高铬铸铁铸造磨球生产实践.pdf

2012年第5期 昆钢科技 Kungang Kej i 2012年11月 高铬铸铁铸造磨球生产实践 陈守权 林辉 (1．重型装备制造有限公司；2．昆钢技术中心) 摘要通过对云南昆钢耐磨科技股份有限公司两年来高铬铸造磨球生产实践进行总结，说明了影响高铬铸 造磨球质量的主要因素，从化学成分范围选择、化验、熔炼、模具、造型、浇注、热处理等方面加强控制和 管理，可以得到质量稳定合格的产品。 关键词高铬白口铸铁磨球碳化物马氏体残余奥氏体 Practicale Production of High··-‘Cr Casting Grinding Balls Chen Shou—quan Lin Hui f1．Heavy Equipment Manufacturing Co．，Ltd；2．Technology Center) Abstrac High Cr cast grinding ball production practice of Yunnan Kungang Wear-resistant Polytron Technologies Inc in two years were summarized in this paper，obtained the major factors which influence high-Cr casting grinding ball’s quality．strengthening the control and management of chemical composition range selection，testing，smelting，mold，molding，casting，heat treatment，to produce stable and qualified products． Key Words high Cr white cast iron；gnnding balls；carbide；martensite；retained austenite 1概述 我国是耐磨材料的使用大国，也是耐磨材料的 生产大国，我国有关铸造磨球的技术标准有三个， 分别是JC／T533—2004《建材工业用铬合金铸造磨 球》、YB／T092—2005《合金铸铁球》和GB／T17445— 2009《铸造磨球》。由于行业设备的工况条件不 同，冶标和建材工业标准各有侧重，具体的技术要 求不一样。GB／T17445—2009《铸造磨球》中高铬 球的牌号有四个，但目前市场上生产销售最多的是 ZQCrl 2这个牌号。昆钢耐磨材料科技股份有限公司 投产以来主要生产ZQCrl2牌号的高铬球，从2010年5 月~112012年7月所生产的磨球质量达到三个标准的技 术要求，质量稳定，用户使用后反映质量优良。本 文对ZQCrl2牌号的高铬球生产制造过程进行总结论 述，重点对生产过程中影响磨球质量的主要因素如 化学成分、化验、熔炼、模具、造型、浇注、热处 理等等进行阐述。 2化学成分的选择 】【3] 相关标准都给出了化学成分的范围，但范围很 宽，不适用于生产，我们结合云南生铁和耐磨公司 原材料成分的特点，并考虑浇注的工艺性制定了本 公司特点的化学成分范围。ZQCrl2高铬球化学成分 ·26· 昆钢科技 2012年第5期 2．1碳(C)含量的确定 含碳量是影响高铬铸铁组织和性能最显著的 元素之一。随着含碳量的增加，会增加组织中碳化 物数量，硬度升高，抗磨性能提高，但韧性下降。 