×[Cr]≥0.42％，且[Cr]/[Mn]≥17；
该铸球制造工艺如下：将废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼原料，以上述化学成分确定原料的配比关系进行配料；再先将废钢、增碳剂在中频感应电炉中进行熔炼，待铁水溶清后加入铬铁、锰铁、硅铁，升温至1600℃后进行熔炼直至溶清，在出炉前两分钟加入铝锭进行脱氧，之后转入中转包后进行扒渣，接着倒入浇注包，控制温度为1480℃进行浇注，铁水凝固后得到铸球初品(Φ100mm)；
将所得铸球初品装入加热炉中进行加热，由常温加热至550℃，保温2.5h，继续加热至750℃，保温2.5h，再加热至880℃，保温2.5h，最后加热至900℃，保温2.5h，出炉后放入高温特种淬火油(油温为190℃)中进行淬火处理，淬火时间为10min，淬火后将铸球冷却到室温后再装入台车式回火炉中进行低温回火处理，回火温度为280℃，回火时间为7h，接着冷却至室温，即得到所述高硬度铬合金铸球。
实施例3
一种高硬度铬合金铸球，其化学成分按质量百分比包括：C：3.8％、Si：0.3％、Mn：0.4％、Cr：11.0％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；其中，[C]×[Cr]≥0.42％，且[Cr]/[Mn]≥17；
该铸球制造工艺如下：将废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼原料，以上述化学成分确定原料的配比关系进行配料；再先将废钢、增碳剂在中频感应电炉中进行熔炼，待铁水溶清后加入铬铁、锰铁、硅铁，升温至1550℃后进行熔炼直至溶清，在出炉前两分钟加入铝锭进行脱氧，之后转入中转包后进行扒渣，接着倒入浇注包，控制温度为1520℃进行浇注，铁水凝固后得到铸球初品(Φ100mm)；
将所得铸球初品装入加热炉中进行加热，由常温加热至520℃，保温2.5h，继续加热至780℃，保温2.5h，再加热至840℃，保温2.5h，最后加热至920℃，保温2.5h，出炉后放入高温特种淬火油(油温为150℃)中进行淬火处理，淬火时间为20min，淬火后将铸球冷却到室温后再装入台车式回火炉中进行低温回火处理，回火温度为240℃，回火时间为9h，接着冷却至室温，即得到所述高硬度铬合金铸球。
实施例4
一种高硬度铬合金铸球，其化学成分按质量百分比包括：C：3.5％、Si：0.6％、Mn：0.6％、Cr：11.5％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
该铸球制造工艺如下：将废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼原料，以上述化学成分确定原料的配比关系进行配料；再先将废钢、增碳剂在中频感应电炉中进行熔炼，待铁水溶清后加入铬铁、锰铁、硅铁，升温至1580℃后进行熔炼直至溶清，在出炉前两分钟加入铝锭进行脱氧，之后转入中转包后进行扒渣，接着倒入浇注包，控制温度为1500℃进行浇注，铁水凝固后得到铸球初品(Φ100mm)；
将所得铸球初品装入加热炉中进行加热，由常温加热至530℃，保温2.5h，继续加热至770℃，保温2.5h，再加热至860℃，保温2.5h，最后加热至900℃，保温2.5h，出炉后放入高温特种淬火油(油温为170℃)中进行淬火处理，淬火时间为15min，淬火后将铸球冷却到室温后再装入台车式回火炉中进行低温回火处理，回火温度为260℃，回火时间为8h，接着冷却至室温，即得到所述高硬度铬合金铸球。
实施例5
一种高硬度铬合金铸球，其化学成分按质量百分比包括：C：3.7％、Si：0.3％-0.9％、Mn：0.8％、Cr：13.0％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
该铸球制造工艺如下：将废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼原料，以上述化学成分确定原料的配比关系进行配料；再先将废钢、增碳剂在中频感应电炉中进行熔炼，待铁水溶清后加入铬铁、锰铁、硅铁，升温至1580℃后进行熔炼直至溶清，在出炉前两分钟加入铝锭进行脱氧，之后转入中转包后进行扒渣，接着倒入浇注包，控制温度为1500℃进行浇注，铁水凝固后得到铸球初品(Φ100mm)；
将所得铸球初品装入加热炉中进行加热，由常温加热至530℃，保温2.5h，继续加热至770℃，保温2.5h，再加热至860℃，保温2.5h，最后加热至900℃，保温2.5h，出炉后放入高温特种淬火油(油温为170℃)中进行淬火处理，淬火时间为15min，淬火后将铸球冷却到室温后再装入台车式回火炉中进行低温回火处理，回火温度为260℃，回火时间为8h，接着冷却至室温，即得到所述高硬度铬合金铸球。
对比例1
一种高硬度铬合金铸球，其化学成分按质量百分比包括：C：3.6％、Si：0.6％、Mn：0.7％、Cr：13.2％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
该铸球制造工艺如下：将废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼原料，以上述化学成分确定原料的配比关系进行配料；先将废钢、增碳剂在中频感应电炉中进行熔炼，待铁水溶清后加入铬铁、锰铁、硅铁，升温至1580℃后进行熔炼直至溶清，在出炉前两分钟加入铝锭进行脱氧，之后转入中转包后进行扒渣，接着倒入浇注包，控制温度为1500℃进行浇注，铁水凝固后得到铸球初品(Φ100mm)；
将所得铸球初品装入加热炉中进行加热，由常温加热至530℃，保温2.5h，继续加热至770℃，保温2.5h，再加热至860℃，保温2.5h，最后加热至900℃，保温2.5h，出炉后放入普通淬火油(油温为90℃)中进行淬火处理，淬火时间为15min，淬火后将铸球冷却到室温后再装入台车式回火炉中进行低温回火处理，回火温度为260℃，回火时间为8h，接着冷却至室温，即得到所述高硬度铬合金铸球。
对比例2
一种高硬度铬合金铸球，其化学成分按质量百分比包括：C：2.8％、Si：0.6％、Mn：0.7％、Cr：13.2％、S：≤0.02％、P：≤0.05％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；
该铸球制造工艺如下：将废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼原料，以上述化学成分确定原料的配比关系进行配料；先将废钢、增碳剂在中频感应电炉中进行熔炼，待铁水溶清后加入铬铁、锰铁、硅铁，升温至1580℃后进行熔炼直至溶清，在出炉前两分钟加入铝锭进行脱氧，之后转入中转包后进行扒渣，接着倒入浇注包，控制温度为1500℃进行浇注，铁水凝固后得到铸球初品(Φ100mm)；
将所得铸球初品装入加热炉中进行加热，由常温加热至530℃，保温2.5h，继续加热至770℃，保温2.5h，再加热至860℃，保温2.5h，最后加热至900℃，保温2.5h，出炉后放入高温特种淬火油(油温为170℃)中进行淬火处理，淬火时间为15min，淬火后将铸球冷却到室温后再装入台车式回火炉中进行低温回火处理，回火温度为260℃，回火时间为8h，接着冷却至室温，即得到所述高硬度铬合金铸球。
上述实施例和对比例所得铸球的性能测试结果如表1所示。
表1：
通过对比实施例和对比例可知，实施例所述钢球的硬度和冲击韧性相对对比例均有显著提高。可见，本发明所得铸球耐磨性能优异。
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。
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