軋制磨球的選材及制造研究現(xiàn)狀

董志超，宮本奎

（山東理工大學(xué)　材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東　淄博255049）

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生產(chǎn)技術(shù)

軋制磨球的選材及制造研究現(xiàn)狀

董志超，宮本奎

（山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東淄博255049）

摘要：介紹了軋制磨球的材料、性能及其制造工藝，分析了軋制磨球的發(fā)展趨勢。軋制磨球向高碳低合金鋼、高碳中錳鋼、合金白口鑄鐵等多元化發(fā)展，高效率、高質(zhì)量是軋制磨球生產(chǎn)線的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：軋制磨球；選材；制造工藝

1　前　言

磨球是球磨機(jī)的磨料介質(zhì)，屬于易損消耗品。常見的磨球生產(chǎn)方式主要有鑄造、鍛造、軋制等，磨球在電力、礦山、化工、冶金等行業(yè)中消耗量巨大，全球年消耗量在500萬～600萬t［1］。隨著磨球行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，常用的鍛造球、鑄造球?qū)辖鹪匦枨罅看?、成本高、力學(xué)性能不穩(wěn)定等，已不能滿足市場需求［2］。軋制工藝生產(chǎn)的磨球具有效率高、成本低、材料利用率高、軋制球型好等特點，具有高強(qiáng)度、高硬度、抗沖擊等優(yōu)良的綜合性能，能夠滿足國內(nèi)外磨球市場的使用要求，有較高的性價比［3］。本研究介紹了軋制磨球的材料、性能和生產(chǎn)工藝，分析了軋制磨球的發(fā)展現(xiàn)狀。

2　軋制磨球的選材及性能

軋制磨球的材料主要為碳鋼，含少量合金元素的低碳鋼類鍛軋磨球組織多為珠光體，硬度低、耐磨性能較差，現(xiàn)已逐漸被淘汰。目前，國內(nèi)外主要選用高、中碳鋼和中碳、高碳低合金鋼作為軋制磨球材料。為了改善碳鋼類鍛軋球的使用性能，通常選擇增加含碳量來提高磨球的硬度與耐磨性能。但碳含量并不是越高越好，磨球碳含量過高易出現(xiàn)淬裂以及淬火硬度不均勻的情況。一般情況下，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.6%～0.8%。為了得到性能穩(wěn)定的磨球，在高碳鋼中加入合金元素以改善淬透性，使磨球組織硬度均勻。國內(nèi)以中碳鋼和中錳鋼為材質(zhì)鍛軋生產(chǎn)的磨球，硬度可達(dá)48～60 HRC，沖擊韌性4 J/cm2，力學(xué)性能較好［4］；以高碳低合金鋼為材質(zhì)生產(chǎn)的Φ65軋制磨球表面硬度在65 HRC，體積硬度62 HRC，沖擊韌性20 J/cm2，在銅礦濕磨環(huán)境下使用良好［5］。

除碳鋼類軋制磨球以外，國內(nèi)有人提出了將白口鐵加熱工藝和斜軋制球工藝結(jié)合起來，進(jìn)行斜軋白口鑄鐵磨球的研制。劉建華［6］以低合金白口鑄鐵為材質(zhì)軋制的磨球，其主要組織為回火馬氏體和共晶碳化物，組織致密，硬度在55～58 HRC，沖擊韌性＞3.5 J/cm2，可抗小能量沖擊，性能良好。另外，由于奧氏體—貝氏體球墨鑄鐵具有高硬度、高強(qiáng)度、良好的韌性以及抗疲勞等特點，季誠昌［7］研制的Φ 35～Φ60 mm、基體組織以馬氏體和貝氏體為主的球墨鑄鐵軋球，硬度可達(dá)55 HRC，沖擊韌性30 J/cm2，機(jī)械性能良好。磨球的性能主要由材質(zhì)和成形工藝決定，其相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 091—2005《鍛（軋）鋼球》中對軋制磨球的成分和力學(xué)性能都有規(guī)定。我國幾種鍛軋磨球的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1［6-8］。

3　軋制磨球的制造工藝

3.1磨球的軋制

磨球的軋制工藝主要是螺旋孔型斜軋，又稱斜軋。與常用的鑄造、鍛造磨球生產(chǎn)形式相比，斜軋磨球工藝具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、軋球質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點。在磨球的軋制過程中，軋輥孔型的設(shè)計與軋制材質(zhì)形變程度直接相關(guān)，是影響磨球質(zhì)量的主要因素［9-10］。國內(nèi)在斜軋磨球成形理論和應(yīng)用方面，做了大量的深入研究，保證軋制工藝生產(chǎn)出高性能的磨球。劉洪斌［11］在螺旋孔型斜軋鋼球的塑性分析中采用流函數(shù)方法求解斜軋問題，通過分析軋制過程，獲得相關(guān)參數(shù)的計算公式。董洪智［12］分析了Φ30 mm的斜軋球墨鑄鐵磨球在軋制時連接頸的受力情況，得出了在軋制Φ30 mm的球墨鑄鐵磨球時，選用的軋輥直徑在Φ 290～Φ350 mm最合理。郭瑩［13］對磨球斜軋機(jī)軋輥螺旋孔型使用有限元方法進(jìn)行實體建模設(shè)計，克服了傳統(tǒng)軋輥設(shè)計復(fù)雜和精度低的缺點，為磨球的數(shù)控生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