直径大的磨球受冲击大，应关注冲击韧性，含碳量 应选择下限；直径小的磨球受冲击小，应关注耐磨 性，含碳量应选择上限。另外含碳量低铁水流动性 差；含碳量高铁水流动性好。根据以上特点按球的 直径大小将含碳量分成高中低三组来组织生产(见 表1)。 2．2铬(Cr)含量的确定 当铸铁中的含铬量超过10％时，就形成M7C3 型共晶碳化物，其显微硬度为HV1 300～1 800，比 M3C型碳化物的硬度高很多。更重要的是高含铬量 引起了金相组织的变化，使M7C3型碳化物被奥氏体 (或其转变产物)所包围而成为孤立的相，在此奥 氏体(或其转变产物)是连续的基体。而在含铬量 低时，其共晶组织是以M3C型碳化物为连续相。故 此相对而言，高铬铸铁与低铬铸铁相比具有较高的 韧性，可以进行淬火硬化处理。碳和铬是配合使用 的，根据工况条件先选择铬碳比在3．5～6．5之间，铬 的范围选在10．0％一1 1．0％。 2．3硅(Si)含量的确定 由于原材料含有较高的硅，所以含硅量选择的 不能太低，范围选在0．6％一1．2％。关键是硅还能 起很多良好的作用。一般认为，高铬铸铁中硅的常 存成分为0．4％～0．8％，高于0．8％，属于能产生特 定作用的合金元素。常存的硅起到固溶强化基体的 作用，硅能显著提高奥氏体及其转变产物的弹性极 限、屈服强度、屈强比、疲劳强度。这些强度性质 的改善，有助于提高材料的抗磨能力。与铬和锰相 比，硅与氧有较大亲和力，在熔炼过程中，硅有良 好脱氧能力，能防止铁水氧化，特别是它保护铁水 中含量很高的铬元素，避免铬过量氧化烧损。 2．4锰(Mn)含量的确定 同样由于由于原材料含有较高的锰，所以含锰 含量选择的不太低，范围选在0．6％～1．2％。锰也 是高铬铸铁中的常存元素，在高铬铸铁中的锰既进 入碳化物，也溶人奥氏体。适量的锰对于提高铸件 强韧性，改善淬硬性和耐磨性都是有益的。同样起 到固溶强化和提高淬透性性的作用，但锰是奥氏体 形成元素，锰含量过高淬火后会形成较多的残余奥 氏体。 2．5硫(S)、磷(P)含量的确定 硫和磷都是有害元素，主要是降低磨球的韧 性，考虑到成本的因素范围就选择在国标允许的最 大范围。 2．6稀土(Re)含量的确定 稀土除具有脱氧去硫的作用外，关键是起到变 质的作用，细化碳化颗粒、改善碳化物形态使其成 孤岛状，能大大提高磨球的冲击韧性和耐磨性。一 般按铁水量的0．3％加在铁水包中。变质处理对高铬 铸铁很重要，加入后可细化晶粒、除氧去杂质，可 使材料的断口细密，强度和韧性明显提高。 2012年第5期 陈守权，林辉：高铬铸铁铸造磨球生产实践 3高铬铸铁的熔炼工艺 熔炼的任务就是炼出合格的成分、合适的出炉 温度和脱氧良好的铁水。 3．1主要原材料及配比 熔炼高铬铸铁的主要原材料有炼钢生铁L10、 废钢为普通碳素钢、高碳铬铁(FeCr55C 1000)， 高碳铬铁价格低要尽量多使用。要求所有原材料杂 质少、锈蚀不严重、合金要求干燥、有害元素尽量 低，块度适中能进炉子就行。生铁、废钢和高碳铬 铁的大致配比为4：4：2。应按照碳和铬的的下限配 料，炉前样化验后再补加调整。 3_2熔炼设备 高铬铸铁铬含量高，熔炼时烧损较大，一般都 采用中频感应炉熔炼。耐磨公司是采用1-3吨中频炉 熔炼。炉衬为石英砂酸性炉衬。 3．3正确配料和加料顺序 加料时生铁、大块的废钢和回炉料放在炉底， 或是上一炉留几十公斤铁水，这样有利于提高初始 送电功率，缩短熔化时间。当炉底铺满熔融铁水 时，功率升至80％，再加入高碳铬铁，可以减少铬的 烧损。 3．4成分调整和温度控制 炉内料子料子熔化完全后，取炉前样分析， 根据炉前样结果确定是否调整元素含量。