一种高碳含稀土耐磨钢球及其制造方法技术

技术编号：44894021 阅读：9 留言：0更新日期：2025-04-08 00:33

一种高碳含稀土耐磨钢球及其制造方法，属于金属材料领域。耐磨钢球主要成分的重量百分比为：C:0.6～0.7%、Si:0.7～0.9%、Mn:0.8～1.0%、Cr:0.6～0.8%、Al:0.02～0.04%、P:<0.025%、S:<0.025%、RE:0.01～0.05%、熔体O≤10ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明专利技术中的含稀土耐磨钢球通过引入稀土元素，采用一火成材结合QP热处理工艺，最终获得表面处细小均匀的马氏体和残余奥氏体组织，心部处为马氏体、残余奥氏体和珠光体混合组织，钢球表面的硬度≥58HRC，室温无缺口冲击功≥40J。表现出高硬度，良好冲击韧性和耐磨性。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属耐磨材料，涉及一种表面处室温组织为马氏体和残余奥氏体，心部处室温组织为马氏体、残余奥氏体和珠光体的耐磨钢球，同时具有高硬度、良好韧性和高耐磨性的耐磨钢球及其制造方法。

技术介绍

1、耐磨钢球作为研磨机消耗品，主要用于矿山、水泥、冶金、火力发电等工业领域。全世界每年钢球的消耗量在3000～5000万吨，其中，中国钢球消耗量在300～500万吨，是钢球消耗大国。锻造磨球通过空气锤自由锻方式将坯料锻打成球，生产工序简单，生产效率高，能耗低。磨球在磨机内运行被磨至40～50mm直径时，磨机会将其排出，因此需要耐磨钢球表面处高硬度、高耐磨性，钢球心部处高冲击韧性，避免钢球服役时耐磨性差、易破碎。国内外大直径锻造磨球发展时间悠久，为改善钢球性能研究者先后使用碳钢、20mn2、20mnvb和18cr2ni4wa，之后使用中碳合金钢45mn、40crnimoa和高碳低合金钢ggr4、ggr15、ggr15simn进一步提升钢球硬度。

2、稀土元素作为微合金化元素，可细化晶粒，净化钢液，改性夹杂物，提升钢的韧性和耐磨性。稀土元素中la和ce元素因成本低广泛应用于稀土钢中。re在碳钢存在形式多为（1）偏聚于晶界处。晶界处偏聚的la和ce元素降低界面张力和晶粒长大驱动力，抑制晶粒长大。同时避免p、s等有害元素聚集于晶界处，净化晶界，强化晶界。（2）固溶于铁碳合金中。稀土元素la和ce元素可固溶于α-fe和mc中，其中la可固溶至fe3c增加fe3c晶格常数，提高渗碳体的强度和稳定性。ce元素可固溶于γ-fe产生固溶强化作

3、中国专利申请cn 105838987a公开了一种斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，其特征在于所述耐磨钢的化学成分按质量百分比计，c:0.35～0.45%，si:1.20～1.60%，mn:1.00～1.40%，cr:0.70～0.90%、mo:0.15～0.25%，cu:0.40～0.60%，re:0.05～0.10%，p:0～0.025%，s:0～0.025%，其余为fe及不可避免的杂质，制得挖掘机斗齿表面硬度为50～55hrc，冲击值为30～35j/cm2，在添加re同时添加mo、cu等合金元素，成本提升，cu含量超过0.5wt.%，斗齿钢塑性显著降低，过多的稀土元素会形成危害性第二相，提升钢的脆性。中国专利申请cn 201610146743.9公开了一种稀土掺杂低铬耐磨钢球及其制备方法，其特征在于所述耐磨钢球的化学成分按重量百分数计，c:0.5～1%，cr:0.46%，mn:2.1%，si:0.25%，v:0.07%，ti:0.06～0.09%，稀土:0.08%，mg:1.3%，余料为fe。其制备方法的步骤为:熔炼、浇注和油淬火，冲击值可达90～118j/cm2。该专利制备流程繁琐，油淬前获得铸球的冷却时间长，对模型要求高。添加合金元素mg元素同时增加生产成本。中国专利申请201110268764.5公开了一种稀土处理的高韧性耐磨钢板，其特征是，钢板的材质含有下列质量百分比的化学成分: c:0.10～0.30%， si:0.20～0.70%，mn:1.00～1.60 %, nb:0.01～0.03%, ti:0.01～0.05%, b:0.0005～0.006%, re:0.01～0.30%， als:0.010～0.040 %， p≤0.025%，s≤0.010%,余量为fe，布氏硬度410～417hb，该专利未明确0.01～0.30wt.%的稀土添加量对于现有合金体系是否合适，是否过量，未明确稀土添加量的确定过程,过量的re易在钢中形成大尺寸夹杂物，降低冲击韧性。

