球墨鑄鐵磨球及熱處理技術(shù)的應(yīng)用

姚鋒敏，史新民，李 綱

（1.尖山益達(dá)鑄造有限公司，山西太原 030022；2.北京英仁泰爾新材料科技有限公司，北京 100012）

人類對(duì)耐磨材料的系統(tǒng)研究已經(jīng)有一百多年的歷史。從高錳鋼、合金鋼、鎳硬鑄鐵、低、高鉻鑄鐵和球墨鑄鐵等不同類型的耐磨材料，都經(jīng)歷了研究、發(fā)展以及生產(chǎn)工藝不斷完善和改進(jìn)的基本過(guò)程。我國(guó)近幾十年來(lái)在高錳鋼強(qiáng)化、各種合金耐磨鋼、低鉻和高鉻鑄鐵、球墨鑄鐵等耐磨材料的系統(tǒng)研究和應(yīng)用方面都取得了很大成績(jī)和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。球磨機(jī)用磨球在耐磨材料中占有較大比重，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其生產(chǎn)工藝、設(shè)備條件以及質(zhì)量控制方面也都有很大的改善，大大降低了用戶易損件的消耗量和成本。

1 鑄造磨球的選材、工藝和性能

鑄造磨球是有色和冶金礦山、水泥建材、發(fā)電等行業(yè)應(yīng)用量極大的一種耐磨產(chǎn)品。目前我國(guó)磨機(jī)主要應(yīng)用的鑄球有：高低鉻鑄鐵磨球、球墨鑄鐵磨球及其他合金鑄球。

由于歷史原因，國(guó)內(nèi)目前冶金礦山、水泥和火電行業(yè)使用的球磨機(jī)磨球，特別是水泥和電力行業(yè)，主要還是以耐磨鑄鐵球?yàn)橹黧w，約占總需求量的90%以上。隨著球磨機(jī)和磨球直徑向大型化方向發(fā)展，磨球的需求呈多樣化趨勢(shì)。

1.1 低鉻鑄鐵磨球

低鉻鑄鐵磨球采用低鉻白口鑄鐵，含鉻量一般在1%～3%，一般采用鐵模澆鑄工藝。低鉻鑄鐵鑄造磨球由于其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，合金含量低，對(duì)工人技能和生產(chǎn)條件要求低，使得其價(jià)格較為便宜。低鉻鑄鐵在上世紀(jì)七十年代以來(lái)曾是我國(guó)普遍采用的一種鑄造磨球材料。

低鉻鑄鐵磨球仍然具有一定市場(chǎng)份額，主要是因?yàn)閮r(jià)格較便宜，對(duì)一些性能指標(biāo)要求不高的小磨機(jī)，還有一定市場(chǎng)。但其具有一定缺陷，主要是：

1）硬度低，韌性差，磨耗高。低鉻磨球硬度HRC≥45，沖擊韌性≥2 J/cm2；據(jù)國(guó)內(nèi)各選礦廠常年磨耗統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)用的低鉻鑄鐵磨球在有色合金銅礦中的平均磨耗為：0.8 kg/t～1.0 kg/t.鐵礦約為：1.2 kg/t～1.5 kg/t，磨耗較高。

2）易破碎和失圓。由于低鉻鑄鐵磨球硬度偏低，易失圓，破碎率高，并容易造成磨機(jī)隔子板堵塞，使研磨效率大大降低，如圖1 所示。

圖1 破碎和失圓的低鉻磨球

3）低鉻磨球中仍含有一定量的鉻，而鉻是我國(guó)的稀缺元素，磨球的消耗伴隨著鉻元素的徹底消失。

隨著礦山領(lǐng)域球磨機(jī)的尺寸愈來(lái)愈大，對(duì)磨球的抗破碎能力、磨耗以及節(jié)能要求愈來(lái)愈高，低鉻鑄鐵磨球暴露出來(lái)的使用問(wèn)題愈加突出，因此，低鉻鑄鐵磨球目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比逐漸減少。

1.2 高鉻鑄鐵磨球

高鉻鑄鐵磨球選用高鉻白口鑄鐵，含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10%～13%，絕大多數(shù)采用鐵模覆砂生產(chǎn)工藝，并進(jìn)行油淬+回火熱處理工藝。高鉻鑄鐵磨球加入鉻后，增加了磨球的淬透性，提高了磨球的硬度。高鉻磨球在水泥和和冶金礦山行業(yè)應(yīng)用廣泛，得到了業(yè)界的普遍認(rèn)可。其具有如下特點(diǎn)：

1）硬度高：根據(jù)國(guó)內(nèi)礦山高鉻磨球生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，高鉻磨球表面硬度一般達(dá)到HRC56 以上，沖擊韌性≥3 J/cm2.

