球磨機(jī)用的高鉻鑄鐵磨球鑄造工藝方法

球磨機(jī)是冶金礦山、建材水泥、電力化工等行業(yè)粉料生產(chǎn)與加工的主要設(shè)備，球磨機(jī)工作過(guò)程中，其磨球作為終端產(chǎn)品，屬于主要易磨損件，其使用量大，對(duì)使用成本影響極大，一直備受人們的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅國(guó)內(nèi)每年消耗磨球量就達(dá)到150萬(wàn)t左右，而且每年的需求量在以15%的速度遞增；國(guó)際市場(chǎng)每年磨球需求量在500萬(wàn)t以上。因此，研制出性能穩(wěn)定、磨耗低和長(zhǎng)壽命磨球，不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且還能有效地降低生產(chǎn)成本和能耗，節(jié)約有限資源，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

1、磨球失效形式

1.1、磨球的性能要求

就磨球在球磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)看，其主要運(yùn)動(dòng)有滾動(dòng)和撞擊。即磨球在球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，承受小能量多次沖擊疲勞與磨料磨損。根據(jù)磨球工況服役特點(diǎn)，在材質(zhì)選擇上應(yīng)綜合考慮如下要求：

（1）磨球必須有較長(zhǎng)的使用壽命，材料就應(yīng)具有較高的抗磨性能，即材料具有較高的硬度；

（2）磨球在球磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，隨物料上升到一定高度后下落，直接沖擊到其他磨球。為防止磨球破碎，材料應(yīng)具較好的沖擊韌性；

（3）磨球主要承受小能量多次沖擊的沖擊疲勞，必須防止磨球剝落和開(kāi)裂，材料應(yīng)具有較好的沖擊疲勞抗力。

綜合現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用調(diào)研可知，磨球的發(fā)展方向：①應(yīng)減少B、Mo、Ni、W、Cu等合金元素比重，降低生產(chǎn)成本；②通過(guò)降低含碳量來(lái)獲得較好的韌性和亞共晶鑄鐵，以提高高鉻鑄鐵的抗沖擊性能。通過(guò)對(duì)高鉻鑄鐵優(yōu)選材料配方，調(diào)整鑄造熔煉工藝，結(jié)合合理的熱處理方法，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)和使用成本的有效工藝措施。

1.2、磨球失效形式

通過(guò)對(duì)磨球的實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研分析可知，造成磨球失效的主要原因如下：

（1）在磨球工作過(guò)程中，由球磨機(jī)的破碎原理可知，其主要是通過(guò)球磨機(jī)自身的旋轉(zhuǎn)引起裝于內(nèi)部磨球滾動(dòng)和相互沖擊來(lái)對(duì)物料進(jìn)行破碎。因此，對(duì)磨球來(lái)講主要承受小能量多次沖擊以及因磨球球體破碎、剝落下的硬度較高的碎片與磨球之間沖擊和摩擦，產(chǎn)生沖擊疲勞磨損和磨料磨損；

（2）受球磨機(jī)設(shè)備本身結(jié)構(gòu)尺寸影響，球磨機(jī)自身直徑越大，磨球之間沖擊勢(shì)能越大。磨球和磨球、磨球與球磨機(jī)內(nèi)部的襯板的沖擊程度越嚴(yán)重，磨球也越容易發(fā)生沖擊疲勞磨損和破碎。因此，對(duì)于提高磨球抗沖擊疲勞能力并不是只是提高材料強(qiáng)度、韌性和塑性，而是綜合調(diào)整強(qiáng)度、韌性和塑性之間的關(guān)系；

（3）球磨機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，磨球和磨粉料在磨球機(jī)下半部分形成混合物料，在離心力的作用下，混合物料貼著襯板，沿著球磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向到達(dá)一定高度后，拋砸到球磨機(jī)底部磨球和粉料，粉料受到?jīng)_擊磨損；部分磨球在向上過(guò)程中較早沿著襯板下滑，產(chǎn)生切削和鑿削磨損；混合物料底部產(chǎn)生擠壓磨損。顯然，磨球磨料磨損是多種磨損機(jī)理的組合。

總之，磨球在工作過(guò)程中，其主要的失效形式有破碎、剝落失圓和磨損。

2、磨球的鑄造方法

2.1、化學(xué)成分的選擇

（1）碳：含碳量是決定高鉻鑄鐵磨球硬度和韌性的重要因素。在一定范圍內(nèi)，含碳量越高，碳化物體積百分比就越大，硬度越高，耐磨性能越好。但碳量過(guò)高，碳化物粗大，造成磨球的韌性差，其抗沖擊疲勞能力降低，容易造成磨球破碎。同時(shí)，磨球在磨料滾動(dòng)和滑動(dòng)的作用下，易于產(chǎn)生切削和碾壓形成細(xì)微裂紋，隨著裂紋萌生并不斷擴(kuò)展，最終就會(huì)導(dǎo)致磨球材料剝落。因此含碳量過(guò)高，磨球耐磨性能反而下降。一般應(yīng)將含碳量控制在2.0%~2.8%。

