BMQ80 Mn Cr鍛造耐磨鋼球的研制

供稿|趙千水，張群 / ZHAO Qian-shui ZHANG Qun

耐磨鋼球又稱作研磨機(jī)用耐磨介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于冶金礦山、水泥建材、火力發(fā)電、煙氣脫硫、磁性材料、化工、水煤漿、球團(tuán)礦、礦渣、超細(xì)粉、粉煤灰、碳酸鈣、石英砂等行業(yè)球磨機(jī)。它是一種消耗品，主要用途是研磨物料，使物料研磨得更細(xì)，以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)鋼球每年消耗量在300～500萬t，是鋼球消耗大國(guó)。我國(guó)長(zhǎng)期以來以鑄造鋼球?yàn)橹?，近些年生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的鍛、軋鋼球得到了快速的發(fā)展。BMQ80MnCr即是本鋼與某鋼球廠聯(lián)合開發(fā)的采用鍛造工藝生產(chǎn)鋼球的新型鋼鐵材料，以代替高Cr（10%以上）鑄鋼鍛球，降低合金資源消耗和使用成本。

技術(shù)要求

化學(xué)成分設(shè)計(jì)

硬度高、韌性好、破碎率和失圓率低是球磨機(jī)對(duì)耐磨鋼球最主要的要求。耐磨鋼球用鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)應(yīng)充分體現(xiàn)這種要求。

在外加載荷一定的情況下，材料的硬度是決定抵抗磨損耐磨性的決定性因素。各種化學(xué)元素中C含量對(duì)硬度的影響最大。但過高的C含量勢(shì)必會(huì)降低鋼的韌性，增加鋼的脆性。因此C含量比傳統(tǒng)的軸承鋼鋼球適當(dāng)降低，控制在0.80%左右。Mn含量通常控制在1%附近，這樣既可以發(fā)揮其固溶強(qiáng)化作用，又有利于改善鋼材韌性。同時(shí)，這個(gè)含量已經(jīng)可以充分發(fā)揮Mn對(duì)鋼淬透性提高的作用，保證鋼制品可以采用較為緩和的淬火方法，減少了鋼件因強(qiáng)烈淬火而導(dǎo)致的過度變形。腐蝕磨損也是金屬材料磨損失效的一個(gè)重要方面，對(duì)于適應(yīng)不同受磨礦質(zhì)的磨球材料，在成分設(shè)計(jì)時(shí)考慮適當(dāng)添加一些Cr、Ni、Mo合金元素以提高抗腐蝕能力也十分必要。Cr能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，也能很好提高鋼的淬透性，高C鋼中加入1%左右的Cr能使鋼中形成特殊碳化物，明顯提高鋼的耐磨性，尤其是鋼表面層的耐磨性能。鋼中添加少量的Ni可以保證高強(qiáng)度鋼同時(shí)具有高韌性，特別是在低溫條件下更是必不可少。Mo的少量添加除了發(fā)揮其提高淬透性和耐蝕性的作用外，主要是發(fā)揮其抑制Mn、Cr的回火脆性傾向，以及降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向[1]。此外，為細(xì)化晶粒，鋼中應(yīng)加入0.030%左右的Al；為保證鋼的純凈度，減少作為疲勞源的非金屬夾雜物，O含量限定在0.0015%以下；為降低P、S的有害作用，對(duì)其含量也需加以必要的限制。

基于以上這些考慮，設(shè)計(jì)的BMQ80MnCr鋼化學(xué)成分要求見表1。

表1 BMQ80MnCr鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

其它技術(shù)要求

為保證鋼材的致密度，對(duì)鋼材低倍組織要求：一般疏松、中心疏松、偏析均≤1.5級(jí)。

為降低因非金屬夾雜物存在而帶來的鋼球疲勞破壞，要求A、B、C、D各類非金屬夾雜物均不超過1.5級(jí)。

為避免鋼材熱加工質(zhì)量問題，鋼材的奧氏體晶粒度要求細(xì)于6級(jí)。

鋼材按GB/T 4162標(biāo)準(zhǔn)超聲波探傷，質(zhì)量等級(jí)A級(jí)。

鋼材表面不得有裂紋、結(jié)疤、折疊、夾雜等缺陷，以避免鍛造鋼球時(shí)產(chǎn)生開裂、皺皮等缺陷，既降低鋼球產(chǎn)成率，又影響鋼球使用壽命，同時(shí)降低粉末效率。

試制生產(chǎn)

試制生產(chǎn)主要工藝控制措施

本鋼鋼球用鋼的生產(chǎn)采用工藝流程為：50 t EBT→LF→VD→連鑄235 mm×265 mm鋼坯→緩冷→加熱→連續(xù)軋制→緩冷→修磨→超聲波探傷→表面漏磁探傷→檢驗(yàn)→包裝→上交。