表1　我國幾種鍛軋磨球的化學(xué)成分和力學(xué)性能

軋制磨球的質(zhì)量受軋制工藝的影響，軋制磨球的成形特點造成球邊緣部分形變量大，球心部形變量小，會出現(xiàn)組織不均勻，導(dǎo)致磨球強(qiáng)度較差。在磨球外觀上，由于棒材坯料的部分體積不受孔型的限制，會造成磨球出現(xiàn)工藝非圓面積。此外，磨球軋制溫度的控制對其性能的影響也至關(guān)重要。軋制溫度過低軋球坯料塑性差；軋制溫度過高，易致使組織晶粒粗大，韌性低。張東彬［14］以低鉻合金鋼為材質(zhì)，研究了不同斜軋溫度對軋制磨球組織和性能的影響，提出了1 100℃斜軋+噴水冷卻+（250～300）℃低溫回火的軋制磨球生產(chǎn)工藝，得到鋼球主要組織是回火針狀馬氏體和殘留奧氏體，硬度在62～64 HRC，沖擊韌性9 J/cm2。李慧［15］研究了1 040 ℃×40 min圓材加熱斜軋生產(chǎn)的1.85% C、5.86% Cr中鉻半鋼磨球，其抗沖擊破壞能力和耐磨性均好于同材料的鑄造球，其沖擊疲勞破壞實驗的落球次數(shù)可達(dá)38 000。許興軍［16］以高碳低合金鋼為材質(zhì)，采用軋制工藝生產(chǎn)規(guī)格為Φ50 mm的磨球，軋制溫度在980～1 050℃，終軋溫度在920～950℃，表面硬度可達(dá)67 HRC，心部硬度60 HRC，平均體積硬度可達(dá)66 HRC，且分布較均勻，沖擊韌性≥17 J/cm2。

3.2軋制磨球的熱處理

磨球軋制成形后，仍然有很高的溫度且分布不均勻，使得淬火時心部的溫度偏高而造成淬火軟點，導(dǎo)致硬度不足。磨球通過軋機(jī)后的溫度及熱處理工藝直接影響了磨球的組織和性能。為了降低磨球內(nèi)部的熱應(yīng)力，減少開裂，使磨球在淬火后硬度分布均勻，必須配以適當(dāng)?shù)臒崽幚硎鼓デ颢@得理想的組織和優(yōu)良的綜合性能，以滿足使用要求。根據(jù)軋制磨球的生產(chǎn)工藝特點，其熱處理方式一般采用軋后余熱進(jìn)行淬火處理。淬火后進(jìn)行低溫回火，目的是消除淬火產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，進(jìn)一步提高磨球的綜合性能。

軋制余熱淬火是一種高溫變形熱處理，在塑性狀態(tài)下進(jìn)行軋制，使塑性變形強(qiáng)化與熱處理相變強(qiáng)化結(jié)合，從而得到綜合性能良好的磨球。余熱淬火工藝具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源等優(yōu)點。軋制磨球要獲得軋制余熱淬火良好的工藝效果，要保證終軋溫度、淬火溫度和適合的低溫回火溫度。彭彩欣［17］采用余熱淬火和余熱回火的方法對球磨機(jī)濕磨用Φ 65 mm軋制鋼球進(jìn)行熱處理，終軋溫度950～980℃，淬火溫度820～850℃，淬火終止溫度140～150℃，回火溫度為150～180℃。得到鋼球的表面硬度達(dá)64.5 HRC，沖擊韌性20 J/cm2，疲勞壽命超過30 000次。郭玉明、常立民［18-19］研究表明，低鉻白口鑄鐵經(jīng)1 000℃×40 min加熱后軋制成球，采用軋后空冷和200℃×2 h回火處理的余熱熱處理方式可以提高斜軋低鉻白口鑄鐵磨球的耐磨性和抗沖擊破壞能力。于升學(xué)［20］研究了半鋼經(jīng)1 000℃×40 min加熱后軋制成Φ50 mm的磨球，經(jīng)余熱風(fēng)冷＋550℃×2 h回火，得到的半鋼磨球硬度在48 HRC，疲勞壽命超過38 000次以上，耐磨性能和抗沖擊破壞能力良好。

4　軋制磨球的發(fā)展

1）軋制磨球的選材向高碳低合金鋼、高碳中錳鋼、合金白口鑄鐵等多元化發(fā)展。2）軋制磨球在生產(chǎn)工藝上向高效率、高自動化方向發(fā)展，充分利用計算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢對軋球生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。3）軋制磨球具備高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨以及較好的耐腐蝕性能，可在工況復(fù)雜和性能需求較高的條件下使用。隨著軋制磨球的材質(zhì)、工藝等方面研究的進(jìn)一步發(fā)展，高效率、高質(zhì)量是軋制磨球生產(chǎn)線的發(fā)展方向。

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Material Selection and Manufacture of Rolling Grinding Ball

DONG Zhichao, GONG Benkui

（College of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China）

Abstract:The material selection and properties, manufacture technology of rolling grinding ball is introduced. The development trend of rolling grinding ball is analyzed. The materials of rolling grinding ball to high carbon low alloy steel, high carbon and medium manganese steel, alloy white cast iron in diversified development. High efficiency and high quality is the development direction of rolling grinding ball production line.

Key words:rolling grinding ball; material selection; manufacture technology

中圖分類號：TG335.6+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4620（2016）02-0004-03

收稿日期：2016-02-23

作者簡介：董志超，男，1989年生，山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2013級碩士研究生，研究方向為先進(jìn)金屬材料。