2）價(jià)格較高：由于其加入了大量的鉻合金，使得成本比低鉻磨球大大提高。

高鉻鑄球的硬度比低鉻磨球高，韌性也比低鉻鑄鐵磨球好。目前，國(guó)內(nèi)外磨球市場(chǎng)中，相對(duì)于低鉻鑄鐵磨球高鉻鑄鐵磨球的市場(chǎng)占比逐漸增長(zhǎng)。但是，采用高鉻鑄鐵磨球，也存在兩大問(wèn)題：

1）鉻是一種貴重合金元素：磨掉損失的鉻元素?zé)o法回收，通過(guò)尾礦排放到大自然中去。我國(guó)鉻元素的資源比較缺乏，絕大部分靠進(jìn)口。從世界資源保護(hù)的角度和將來(lái)鉻合金價(jià)格的市場(chǎng)波動(dòng)潛在可能性來(lái)看，作為一種工業(yè)長(zhǎng)期應(yīng)用和大量消耗的磨球產(chǎn)品，采用高鉻合金元素作為磨球材料不是一種理想的技術(shù)方向。

2）高鉻鑄鐵磨球的韌性雖然比低鉻鑄鐵磨球要稍高一些，但仍然不能滿足大型球磨機(jī)以及半自磨機(jī)對(duì)大直徑磨球韌性和抗破碎能力的要求。由于合金含量較高，韌性尚嫌不足，因此，其市場(chǎng)占有份額也受到一定限制。

1.3 球墨鑄鐵磨球

最近十幾年來(lái)，我國(guó)在研究國(guó)內(nèi)外磨球材料發(fā)展的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種采用球墨鑄鐵材料來(lái)制作球磨機(jī)磨球，取得了明顯的效果。其中，比較有代表性的是Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球以及等溫淬火球墨鑄鐵磨球。球墨鑄鐵磨球可采用鐵模覆砂工藝生產(chǎn)，采用油淬回火、水基淬火回火或等溫?zé)崽幚砉に嚒Ｓ捎谇蚰T鐵磨球中碳以球狀石墨的形態(tài)存在，有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此具有較好的沖擊韌性。通過(guò)合理的化學(xué)成分構(gòu)成，有效的孕育球化及熱處理工藝來(lái)調(diào)節(jié)基體組織，可以使得球墨鑄鐵基體的綜合力學(xué)性能更好。

球墨鑄鐵磨球中存在著大量的球形石墨，有利于減輕外力對(duì)基體的沖擊和吸收大量的沖擊功，同時(shí)球形石墨有利于終止基體組織中微裂紋的延伸和擴(kuò)展，有較好的抗破碎能力。因此對(duì)于球墨鑄鐵磨球的球化率和球化等級(jí)要求較高，越好的石墨等級(jí)越有利于球墨鑄鐵磨球具有較好的性能。

Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球就是通過(guò)加入硅錳合金來(lái)調(diào)整石墨球化和淬火性，使得球墨鑄鐵磨球在保證較低的成本前提下具有較高的硬度和沖擊韌性指標(biāo)。

目前球墨鑄鐵磨球熱處理采用的淬火介質(zhì)有：油淬火、鹽浴淬火和水基淬火，油淬火和鹽浴淬火均對(duì)環(huán)境有一定污染，需要投入大量環(huán)保設(shè)備以確保將污染降低到最低水平。水基淬火相對(duì)而言更環(huán)保。國(guó)內(nèi)目前采用的各種磨球情況對(duì)照如表1 所示。

表1 國(guó)內(nèi)目前采用的各種磨球?qū)Ρ?/p>

2 球墨鑄鐵磨球材料和熱處理工藝

當(dāng)前磨球的使用領(lǐng)域主要在礦山、水泥、電力行業(yè)，磨球市場(chǎng)面臨著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，磨球生產(chǎn)對(duì)成本的壓力也愈來(lái)愈大，迫切需要高性價(jià)比的磨球產(chǎn)品。這就對(duì)磨球材料及成分的選擇提出了更高的要求，限制了貴重合金的使用。

