低成本新型耐磨铸球生产工艺研究与应用

毛 蓉，张 萍

（金堆城钼业集团有限公司，陕西华县 714102）

低成本新型耐磨铸球生产工艺研究与应用

毛 蓉，张 萍

（金堆城钼业集团有限公司，陕西华县 714102）

通过对磨球样品硬度、冲击韧性的性能测试及金相组织的观察，研究了在不同化学成分配比、热处理温度等条件下铸球性能的差异。采用正交实验法代替固定变量法，缩短了实验时间和成本。实验结果得到了一种性能良好、生产成本低、工序简单的磨球生产工艺。

耐磨铸球、化学成分、热处理

0 引言

球磨机是水泥、电力、矿山等行业研磨工序的主要设备，磨球是球磨机主要易损件之一[1]，据统计，每年全国磨球消耗超过200万吨，其中冶金矿山企业消耗超过70%。铸铁合金磨球是其中一类应用最为广泛的材料。其中，高铬、中铬合金球因其较高的宏观硬度，良好的耐磨性能，无需特殊热处理工艺等特点，广受电力、水泥等行业的欢迎。低铬合金球虽然在性能上略差，但具有明显的价格优势，在矿石湿磨作业中受到广泛应用[2-3]。大量的市场需求催生了对低成本、高性能磨球的研究热潮。如何在不影响磨球使用性能的基础上，研发出成本更低廉的磨球制备工艺，成为当前磨球生产企业的首要难题。

本文在设备和实验费用最少、实验周期最短的原则基础上，采用中频感应电炉熔炼，通过正交试验方法，对磨球的化学成分配比、热处理温度进行研究。并在工业试验基础上，探索得到硬度、冲击等性能好、生产成本低、工序简单的磨球生产工艺。

1 方案设计及样品制备

1.1 实验方案设计

C元素的含量对铸球耐磨性的影响很大，一般来说，C含量越高硬度越大，耐磨性越好，但铸球的脆性随之增加，使用过程中容易破碎。Cr元素可以改善白口铸铁中碳化物的相结构，改变基体和碳化物的分布形态，使磨球具有较好的机械性能。C/Cr是磨球成分设计中最重要的部分。Mn元素可以促进珠光体和莱氏体的形成，并且细化珠光体，提高铸球的强度和硬度。Mo元素可以细化晶粒，提高淬透性，改善磨球韧性。Cu元素是一种非碳化物形成元素，能固溶在α-Fe中，提高基体的电极电位，减少腐蚀介质中的微电池作用，有效降低腐蚀磨损速度[4-6]。参考文献数据，结合生产实际经验，本文各元素的变化范围如表1。

表1 新型铸铁磨球实验元素配比 %

实际生产操作中原料Si含量往往较高，利用硅铁来改变Si含量时，容易引起其他成分的变化，故Si含量不作为实验变化因素，保持在1.4%~1.6%。稀土元素可以有效净化铁液，改善晶界状况，实际生产中多用于提高磨球的韧性，但价格很高，为降低产品成本，本文采用微量的Mo、Cu联合作用代替稀土元素，由于添加量极少，不作为实验变化因素，Mo控制在0.004%~0.006%，Cu控制在0.003%~0.005%。为更好的探索提高磨球性能与能耗成本的平衡点，本文中每组样品分别进行不热处理和热处理两组对比试验，热处理温度主要控制在350 ℃、450 ℃和550 ℃三个温度点附近。采用正交实验法设计实验，具体实验方案如表2。

1.2 样品制备

采用750 kg快速中频感应电炉熔炼，冶炼温度为1 550~1 650 ℃，确保整个冶炼过程实现最佳温度起伏及浓度起伏；出炉温度控制在1 650 ℃左右（通过热电偶检测），使铁液含渣、含气量最少，确保高品质试验磨球的产出。浇注温度1 350~1 380 ℃，除净炉渣，浇包内加入合金，注入铁液后充分搅拌，以防止成分偏析。之后加入集渣材料，使铁液充分洁净，整个浇注过程必须注意档渣，避免杂质卷入铸型，采用先慢、中快、后慢的原则。热处理由室温起，以50 ℃/h的速度升温至实验方案要求热处理温度，保温2h，后随炉空冷至室温。

表2 具体实验方案

2 结果与讨论

2.1 化学成分

样品取三个点做化学成分分析，结果取平均值，各方案样品化学成分如表3。通过表3可以看出，化学成分基本达到实验设计要求。行力学性能分析。根据硬度值及冲击韧性数据分别绘制硬度趋势图，如图1；冲击韧性趋势图，如图2。

表3 方案样品化学成分

观察图1，整体来看，2#实验的硬度值相对较低，3~9#实验硬度值较高，并且变化较小，特别是热处理后样品（图1，红色曲线）3~9#硬度趋势几乎是直线。比较两条曲线上的对应点可以发现，4~9#实验中，未热处理样品的硬度值略高于热处理后样品。

图1 硬度趋势图

图2 冲击韧性趋势图

观察图2，整体来看，9#实验的冲击韧性性能明显优于1~8#实验。比较两条曲线上的对应点可以发现，热处理样品的冲击韧性略好于未热处理样品，但除4#实验外，优势并不明显。可见，热处理温工艺在一定范围内可以提高样品的冲击韧性，但程度有限。从节约电耗、简化工序、降低人工操作难度等角度出发，可以考虑不采用热处理。