（2）鉻：鉻含量主要決定碳化物類型和形態(tài)，它可以提高耐腐蝕磨損性能。鉻和碳的含量只有控制其在合金中產(chǎn)生一定量的M7C3類型的碳化物，且以該類型碳化物為主體，才能獲得高的耐磨性能。當(dāng)Cr/C>4時(shí)，共晶碳化物大多數(shù)呈（Cr，F(xiàn)e）7C3型。

當(dāng)含碳量相同時(shí)，鉻含量越高，共晶碳化物的數(shù)量越多，高鉻鑄鐵磨球硬度就越高。但隨著鉻含量的提高，鐵水的流動(dòng)性降低，磨球冷裂傾向增大，韌性降低，磨球易破碎，同時(shí)鉻屬于貴重金屬，過(guò)多地增加鉻造成磨球成本提高，試驗(yàn)結(jié)果表明：鉻含量一般應(yīng)控制在12%~15%最佳。

（3）稀土元素：高鉻白口鑄鐵經(jīng)變質(zhì)處理后可改變碳化物形態(tài)和分布，強(qiáng)化基體組織，提高高鉻白口鑄鐵韌性。研究結(jié)果表明：在眾多的變質(zhì)劑材料中，稀土硅鐵合金是一種最有效的變質(zhì)劑，稀土硅鐵合金能夠改善高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織，細(xì)化晶粒，提高材料的韌性。同時(shí)還具有很強(qiáng)的脫氧脫硫作用，對(duì)鐵水起到凈化作用，降低鐵水中氣體和有害夾雜物含量，提高鐵水流動(dòng)性和韌性。

稀土硅鐵合金還具有細(xì)化初生奧氏體晶粒，細(xì)化碳化物的作用。經(jīng)稀土元素變質(zhì)處理后，碳化物形狀由連續(xù)網(wǎng)狀變成斷網(wǎng)狀或弧立粒狀分布，從而使高鉻鑄鐵沖擊韌性提高1倍左右。稀土元素使共晶轉(zhuǎn)變的相對(duì)過(guò)冷度增加，高鉻白口鑄鐵共晶凝固范圍增大，使碳化物呈團(tuán)塊狀，組織性能得到提高。研究表明，稀土元素雖然對(duì)高鉻白口鑄鐵中的碳化物的形態(tài)、數(shù)量及奧氏體晶粒間距無(wú)顯著影響，但減少了雜質(zhì)，改善了夾雜物的組成和形態(tài)。另外，適量的稀土還能凈化晶界，削弱在晶界上偏聚的某些元素的不利影響，增強(qiáng)奧氏體和碳化物結(jié)合，提高磨球抗裂紋的萌生和延展的能力。生產(chǎn)中稀土硅鐵合金最佳的控制范圍應(yīng)為0.5%~1.2%。

（4）硅：硅是非碳化物形成元素，硅固溶于基體組織中，使奧氏合格的含碳量降低，冷卻后形成鐵素體，顯著降低了高鉻鑄鐵的流傳透性。但加入適量的硅鐵合金，能夠起到脫氧作用，同時(shí)硅鐵的加入有利于增加鐵水的流動(dòng)性。因此一般應(yīng)將硅控制在0.7%~1.0%。

（5）錳：錳和硅的作用正好相反，是一種強(qiáng)烈提高流傳透性的元素，當(dāng)它和鉬元素同時(shí)使用時(shí)能顯著提高合金淬透性。錳在合金中主要起到穩(wěn)定碳化物的作用，同時(shí)它又能有效地穩(wěn)定奧氏體元素，但如果含錳量過(guò)高，會(huì)明顯阻礙奧氏體的轉(zhuǎn)變，增加殘余奧氏體含量，因此高鉻白口鑄鐵必須嚴(yán)格控制殘余奧氏體量。研究結(jié)果表明：錳含量必須控制在0.6%~0.9%。（6）鉬：鉬能顯著提高高鉻鑄鐵的淬透性，對(duì)白口鑄鐵靜態(tài)和淬火過(guò)程珠光體的形成起到抑制作用，改善耐磨性。同時(shí)少量的鉬能細(xì)化晶粒和提高碳化物的顯微程度。有資料指出，加入鉬后，若體組織局部產(chǎn)生軟相，硬度有所下降，而沖擊韌性和耐磨性顯著提高。在高鉻鑄鐵中，通過(guò)加入釩強(qiáng)化碳化物，使得材料硬度提高，但沖擊韌性下降，加入鉬后，可以提高沖擊韌性而彌補(bǔ)加入釩導(dǎo)致的性能下降。因此，鉬是高鉻鑄鐵比較理想的添加元素，一般將鉬含量控制在0.5%~3.0%。