2.1 球墨鑄鐵磨球的制約因素

近年來(lái)奧貝球墨鑄鐵（ADI、CADI）以其優(yōu)異的力學(xué)性能在磨球材料選擇方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是要想穩(wěn)定生產(chǎn)出優(yōu)異的ADI 或CADI 磨球，具有兩個(gè)重要的制約因素：

1）加入貴重合金元素。由于磨球淬透性的原因，為保證磨球內(nèi)外組織的均勻性和生產(chǎn)的穩(wěn)定性，當(dāng)磨球直徑大于80 mm 的情況下，傳統(tǒng)球墨鑄鐵球必須添加諸如Mo、Cu 等貴重合金元素，并且隨著磨球直徑的增加合金元素的添加量也必須隨之增加，大大提高了傳統(tǒng)球墨鑄鐵磨球的生產(chǎn)成本。

2）鹽浴等溫?zé)崽幚怼Ｔ诩尤胭F重合金元素的情況下，穩(wěn)定地獲得奧貝組織，必須對(duì)磨球進(jìn)行鹽浴等溫處理。由于鹽浴等溫裝備的投入巨大，且鹽浴的熔化和保溫需要消耗大量電能，同時(shí)鹽池容積有限，造成生產(chǎn)不能有效地連續(xù)運(yùn)行，使得生產(chǎn)周期加長(zhǎng)，生產(chǎn)成本提高。同時(shí)由于硝酸鹽的加熱可分解為亞硝酸鹽，會(huì)對(duì)環(huán)境和操作人員造成不良影響，為達(dá)到環(huán)保要求必須投入相應(yīng)的環(huán)保設(shè)備，進(jìn)一步增加了成本。

所以，成本高昂和環(huán)保問(wèn)題是傳統(tǒng)ADI 和CADI 發(fā)展的兩個(gè)重要的限制因素。

2.2 Si-Mn 合金球墨鑄鐵磨球

要克服傳統(tǒng)生產(chǎn)奧貝球鐵磨球過(guò)程中存在的不足，首先就需要從材料上尋找廉價(jià)的合金組合來(lái)替代Mo、Cu 等貴重合金元素。通過(guò)多年來(lái)的實(shí)踐研究和改進(jìn)，用Si-Mn 元素替代Cu、Mo 等貴重合金元素，以恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分組合生產(chǎn)制造球墨鑄鐵磨球，比較好地解決了上述問(wèn)題。

Mn 是較廉價(jià)的合金元素之一，其作用能象Cu、Mo 一樣擴(kuò)大奧氏體區(qū)，使C 曲線右移，從而增加淬透性，有利于貝氏體、馬氏體形成。但是Mn 又是反石墨化元素，且易產(chǎn)生正偏析，促進(jìn)在共晶團(tuán)邊界產(chǎn)生碳化物，使硬度偏高而韌性下降。Si 也是一種廉價(jià)的合金元素，是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素，加入適量的硅，可以有效地抑制由于加入Mn 而帶來(lái)的碳化物析出和韌性降低。生產(chǎn)制造過(guò)程中，還要嚴(yán)格控制孕育和球化質(zhì)量。這樣就使新型Si-Mn 合金化球墨鑄鐵成為一種新興磨球材料，以廉價(jià)的金屬元素替代昂貴的合金。其材料成分如表2 所示。

表2 Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.3 Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球淬火介質(zhì)的選擇

球墨鑄鐵磨球使用的淬火介質(zhì)應(yīng)具有以下兩個(gè)特性：1）淬火介質(zhì)在磨球高溫階段具有快速的冷卻速度；2）淬火介質(zhì)在磨球低溫階段具有緩慢的冷卻速度。

常用冷卻介質(zhì)中，冷卻速度較快的介質(zhì)是水。磨球在水中淬火，高溫階段冷卻速度快，但在低溫馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域過(guò)快冷卻速度會(huì)造成磨球開(kāi)裂；傳統(tǒng)的球墨鑄鐵磨球使用淬火油淬火，雖然在低溫階段具有較慢的冷卻速度，但高溫階段冷卻速度并不理想；理想的淬火介質(zhì)應(yīng)該在高溫階段具有水一樣的快速冷卻速度，而在低溫階段具有淬火油一樣緩慢的冷卻速度。

水基淬火介質(zhì)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型淬火介質(zhì)，一般為高分子聚合物，無(wú)限溶解于水。其在磨球高溫階段冷卻速度快，而在低溫階段具有較慢的冷卻速度，冷卻數(shù)據(jù)如圖2 和表3 所示。