◆冶煉及連鑄

電爐采用熱裝鐵水工藝，鐵水量不低于50%，另外選用錳鋼及鉻鎳鉬鋼切頭作為優(yōu)選廢鋼，各種輔助材料及鐵合金保證干燥。電爐給電后用高壓氧槍吹氧助熔，電弧開始暴露時(shí)噴吹碳粉以形成泡沫渣，采用高堿度控制氧位渣的選擇性氧化脫磷法脫磷，在磷及碳元素達(dá)到目標(biāo)要求時(shí)開始出鋼，同時(shí)加入硅鐵等進(jìn)行預(yù)脫氧，控制電爐出鋼合金化和加入混合渣料時(shí)機(jī)。LF爐工位采用擴(kuò)散脫氧以實(shí)現(xiàn)白渣精煉，通過爐底軟吹氬技術(shù)凈化鋼液，出鋼時(shí)鋼水進(jìn)行鋁脫氧和合金化，并加入適量的合成渣。VD抽真空操作，要求進(jìn)泵速度均勻平衡，合理控制抽真空度起始溫度和過程溫降，真空度50 Pa以下保持時(shí)間不低于10 min。采用撓性引錠桿連鑄機(jī)澆鑄鋼坯，采用優(yōu)選結(jié)晶器保護(hù)渣、浸入式水口等措施以實(shí)現(xiàn)連鑄全過程保護(hù)澆鑄，過熱度控制目標(biāo)不超過30℃，實(shí)際控制范圍在21～26℃之間，拉速控制目標(biāo)0.70 m/min，拉速波動(dòng)不超過±0.05 m/min，保證澆鑄狀態(tài)穩(wěn)定，從而獲得優(yōu)質(zhì)鑄坯。

◆熱加工

連鑄坯采用緩冷保溫工藝。鋼坯加熱采用一定配比的焦?fàn)t和高爐混合煤氣為燃料，在連續(xù)加熱爐中加熱。加熱工藝控制以保證鋼坯各部位溫度均勻、碳及合金元素有效擴(kuò)散、避免晶粒粗大為原則。鋼坯軋制分初軋機(jī)軋制中間坯和連軋機(jī)組軋制成品圓鋼兩個(gè)連續(xù)的過程進(jìn)行，初軋開始溫度、進(jìn)連軋前溫度和終軋溫度均需加以控制。鋼材軋后采用緩冷工藝，鋼材溫度600 ℃以上入保溫坑保溫。采用漏磁探傷儀檢查鋼材表面缺陷，超聲波探傷儀檢查鋼材內(nèi)部缺陷，對(duì)有缺陷的鋼材進(jìn)行扒皮或修磨處理。

試制鋼材檢測(cè)結(jié)果

BMQ80MnCr鋼首批試制合同45 t，鋼材規(guī)格φ90 mm，用于生產(chǎn)φ130 mm磨球。生產(chǎn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分述如下。

◆ 化學(xué)成分

BMQ80MnCr試驗(yàn)鋼的成品化學(xué)成分分析結(jié)果列于表2。

◆ 低倍組織

低倍組織級(jí)別見表3。低倍組織照片見圖1。

◆ 非金屬夾雜物

鋼的非金屬夾雜物檢驗(yàn)隨后數(shù)據(jù)見表4。

◆ 晶粒度

鋼材的奧氏體晶粒度10級(jí)。

◆ 軋后組織

鋼材軋制保溫后為鐵素體加珠光體組織，照片見圖2。

◆ 鋼材硬度

軋后鋼材硬度29.5～31 HRC。

◆超聲波探傷

全部鋼材超聲波探傷達(dá)到A級(jí)質(zhì)量水平。

圖1 低倍組織

圖2 鋼材熱軋狀態(tài)組織

試制結(jié)果分析

鋼材化學(xué)成分達(dá)到控制要求，P含量0.013%、S含量0.009%，O含量10×10?6，非金屬夾雜物≤1.0級(jí)，表明鋼質(zhì)純凈度較好。鋼材低倍組織≤0.5級(jí)，超聲波探傷全部達(dá)到A級(jí)水平，晶粒度10級(jí)，表明鋼材致密度達(dá)到較好的水平。鋼材軋后組織為鐵素體加珠光體組織，鋼材硬度29.5～31HRC，無馬氏體等其它組織的出現(xiàn)，表明軋制及保溫工藝控制合理，為鋼材鍛造加工提供了良好的原始組織狀態(tài)。