综合两项测试，可以得出，9#实验样品性能较好，可以考虑新型磨球成分配比采用w(C)=4.5%～5.5%，w(Mn)=1.5%～2.0%，w(Cr)=3.5%～4.0%。

2.3 金相组织

为探究9#实验样品性能优异的微观原因，本文对9#进行金相组织分析，以排除偶然性。图3为9#实验样品未热处理样品金相实验照片。图3.a可以看出，样品中碳化物组织主要成网络状，分布均匀，没有明显杂质；图3.b进一步放大可以看出，样品组织主体是莱氏体，并伴有细针状珠光体和少量块状碳化物。C含量的升高有利于样品组织趋于莱氏体化，Cr元素促使样品中形成(Cr、Fe)7C3型碳化物，其形状分布和硬度都优于M22C6、M3C型碳化物。同时，Mo、Cu等元素对晶界有一定的净化作用，提高了晶界强度，提高了样品的冲击韧性。这些因素共同作用下，使得9#样品具有了较好的物理性能。

图3 9#未热处理实验样品金相照片

图4 为9#实验样品经过350℃热处理后的金相实验照片。分别对比图3与图4可以发现，热处理工艺没有明显改变样品的组织形态，但在微观上通过破坏莱氏体网络状形态，碳化物趋于孤立、分散的小块状，组织在一定程度上得到了细化。当样品受到冲击时，这样的组织对应力集中起到了缓冲作用，有效的提高了冲击韧性。金相实验结果表明，9#实验样品性能优良是由于最佳成分配比和合理的冶炼工艺，使样品具有理想的组织结构，排除偶然性，为9#实验可以进行工业性实验提供了依据。

图4 9#热处理实验样品金相照片

3 工业性实验

按照9#实验工艺进行大量生产，并投入选矿厂φ3.6×4.0 M湿型1#球磨机进行工业性试验，确定磨球工况适应性。新型磨球加入运行三个月后，1#球磨机的平均单耗为0.69 kg/t矿，不但低于该球磨机平均水平0.73 kg/t矿，而且低于同时期同系列2#球磨机的平均单耗0.71 kg/t矿。

可见，新型磨球在实际工况条件下应用，相对单耗水平较低，并且磨损后不失圆、不破碎的、且磨损均匀，具有较好铸造品质及综合性能指标。工业性试验进一步佐证了新型磨球生产工艺是产品成本和保证产品性能的最佳平衡点。

4 小结

（1）通过实验分析和工业试验，确定新型磨球的最佳成分为：C 4.5%～5.5%；Si 1.4%~1.6%；Mn 1.5%~2.0%；Cr 3.5%～4.0%；Mo 0.004%~0.006%；Cu 0.003%～0.005%；不进行热处理。

（2）该工艺每吨磨球产品仅主材一项至少可节约155元，同时可节约热处理费用120元，共275元/吨产品，按车间年产量3 000 t计算，每年可节约成本82.5万元，效果显著。

（3）上述工艺方法，不需要热处理，对设备和员工素质要求低，降低车间设备购买、维护费用和员工技术要求，并节省了能源消耗。

[1] 方斌.高铬铸铁磨球的生产工艺[J].中国铸造设备与技术,2011(1):23-24.

[2] 潘继勇.我国铸造磨球的生产及研发现状[J].2012年中国铸造活动周论文集[C]:340-354.

[3] 唐琳琳,王盟.常用耐磨材料及表面耐磨保护方法简介[J].煤炭加工与综合利用,2011(3):52-54.

[4] 宫成立.高铬铸铁的耐磨性应用研究[J].机械设计与制造,2008(3):80-81.

[5] X.H.Tang,R.Chung,D.Y.Li,B.Hinckley,K.Dolman. Variations in microstructure of high chromium cast irons and resultant changes in resistance to wear, corrosion and corrosive wear[J]. wear,2009(267):116-121.

[6] L.Ribeiro,A.Barbosab,F.Vianaa,A.MonteiroBaptista C.Dias,C. A.Ribeiro. Abrasion wear behaviour of alloyed and chilled cast irons[J]. wear,2011(270):535-540.

[7] 朱国庆,郑中甫,张茂勋.铬对低碳高铬铸铁性能的影响[J].热加工工艺,2008(37):15-17.

Study on production process of low-cost new wear-resistant cast ball

MAO Rong，ZHANG Ping
(Jinduicheng Molybdenum Mining Group Co.,Ltd,Huaxian 714102, Shaanxi, China)

The effects of chemical composition and heat treatment on properties of wear-resistant cast ball were studied through hardness and impelling strength test, metallographic structure analysis. The study used orthogonal test instead of fi xed variable method for a shorter experimental cost and time. The experimental results show that, the wear-resistant cast ball shows the best integrative properties, the lowest cost, and lest production diffi culty.

wear-resistant cast ball; chemical composition; heat treatment

TG250；

A；

1006-9658（2017）02-0026-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.009

2016-10-09

稿件编号:1610-1547

毛蓉（1985—），女， 工程师 . 主要从事耐磨材料研究工作.