基于钒钛掺杂的高铬磨球材料性能研究①

武鑫龙，王 涛，凌清峰，张 可，万 新，秦跃林，张明远

（重庆科技学院 冶金与材料工程学院，重庆 401331）

磨球是球磨机中的一种研磨介质，需要具有较高的硬度、耐磨性和较好的冲击韧性［1－2］。磨球的磨损问题非常严重［3－4］，据统计，我国每年因磨球损耗而造成的经济损失超过千亿元［5］，因此，对磨球的性能提出了更高要求［6］。

目前，国内广泛使用高铬磨球材料，它具有良好的抗磨特性，但强度和韧性仍需提高，且生产成本较高。当前的优化手段多是开发新型磨球材料或者改善其成分，如研发热轧钢球，特高铬系、高铬硅系、钨高铬系磨球［7－8］。本文基于企业生产实际，使用钒钛元素取代磨球中的部分铬元素，研究加入钒钛后磨球材料的性能，实现提高矿产开发效率、优化磨球质量、降低生产成本的目的。

1 实验材料与方法

1.1 实验方案

由于实验室条件与生产实际存在差异，实验室得到的产品与企业实际应用的产品不具备可比性，这里，首先分析企业提供的样品化学成分，以此为基样，设计实验方案，采用相同的工艺进行冶炼、热处理，得到实验产品并进行性能测试，以了解改变成分后其性能的变化。企业提供的常规高铬磨球样品的化学成分见表1。

表1 常规高铬磨球化学成分（质量分数）／%

1.2 实验磨球样品的制备

实验用原材料包括低硅生铁、回炉料、中碳或高碳铬铁、锰铁、铬铁、钨铁及钒铁合金、钛铁合金等。用25 kg真空感应炉熔炼原料，将成分控制在设计范围内，1 350℃出炉浇铸。浇铸试样在200℃下进行去应力退火，再进行热处理，分阶段保温，然后随炉冷却至室温，将铸锭剥皮，并进行硬化处理，出炉空冷，得到最终试样。

1.3 样品检测

采用扫描电子显微镜（Philips-quanta-2000）观察钒钛磨球材料金相试样的微区和冲击断口和磨损形貌，同时在具有代表性的区域进行能谱分析，分析元素分布情况和存在形态，研究V、Ti元素对新型钒钛磨球材料组织的影响。

按GB／T 230—91《金属洛氏硬度试验方法》进行硬度测试。按GB 229—63《金属常温冲击韧性试验法》进行冲击韧性试验。耐磨实验静载荷为1 000 g，样品为常规高铬磨球和钒钛磨球，每30 min为一磨损周期，每组试样磨损3次，每次磨损后用光电分析天平称量质量变化，耐磨性按下式计算：

式中Ws为耐磨率；Δm为磨损前后的质量差，mg；m为磨球样品原质量，mg。

2 实验结果与分析

2.1 元素配比实验

根据生产实际合理搭配原材料组分，增加V、Ti含量，各样品化学成分如表2所示。

表2 自制钒钛磨球材料化学成分（质量分数）／%

由表2可知，熔炼浇铸过程中部分元素出现烧损，但化学成分基本达到实验设计要求；与基样相比，磨球材料中钒钛含量增加，锰铬元素含量略有降低，基本实现了钒钛元素取代部分铬元素的目的。硅含量在0.48%～0.56%之间略有波动，硅含量过高会降低磨球硬度和韧性，但在该范围内，其含量变化对磨球质量无明显影响；锰元素的存在可以促进合金碳化物的存在，过多的锰元素会增加残余奥氏体数量，降低磨球硬度和韧性，研究表明，锰含量在0.4%～1.0%最佳，因此掺杂钒钛后的磨球中锰含量较为合适。

掺杂钒钛前后磨球Cr／C比变化见图1。Cr／C比是影响高铬磨球碳化物类型的主要因素，通常高铬磨球的Cr／C比为4～8，随着Cr／C比增加，M7C3型碳化物含量增加，将大大提高磨球的抗磨性和抗腐蚀性能。由图1可知，实验室自制钒钛高铬磨球的Cr／C比略有下降，但依旧处在较为合适的区间内［9］。