鋼球性能測(cè)試

鋼球組織和硬度

BMQ80MnCr鋼采用鍛造工藝生產(chǎn)鋼球，其生產(chǎn)工藝為：下料→中頻爐加熱→鍛造成球→淬火→回火→檢測(cè)→包裝發(fā)貨。

表2 BMQ80MnCr鋼熔煉成分，1爐（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表3 BMQ80MnCr鋼的低倍組織

因?yàn)殇撉蛴捕瘸撕突瘜W(xué)元素有關(guān)外，還與組織類型有關(guān)，其中馬氏體組織是硬度最大的一種常規(guī)組織。鍛造后采用淬火、回火處理，即是為了獲得馬氏體組織和由鋼球外表面至鋼球心部較高的硬度。

圖3為鋼球的組織照片，其組織基體為馬氏體組織，另有少量的貝氏體和殘余奧氏體。

沿外圓向球心剖開鋼球，從鋼球外表面至鋼球心部每間隔10 mm左右依次測(cè)試各不同位置硬度值，結(jié)果見表5。

表4 BMQ80MnCr鋼的非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

表5中數(shù)據(jù)表面，磨球表面至球心硬度梯度合理，達(dá)到高硬度高耐磨磨球硬度要求。

圖3 鋼球組織

表5 BMQ80MnCr鋼球硬度檢測(cè)結(jié)果 /級(jí)

落球沖擊疲勞壽命

落球沖擊疲勞壽命試驗(yàn)是將規(guī)定數(shù)量的成品磨球循環(huán)提升至一定高度（鍛球標(biāo)準(zhǔn)為3.5 m，本試驗(yàn)為7.5 m），反復(fù)沖擊硬質(zhì)地表，測(cè)試磨球失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。鑄造磨球國(guó)標(biāo)規(guī)定的落球沖擊疲勞壽命不低于8000次。本測(cè)試達(dá)到12000次時(shí)所有試驗(yàn)?zāi)デ蚓从衅茡p，因試驗(yàn)周期原因停止測(cè)試。BMQ80MnCr磨球12000次以上的落球沖擊疲勞壽命超過了高Cr鑄造磨球10000次左右的疲勞壽命，耐疲勞性能優(yōu)異。

破碎率和失圓率

鋼球主要失效形式為破碎和失圓。鋼球在使用過程中破碎成兩半或破碎面積超過鋼球總面積1/3以上稱為破碎球。鋼球在使用過程中的破碎球總量和總用球量的百分比稱為破碎率（碎球率）。磨球破碎后即從球磨機(jī)中排出，無法繼續(xù)使用。

目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都沒有做出失圓和失圓率的規(guī)定。但國(guó)外規(guī)定鋼球在使用2000 h以后經(jīng)檢測(cè)失圓大于7%即為失圓。其計(jì)算公示如下。

失圓（偏磨）＝（最大直徑?最小直徑）/平均直徑×100%。

鋼球失圓后降低了研磨效果，使磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量下降。

成品鋼球經(jīng)澳洲某廠試用，在球磨機(jī)工作達(dá)到2000h時(shí)既沒有破碎球出現(xiàn)，也沒有產(chǎn)生失圓，抗失效能力較強(qiáng)。

鐵礦石磨球球耗

礦山行業(yè)是耐磨鋼球的最大消耗行業(yè)，其消耗量占行業(yè)用耐磨球消耗總量的一半以上。磨球球耗是粉磨單位物質(zhì)（t）時(shí)磨球的實(shí)際消耗重量（kg）。成品鋼球外銷往澳洲某廠試用，經(jīng)實(shí)測(cè)，粉磨每噸礦石，磨球球耗為0.695 kg，低于同類產(chǎn)品0.73 kg的消耗水平，球耗較低。

結(jié)論

（1）BMQ80MnCr圓鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)合理，P含量0.013%、S含量0.009%，O含量10×10?6，低倍組織≤0.5級(jí)，非金屬夾雜物≤1.0級(jí)，晶粒度10級(jí)，超聲波探傷A級(jí)，并具有良好的加工使用性能。

（2）試驗(yàn)測(cè)試及生產(chǎn)實(shí)際表面，BMQ80MnCr鋼所產(chǎn)磨球球心到球表面硬度56.5～62.5HRC，落球沖擊疲勞壽命不低于12000次，粉磨每噸礦石球耗為0.695 kg，工作2000 h無破碎及失圓失效。綜合評(píng)價(jià)，抗失效能力強(qiáng)、疲勞壽命高、球耗低，超過高鉻鑄造磨球及同類產(chǎn)品水平，有利于降低合金及鋼鐵資源消耗，具有良好的推廣價(jià)值。

[1] 合金鋼手冊(cè)(上冊(cè)第1分冊(cè)). 北京: 中國(guó)工業(yè)出版社, 1971