碳低时 可加生铁或增碳剂调整，反之用废钢降碳；铬低 时用高碳铬铁增铬，反之用废钢或生铁降铬。熔 炼温度应控制在1 450 oC左右，出炉温度一般控 制在1 480～1 500℃。熔炼过程中功率不要开到最 大使铁水在炉子被剧烈搅拌，高温熔炼，会造成 铁水氧化、吸气、合金元素烧损、使杂质无法自 动浮出液面，减短炉衬和铁水包的寿命。出炉前 应根据所熔炼的成分、铁水包和模具的温度调整 (提高)合适的出炉温度。 3．5正确脱氧 如果炉前样的锰和硅不高可在出炉前补加锰铁 和硅铁，可起到预脱氧的作用。应在出炉前3～5 min 扒干净渣后插铝脱氧，加入量为铁水的0．05％。高 铬铸铁熔炼时易氧化，含氧过高不仅烧损合金，还 会降低材料的力学性能，氧化严重的铁水流动性下 降，脱氧不好时加在包子里的稀土只起到脱氧去硫 的作用，没有起到变质的作用，失去了加入稀土的 意义。 3．6加入稀土变质 出炉前铁水包要烘干，清除包内的冷铁、渣 子。加入的稀土粒度要小于15 mm，要求烘干，每 次出炉前加在铁水包中。铁水倒人铁水包后再次扒 渣，镇静。温度合适就可分包浇注。 4铸造工艺 4．1金属模浇口覆砂铸造工艺 50～120磨球使用金属模具，浇冒口覆水玻璃 砂的铸造工艺。金属型浇注的磨球因冷却速度快铸 球表面形成大量结晶晶核，细化了晶粒，有利于提 高磨球的韧性和耐磨性，与砂型性比浇出来的低铬 球表面洛氏硬度高2～3 HRC。且采用金属型模具可 降低工人劳动强度，提高生产率，减少型砂用量， 降低废砂排放量。 4．2模具的要求 造型前检查上下球模和型板，要能紧密配合， 上下模不能错箱。直浇口尺寸符合要求，用小了磨 球会产生缩孔；用大了浪费铁水。冷模使用前要求 烫模，把模温提高到160～180℃方能造型，冷模 直接浇注会烫伤球碗，才能保障水玻璃砂型快速干 燥。造好型后要在球碗内喷乙炔烟子，能保护球碗 不被高温铁水烫坏，又能提高磨球的表面质量。 4．3造型 先将下模合扣在型板上填入水玻璃砂、搐实， 翻起下模修型，清除多余散砂后置于平地；再将上 模合扣在型板上填入水玻璃砂、搐实，开直浇口后 翻起上模修型，清除多余散砂，将上模合扣在下模 上就完成造型。造型砂的水分不能过高，不然水 玻璃加不进去，造成砂型强度低，浇注时落砂，这 些操作不好浇出磨球会夹砂。造型前要将上模的出 昆钢科技 2012年第5期 气孔通开后，再用粒度大的水玻璃砂堵起来，保证 浇注时能顺利排气，又不会烫伤模具，磨球不会多 肉。 4．4浇注及开箱 当砂型完全干了后，采用人工用手台包手工浇 注，手台包所盛的铁水至少要能浇一型球模，浇注 时不能二次浇注，浇注到后期要补冒口。浇注温度 要根据磨球规格(成分)、球模温度再具体调整， 浇注温度过高，浇出的磨球下部会出现蜂窝状气 孔；浇注温度过低磨球上部会有冷隔、凹陷。浇注 后1 5～20 min后就可开箱，过高温度开箱后球会散 开，断口处会产生细小裂纹。当磨球温度低于100℃ 方可把冒口敲出。摆放磨球的地方要干燥。 5热处理工艺 5．1热处理装料的要求 装球不能超出料框，小球之间空隙小，不易烧 透更应该少装；装多了磨球会落到炉膛中使电阻丝 短路。 5．2淬火加热升温和保温时间 采用推杆式连续加热炉，内装16框，分三区加 热保温，22 min出一筐。第一区650 oC有四筐的、第 二区860 c《=有六筐、第三区930℃有六筐。确保磨球 在炉内的升温速度和保温时间符合工艺要求，出炉 时淬火筐内的磨球温度均匀。操作时观察高温区各 相电流，不能缺相降温了，还继续出炉淬火。 5．