技术实现思路

1、针对耐磨钢球高硬度和韧性好的要求，本专利技术在普通高碳钢耐磨钢球的基础上加入了稀土镧或铈元素，钢球表面处室温组织为马氏体和残余奥氏体，心部处为马氏体、残余奥氏体和珠光体混合组织，具有高硬度、良好塑韧性和高耐磨性。

2、本专利技术采用如下技术方案：一种高碳含稀土耐磨钢球，其化学成分重量百分比为：c:0.6～0.7%、si:0.7～0.9%、mn:0.8～1.0%、cr:0.6～0.8%、al:0.02～0.04%、p:<0.025%、s:<0.025%、re:0.01～0.05%，熔体o≤10ppm、稀土中o≤100ppm，余量为fe和不可避免的杂质。

3、本专利技术的另一种目的是提供含高碳含稀土耐磨钢球的制备方法，通过qp热处理工艺及一火成材的方式，具体包括以下步骤：

4、步骤1：按照所设计的成分称取原料，进行冶炼、铸造，得到铸锭。将铸锭在1130～1150℃保温2h，保温后锻造为圆钢，并进行定尺锯断成圆棒；

5、步骤2：将步骤1截取制得的圆钢在1150℃保温2h；

6、步骤3：将步骤2保温后的圆钢放至750kg空气锤自由锻，锻打成球形锻件，始锻温度为1150℃，终锻温度为1100℃；

7、步骤4：步骤3制得的钢球在810℃保温2.5h；

8、步骤5：步骤4制得的钢球在水温为35～40℃中淬火，返温温度180～210℃；

9、步骤6：步骤5制得的钢球在180～210℃保温6h。即得到含稀土耐磨钢球。

10、本专利技术中定量稀土元素的原理：

11、根据e2em（边-边匹配模型），misfit值用于描述两相中沿最密排晶向的原子间距错配度，mismatch值用于描述两相中沿最密排晶面的晶面间距错配度，第二相粒子的形核有效性可由粒子与凝固相间晶格参数差异性行预测，当misfit<10%且mismatch值<10%时，一个相可能成为另一相异质形核的核心。两相之间的原子间距错配度越小，一个相成为另一个相异质形核核心的可能性就越大。

12、原子间距错配度和面间距错配度由以下公式计算：

13、

14、

15、式中，fr为原子间距错配度；fd为基体沿（近）密排原子列的原子间距；rp为异质初生相沿（近）密排原子列的原子间距；fd为面间距错配度；dm为基体沿（近）密排原子列的面间距；dp为异质初生相沿（近）密排原子列的面间距。

16、根据上式，1500℃下la、ce加入钢液后的部分改性产物与耐磨钢球用钢凝固相（γ-铁素体）间错配度进行计算，结果如表1所示。

17、表1 采用e2em模型对γ-fe和la、ce的相关夹杂物之间错配度计算结果

18、

19、为明确不同la或ce添加量在钢中发挥的具体效果，利用factsage热力学软件对1500℃下la或ce改性该耐磨钢球用钢本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种高碳含稀土耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：C:0.6～0.7%、Si:0.7～0.9%、Mn:0.8～1.0%、Cr:0.6～0.8%、Al:0.02～0.04%、P:<0.025%、S:<0.025%、RE:0.01～0.05%、熔体O≤10ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高碳含稀土耐磨钢球，其特征在于，所述高碳含稀土耐磨钢球中的稀土元素为镧或铈，其中含镧耐磨钢球的表面洛氏硬度≥58HRC，心部洛氏硬度≥36HRC，表面处常温冲击韧性≥40J，心部常温冲击韧性≥100J。

3.根据权利要求1或2所述的高碳含稀土耐磨钢球，其特征在于，所述中碳含稀土耐磨钢球中的稀土元素为铈，其中含铈耐磨钢球的表面洛氏硬度≥58HRC，心部洛氏硬度≥36HRC，表面处常温冲击韧性≥45J，心部常温冲击韧性≥138J。

4.一种如权利要求1或2所述高碳含稀土耐磨钢球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

【技术特征摘要】

1.一种高碳含稀土耐磨钢球，其特征在于，所述耐磨钢球的化学成分按质量百分比计包括：c:0.6～0.7%、si:0.7～0.9%、mn:0.8～1.0%、cr:0.6～0.8%、al:0.02～0.04%、p:<0.025%、s:<0.025%、re:0.01～0.05%、熔体o≤10ppm，余量为fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高碳含稀土耐磨钢球，其特征在于，所述高碳含稀土耐磨钢球中的稀土元素为镧或铈，其中含镧耐...

【专利技术属性】
技术研发人员：于浩，郝百川，王子若，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：

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