圖2 水基淬火介質(zhì)的冷卻曲線

表3 水基淬火介質(zhì)的冷卻數(shù)據(jù)

水基淬火劑為粘稠液體，色白或微黃，比重略大于水為1.05～1.1，弱堿性（PH 值為7～9）.由于分子鏈之間鍵合力很強(qiáng)，在淬火冷卻使用中不易斷鏈，耐老化，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)Si-Mn 合金化的球墨鑄鐵球是一種優(yōu)越的淬火介質(zhì)。

通過(guò)控制水基淬火介質(zhì)的濃度，調(diào)整淬火液溫度，控制淬火時(shí)間等多種手段可以實(shí)現(xiàn)Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球的淬火過(guò)程符合磨球基體組織轉(zhuǎn)變的要求，使得磨球性能最終達(dá)到甚至超過(guò)傳統(tǒng)球墨鑄鐵磨球。

2.4 Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球的熱處理過(guò)程

Si-Mn 合金化球墨鑄鐵的熱處理過(guò)程與其他球墨鑄鐵類似，大體上分為加熱、淬火處理、回火或等溫三個(gè)階段。其加熱過(guò)程曲線如圖3 所示。

圖3 Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球加熱曲線

低溫階段加熱應(yīng)緩慢充分，到達(dá)奧氏體化溫度后要有適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間，為碳及相關(guān)合金元素的擴(kuò)散創(chuàng)造有利的條件，通過(guò)調(diào)整奧氏體化溫度和保溫時(shí)間來(lái)微調(diào)淬火以后金相組織的變化，以滿足不同工況對(duì)磨球性能的需求。Si-Mn 合金化球墨鑄鐵球入液后要迅速通過(guò)C 曲線珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)。淬火后期低溫階段要緩慢冷卻，進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。

通過(guò)嚴(yán)格選擇冷卻介質(zhì)，確保冷卻特性符合工藝要求、控制磨球出入液溫度及時(shí)間等工藝參數(shù)，來(lái)達(dá)到對(duì)淬火過(guò)程的有效控制。淬火處理以后的磨球由于組織轉(zhuǎn)變導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力很大，此時(shí)磨球脆性較大，要求及時(shí)進(jìn)入回火階段進(jìn)行較為充分的回火。回火對(duì)Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球的韌性提高和性能穩(wěn)定具有非常重要地意義。其回火曲線如圖4 所示。

圖4 Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球回火曲線

2.5 Si-Mn 合金球墨鑄鐵磨球組織及性能

要做好Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球，首先要將球墨鑄鐵磨球的球化做好，石墨球大小和數(shù)量均勻，球化等級(jí)要追求做到Ⅰ-Ⅱ級(jí)，如圖5、圖6 所示。整個(gè)熱處理過(guò)程結(jié)合磨球化學(xué)成分，制訂科學(xué)的熱處理工藝，合理控制基體馬氏體、貝氏體、碳化物和殘余奧氏體數(shù)量、形態(tài)及分布。

圖5 磨球表面位置球化金相圖50×

圖6 磨球0.5R 位置石墨球金相圖

合適的金相組織才能實(shí)現(xiàn)合適的磨球性能。Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球理想的金相組織以馬氏體和少量貝氏體為基體+適量殘余奧氏體和碳化物+石墨球。具體金相組織如圖7 和圖8 所示。

圖7 磨球表面位置金相圖1 000×

圖8 磨球0.5R 位置金相圖1 000×

通過(guò)金相分析可知，從表面到內(nèi)部組織都由石墨球（球化效果良好）、馬氏體、奧氏體和部分碳化物組成，組織均勻性較好，可以使鑄球各部分力學(xué)性能較為均勻（如硬度）。表4 為經(jīng)水基淬火介質(zhì)淬火并回火處理的φ100 mm 球墨鑄鐵磨球性能。圖9 為磨球硬度檢測(cè)位置。

圖9 磨球硬度檢測(cè)位置圖

Si-Mn 合金化球墨鑄鐵具有良好的淬透性，通過(guò)表4 可發(fā)現(xiàn)磨球心部硬度達(dá)到HRC51 左右，說(shuō)明心部已經(jīng)淬透。球心與球表面硬度差僅有2HRC左右，說(shuō)明硬度分布比較均勻。該磨球存在加工硬化功能，磨球運(yùn)行一段時(shí)間后，表面的殘余奧氏體組織在外力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，表面硬度提高，硬度可達(dá)HRC58.良好的沖擊韌性可使落球次數(shù)達(dá)到20 000 次耐不破碎。