3油温和入油时间 采用等温淬火油，油温为80℃，油温过低会 淬裂磨球，油温过高淬火后磨球硬度偏低。入油时 间根据磨球直径确定，以出油后磨球会冒青烟为 原则，时间从1分钟到8分钟不等。同样入油时间短 了，淬火后硬度偏低；过长会把球淬裂。操作时观 察油温和冷却塔工作是否正常，油的液面是否正 常，油不够要及时添加。磨球出油后30秒内要注意 听磨球是否发出噼、噼响声，如有响声说明有磨球 淬裂。 5．4回火温度和时间 磨球淬火出油后应及时回火。回火炉为内装17 筐的推杆式连续炉，分三区加热保温，第一区390 qC 有五筐、第二区和第三区420℃共有十二筐。为了和 淬火炉节拍相符，也是22分钟推一筐。 6质量控制要点 6．1进厂原材料的把关 对所有进厂原材料严格把关，有害元素严重超 标的生铁不能进入，各种类型的料子成分明确，方 便搭配使用。要求杂质少，锈蚀不能太严重。 6．2成分范围的选择 应严格按照磨球的直径选择成分范围，特别是 碳和铬。含碳过高磨球硬度增高，冲击韧性下降； 铬高了成本增加，铬低于10％就会出现M3C碳化物， 降低韧性，淬火时就会开裂。硅和锰超出范围也会 有一定的负面作用，考虑成本磷和硫不超过相关标 准的要求就行。 ． 6．3正确的熔炼操作 应按照碳和铬的下限配料，碳和铬不够时容易 添加。严禁高温熔炼，调整成分后干净扒渣、补锰 补硅，插铝脱氧，出炉前根据成分、铁水包和模具 的温度确定合适的出炉温度，包内加稀土变质。 6．4新购进模具的试浇验收 模具的设计应符合浇注原理，遵循顺序凝固 原则，确保冒口处最后凝固，保证磨球中不会出现 缩孑L和疏松。采购进厂的模具应先进行试浇验收， 将所浇磨球进行破坏性检查，应无缩孑L和明显的疏 松，若有应加大模具的直浇口和内浇口尺寸，就可 消除两缺陷。有缩孔的磨球淬火时就会破裂，多数 是心部开裂，不易发现，在磨机中使用几天后才会 破裂开来，所以模具的验收很重要，验收合格后该 型号模具方能正式投入生产，这关系到某一型号磨 球一大批的质量是否合格。还应检查所浇磨球尺寸 是否符合标准的技术要求。 6．5最佳的热处理工艺参数选择 每种高铬铸铁有一个最佳加热淬火温度，高出 昆钢科技 2012年第5期 操作符合工艺规程要求。 7铸造磨球的性能 铸造磨球磨球在制造过程中的性能指标只有 表面硬度和磨球表面与心部的硬度差两个性能指 标。在使用时有磨球的单仓磨耗和破碎率两个性 能指标。表2是ZQCrl2在铸态、淬火态、淬火回 火态的硬度和使用时的单仓磨耗和破碎率以及GB／ T17445～2009中的技术要求。 表2 ZQCrl2性能参数 Table 2 ZQCrl2 Performance Parameters 8结论 铸造磨球生产工艺流程虽短，但过程环节控制 很重要，要保持质量的稳定性，稍有不慎就会造成 大批量废品，如果在使用时出现由制造方面造成的 质量问题，会给制造厂带来巨大经济损失。应正确 选择化学成分范围，从化验、进厂原材料、熔炼、 模具、造型、浇注、热处理等方面加强控制和管 理，就能获得质量稳定合格的铸造磨球，成分和熔 炼是基础，模具、造型、浇注是根本，热处理是关 键。 参考文献： [1]苏俊义．铬系耐磨白口铸铁[M]：国防工业出版 社。1990 【2】陈华辉，邢建东，李卫．耐磨材料应用手册[M]．机械 工业出版社，2006 [3]子澎．高铬白口铸铁中碳当量对抗磨性能的影响 [J]．铸造，2005(8)：741 744 (上接15页) 炉的危害fJ1．钢铁，2006(09)：11 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