贝氏体复相球墨铸铁磨球的研究

柳 伟，张金山，赵晨波

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.晋城市宏创源耐磨材料有限公司，山西晋城 048000）

0 前言

磨球在工作过程中，必然会发生球与球、球与物料、球与磨机筒壁、衬板之间的摩擦和碰撞，这就要求磨球有较高的硬度和韧性以避免产生不耐磨、失圆等缺陷。贝氏体球墨铸铁具有较高的强度、硬度、韧性和耐磨性，同时又具有良好的铸造性能，自20世纪70年代问世，就被誉为铸铁冶金方面的重大成就之一，它将是21世纪竞争力很强的材料，因此，研制和生产高性能的贝氏体球铁耐磨材料具有重要意义[1]。

本文利用覆砂金属型铸造工艺，采用冷却性能较强的水玻璃水溶液作为淬火液，使磨球整体获得针状贝氏体+少许马氏体+残余奥氏体的复相基体组织，从而使磨球达到高硬度、高韧性、高耐磨的目的。

1 试验条件和方法

1.1 材料的选择

要想提高磨球寿命，降低耗球率，首先要考虑磨球材料的成分，经过反复研究和优化设计出的贝氏体复相贝氏体球墨铸铁磨球的材料成分见表1。

1.2 铸造工艺

工业上长期以来利用砂型铸造或金属型铸造工艺来生产磨球，然而砂型铸造经常会出现气孔、夹砂、表面粗糙、组织缩松等缺陷；金属型铸造的磨球常出现较大的表面白口层，皮下气孔和皱皮等缺陷。覆砂金属型铸造工艺克服了砂型铸造和金属型铸造的缺点，保持了它们的优点，同时可实现全自动化控制的流水线生产[2]。本生产试验球化处理采用冲入法，造型采用覆砂金属型铸造工艺，利用图1所示模具生产，一型同时浇注16个ø100 mm的磨球，图2为该工艺的原理图，金属液沿浇口杯直接流入直浇道，直浇口下端分布有4个内浇道，每个内浇道末端设有一个内压冒口，每个内压冒口周围分布有四个铸件，上半模的覆砂层和下半模的覆砂层构成了完整的铸造型腔。

表1 磨球化学成分w %

图1 模具示意图

用1 t中频感应电炉熔炼铁液，采用冲入法球化处理，出炉温度为1 500～1 550℃，浇注温度为1 400～1 500℃。经批量生产表明：铸造成品的造型合格率为100%，工艺出品率为71.3%。

图2 覆砂金属型铸造工艺简图

1.3 热处理工艺

要提高磨球寿命，降低耗球率，除了选材，还需要合理的热处理工艺，要求达到细化铸态组织，改善性能，并使力学性能各向同性，同时生产工艺简单，生产周期短，生产成本低[3]。为了使磨球具有优异的综合力学性能，除选择正确的淬火加热温度、回火温度和保温时间，还需选用合适廉价的连续冷却介质，并具有在高温时快速冷却而在低温时缓慢冷却的特性，以保证获得高硬度的针状贝氏体+少许马氏体+残余奥氏体的金相组织，又能减小应力和开裂危险。为此，我们选用模数为2.6的水玻璃水溶液作为淬火介质以满足生产要求。具体热处理工艺见图3所示。

图3 贝氏体复相球墨铸铁热处理工艺曲线

2 试验结果及分析

2.1 磨球的力学性能

热处理后，用线切割机沿磨球直径方向截取10.5×10.5×55.5（mm）的试棒六组用于机械性能的测试。用HR-150A型洛氏硬度计测量硬度，JB-30型冲击试验机测试冲击韧性,在JB-30 kg·m磨损试验机上进行磨损试验。取其中三组试棒分别经400#、800#、1000#、1200# 的砂纸打磨、抛光。经观察，磨球内部致密,无缩松、缩孔缺陷。在试棒上依次均匀取5个点进行表面硬度测量，测试结果见图4（位置3为磨球中心位置）。由图4可知，热处理后的硬度HRC可达到55～58，心表硬度差值不超过2.0 HRC。将其余三组试样磨制成 10×10×55（mm）的标准冲击试样棒，经测试知冲击韧性值可达21～23 J/cm2。耐磨性实验结果显示其耐磨率为3.8226%，耐磨性是马氏体球铁的2.4倍左右，显然在该热处理工艺下磨球有较好的硬度与韧性的配合。

图4 试样磨球表面硬度值

2.2 磨球组织特征

用线切割机截取 10.5×10.5×10.5（mm）的试样,经打磨抛光后分别采用光学显微镜和扫描电镜观察其组织，该磨球显微组织为石墨，石墨形态较圆整而且分布较均匀，球化率为1～2级，球墨大小7～8级，如图5所示。基体组织为针状贝氏体+少许马氏体+残余奥氏体，如图6为其光学显微照片，图7为SEM照片。

图5 石墨形态与数量图

图6 光学显微照片

图7 SEM照片

贝氏体球墨铸铁的力学性能是由其石墨组织和基体组织决定的。要实现强度与韧性的最佳配合，石墨需呈细小、均匀分布，石墨的形状对延伸率和冲击值的影响极大，球化越好，韧性也越好，冲击值也越高。石墨大小对冲击韧性也有影响,石墨球径减小就意味着数量增多，也就是共晶团细化，冲击韧性有增加的趋势。基体组织应由细化的针状贝氏体和呈稳定的奥氏体组成,不应有脆性碳化物和磷共晶[4]。贝氏体球墨铸铁的硬度主要取决于贝氏体中固溶碳含量，由于铸铁中含有较多的硅，而硅具有显著阻碍碳化物析出的能力，因此，材料基体组织表现出较高的硬度。同时残余奥氏体在应力作用下可以缓冲应力集中并抑制裂纹扩展，延缓断裂破坏，提高耐磨性。本试验试制的贝氏体球墨铸铁磨球在连续冷却并经回火处理后得到回火针状贝氏体＋少许马氏体＋残余奥氏体组织。

3 工业应用

为了验证磨球的实际使用性能，在某选矿厂进行实际装机考核。生产统计表明，该贝氏体球墨铸铁磨球的硬度均匀，耐磨性好，破碎率小于0.5%，停机后检查磨球不失圆,受到用户的肯定,为进一步在其它领域的应用创造了有利条件。

4 结论

（1）采用覆砂金属型铸造工艺生产磨球，工艺出品率高，ø100 mm的磨球可以达到71.3%。

（2）水玻璃水溶液冷却性能优良，是一种理想的淬火介质。使用时只需控制好水玻璃水溶液的温度、浓度、比重三项参数并配合合适的热处理工艺便会使磨球整体得到针状贝氏体＋少许马氏体＋残余奥氏体组织，该组织心表硬度值相差不超过2.0 HRC，硬度值在55～58 HRC之间，冲击韧性可达21～23 J/cm2，有较好的硬度和韧性配合。

（3）实际应用考核表明，磨球耐磨性好，破碎率小于0.5%，无剥落，是一种理想的耐磨材料。

[1]魏秉庆，梁吉，吴德海.连续冷却淬火贝氏体球墨铸铁的断裂韧性[J].清华大学学报(自然科学版)，1999，39(2)：46-48.

[2]周元行.覆砂金属型铸造工艺在磨球生产线上的应用[J].铸造，2012,61（7）：779-782.

[3]王振国,周晓猛,王禹.高耐磨性贝氏体球墨铸铁磨球的研制[J].冶金丛刊，2012，（197）：5-7.

[4]魏秉庆，梁吉，吴德海.贝氏体球墨铸铁[M].北京：机械工业出版社，2001:53-54.