表4 Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球性能

Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球兼具高硬度和高韌性的特點(diǎn)，該種磨球在中國(guó)黃金下屬礦山直徑8.8M磨機(jī)上應(yīng)用取得成功，開(kāi)創(chuàng)了鑄造磨球在大型半自磨機(jī)上應(yīng)用的先例。該種磨球在太鋼袁家村鐵礦的φ10.37 m×5.49 m 半自磨機(jī)上進(jìn)行了適應(yīng)性應(yīng)用，根據(jù)袁家村礦選礦部出具的報(bào)告，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期要求。磨球平均硬度HRC51.3，碎球率1%與原有磨球相近。鑄球適應(yīng)性應(yīng)用期間，袁家村礦一系列半自磨處理量穩(wěn)定在950 t/h，運(yùn)行功率介于6 065 kW～7 985 kW，一段旋流器溢流粒度穩(wěn)定率96.04%，生產(chǎn)工藝指標(biāo)正常。

3 球墨鑄鐵磨球熱處理裝備

針對(duì)Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球的特性，熱處理裝備要具有高性價(jià)比和生產(chǎn)運(yùn)行低成本的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年的努力，研發(fā)出熱處理自動(dòng)線，磨球水基熱處理生產(chǎn)自動(dòng)線系統(tǒng)如圖10 所示。該熱處理自動(dòng)線由料筐返回與磨球預(yù)熱系統(tǒng)、氣體保護(hù)加熱保溫爐、水基淬火處理中心、變頻調(diào)速網(wǎng)帶回火（等溫）爐及自動(dòng)控制檢測(cè)系統(tǒng)五部分組成。目前有年產(chǎn)2 萬(wàn)噸水基淬火熱處理機(jī)組、大球水基淬火熱處理自動(dòng)線、小球水基淬火熱處理自動(dòng)線三種規(guī)格的生產(chǎn)線。

圖10 Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球水基熱處理自動(dòng)線

該熱處理自動(dòng)線加熱部分采用料筐裝球，料筐在封閉軌道內(nèi)按設(shè)置好的推料節(jié)拍自動(dòng)推料運(yùn)行，將整個(gè)加熱過(guò)程分為預(yù)熱和加熱兩個(gè)獨(dú)立的單元，其中高溫加熱單元采用了爐內(nèi)氣體保護(hù)，減少了磨球氧化脫碳。磨球進(jìn)入水基淬火單元后要控制磨球和淬火介質(zhì)溫度，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)。該熱處理線配備了水基介質(zhì)自動(dòng)控制冷卻加熱系統(tǒng)、磨球溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使水基介質(zhì)與磨球溫度實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，較好地解決了磨球淬火過(guò)程的控制保障問(wèn)題。回火采用變頻調(diào)速網(wǎng)帶爐，該網(wǎng)帶爐溫度控制精確，使磨球均勻地分布在網(wǎng)帶上，與傳統(tǒng)的磨球回火爐相比節(jié)省了料筐成本和能源消耗，回火完成的磨球從網(wǎng)帶爐直接落入料斗。

磨球水基淬火熱處理自動(dòng)線，除了可以完成Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球的連續(xù)冷卻+回火工藝外，還可以模擬接近等溫處理過(guò)程，也可以處理高、低鉻等其他材質(zhì)磨球。

4 結(jié)論

通過(guò)近幾年對(duì)Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球的研究，可以得出以下結(jié)論：

1）球墨鑄鐵磨球表面硬度與高鉻合金磨球接近，但沖擊韌性指標(biāo)更高，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看更具優(yōu)勢(shì)；

2）球墨鑄鐵磨球使用較便宜的Si、Mn 等元素替代稀有昂貴的Mo、Cu 等合金元素，降低了磨球生產(chǎn)成本；

3）球墨鑄鐵磨球通過(guò)控制石墨球的球化工藝，合理調(diào)整Si/Mn 含量，可以保證磨球基體性能；

4）選擇新型環(huán)保水基淬火介質(zhì)及合理的熱處理工藝，可以使Si-Mn 合金化的球墨鑄鐵球具有較好的性能指標(biāo)；

5）實(shí)踐證明Si-Mn 合金化球墨鑄鐵磨球用在大型半自磨機(jī)上效果良好。