图1 掺杂钒钛后磨球Cr／C比变化

2.2 力学性能分析

对加入不同V、Ti含量的磨球材料进行硬度、冲击韧性检测，结果如图2所示。

图2 钒钛含量对磨球硬度和冲击韧性的影响

由图2可以看出，配加钒、钛后，高铬磨球硬度与冲击韧性均出现先提高后降低的趋势。当w（V）＝0.5%、w（Ti）＝0.2%时，磨球硬度达到最大。V、Ti的加入，对提高韧性有一定作用，在w（V）＝0.4%、w（Ti）＝0.1%时，高铬磨球的冲击韧性达到最大。研究表明，V、Ti相对活泼，能够与C、N等元素形成VC、TiC等碳化物或者碳氮化物等高熔点相［10－11］，且VC、TiC硬度极大，可作为初生碳化物的形核质点，细化碳化物和晶粒，能够有效提高钒钛高铬磨球的冲击韧性［12］。2＃样品的磨球硬度和冲击韧性较好，相比于基样磨球分别增加了0.64%和13.3%。

通过扫描电镜观察冲击韧性测试样品的断口形貌，如图3所示。由图3可见，基样断口的晶粒粗大，断口相对比较齐整，裂纹沿着解理面扩展，解理面较大、平滑，属脆性断裂；加入V、Ti后，可以观察到断口中有许多河流花样并且有一定梯度、台阶，韧窝较多且深浅不一，整体呈现撕裂状，显示样品韧性增强；随着V、Ti含量增加，断口韧窝呈减少趋势，表明高铬磨球的韧性降低，与冲击韧性测试结果相符。

图3 不同磨球冲击韧性断口SEM形貌

2.3 耐磨性分析

磨球的磨损主要有磨粒切削磨损、冲击疲劳磨损、冲击磨粒磨损3种磨损形式［12］。磨损机理主要有2种，即切削和塑性变形。各样品磨损测试结果如表3所示。

表3 各磨球磨损测试结果

由表3可以看出，V、Ti元素的加入对高铬磨球耐磨性影响较大。随着V、Ti含量增加，磨损率逐渐降低，耐磨性明显增强，以2＃样品为例，与基样相比，其耐磨性增加了36.4%。这是因为V的加入可以取代碳化物中的Cr，生成的VC、V2C等碳化物硬度高，且使得碳化物细化、均匀，结构更加牢固；并且生成稳定的碳化钛，可作为异质形核促进碳化物生成，细化组织，使得碳化物与基体结合更加牢固。

各磨损试样表面形貌如图4所示。由图4可知，加入V、Ti对高铬磨球的磨损机制未产生明显影响，磨损机制主要是切削和变形，表面以沟槽等形貌为主。基样的表面沟槽较多，而且分布广；与基样比，1＃样品磨损率没有太大变化；2＃样品沟槽长度变短，且网状结构开始呈现为孤立的沟槽；3＃样品长条状沟槽向周围发展，中心区域磨损较小。

图4 各磨损试样表面形貌

3 结 论

1）加入适量的钒、钛取代高铬磨球中的部分铬，含钒钛高铬磨球不仅耐磨性能良好，而且生产成本降低。

2）钒、钛代替部分铬后，高铬磨球材料硬度变化不大，但冲击韧性增强、磨损率降低、耐磨性提高。

3）综合考虑磨球硬度、冲击韧性、耐磨性，得出磨球（2＃球）最佳成分配比为：w（C）＝2.7%，w（Si）＝0.5%，w（Mn）＝0.6%，w（Cr）＝16%，w（V）＝0.5%，w（Ti）＝0.2%，余量为Fe。在同等实验条件下，该含钒钛高铬磨球比常规高铬磨球的冲击韧性提高了13.3%、耐磨性提高了36.4%，且硬度相当。