（7）釩：釩可穩(wěn)定碳化物元素，減少粗大的柱狀晶體組織，并可以使白口組織細(xì)化，達(dá)到增加白口深度。因此釩能明顯提高高鉻鑄鐵硬度耐降低韌性，通常為改善磨球性能在合金中加入0.1%釩。

（8）鎳：鎳在高鉻鑄鐵中主要形成固深體，且不溶于碳化物，提高材料的淬透性。鎳含量一般控制在0.7%~1.0%。

（9）銅：適量的銅能改變高鉻鑄鐵碳化物的形態(tài)和分布，細(xì)化碳化物，從而顯著提高材料硬度和韌性。同時(shí)銅還具有細(xì)化組織晶粒，強(qiáng)化基體的作用，使網(wǎng)狀碳化物斷裂，提高材料的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性和耐磨性。當(dāng)銅與鉬一起使用時(shí)，能進(jìn)一步提高淬透性，可以使鉬含量降低。銅的含量一般控制在0.8%~1.2%。

2.2、鑄造工藝簡(jiǎn)介

為了保證磨球質(zhì)量，提高產(chǎn)品出品率，應(yīng)制定合適的鑄造工藝，本工藝采用金屬型模具生產(chǎn)，具體生產(chǎn)規(guī)程如下：

（1）出氣孔的設(shè)置與模具預(yù)熱

用5mm×5mm×7mm方條鋼鑲?cè)虢饘傩湍＞弑趁媲蚰A構(gòu)成出氣孔，它既可以排氣又能防止鐵水從氣孔溢流金屬液；也可用捻成φ4~6mm石棉繩來(lái)形成出氣孔，其塞入長(zhǎng)度約為出氣孔長(zhǎng)度的2/3，線繩不能塞得過(guò)緊，否則無(wú)法出氣，也不能太松，防止鐵水?dāng)D出。在生產(chǎn)之前，金屬型模具應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度為250~300℃，保溫時(shí)間4h左右。

（2）制芯

制芯前應(yīng)將型板和金屬型球模砂粒清掃干凈。制上芯時(shí)，型砂要與內(nèi)澆道搗實(shí)，砂套部分要松而不散，外澆口型砂和金屬型澆口需圓滑過(guò)渡，呈喇叭形，以利于鐵水澆注；制下芯，只需將型砂搗固即可。

（3）涂料與噴涂

模具預(yù)熱好后，用調(diào)配好的水基涂料（涂料和水按1:10~15比例混合攪拌），均勻地噴涂在球模內(nèi)部球窩中，噴涂厚度以0.1~0.3mm為宜。將上述涂料用噴槍在適當(dāng)距離進(jìn)行霧狀噴涂，以涂料均勻涂掛，無(wú)流淌為宜。在生產(chǎn)過(guò)程中，也可以乙炔氣焰不完全燃燒進(jìn)行烘烤，既可以提高模具溫度，又相當(dāng)于噴涂碳灰涂料。

（4）合箱

噴完涂料后，應(yīng)帶溫及時(shí)合箱。合箱時(shí)，檢查上下模具平面結(jié)合處及下型腔球窩處是否有型砂，如有及時(shí)用壓縮空氣吹除，以防止合箱不嚴(yán)造成跑箱或澆注后磨球內(nèi)部產(chǎn)生夾雜。

（5）熔煉

使用0.5t中頻爐進(jìn)行熔煉。先加入少量的鉻鐵和全部鉬鐵，再加入廢鋼和回爐料，待廢鋼等熔化后，最后加入經(jīng)過(guò)加熱的剩余鉻鐵。裝填時(shí)注意填料應(yīng)下緊上松原則，以利于塌料。熔煉溫度應(yīng)控制在1420~1480℃，要防止鉻和碳過(guò)度燒損以及縮短爐襯壽命。由于高鉻鑄鐵熔煉溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，鐵水氧化比較嚴(yán)重，因此需要在出爐前進(jìn)行脫氧處理。出鐵水前，迅速將溫度提高到1500℃，先提前3~5min在爐中加入少量的錳鐵和硅鐵進(jìn)行預(yù)脫氧，最后加入少量鋁進(jìn)行終脫氧。

（6）澆注

終脫氧處理結(jié)束后即可出鐵水，澆包中加入0.5%稀土硅鐵合金做沖入法變質(zhì)處理，然后迅速在鐵水上覆蓋珍珠巖，鐵水在澆包中應(yīng)停留一段時(shí)間進(jìn)行鎮(zhèn)靜，當(dāng)溫度降到1400~1450℃時(shí)澆注，澆注時(shí)應(yīng)控制一定的速度，遵循慢-快-慢的原則，即剛開(kāi)始時(shí)先以較小流量鐵水進(jìn)行固沙和排氣，然后再均勻快速澆注，最后慢澆起到補(bǔ)縮作用，這樣有利于廢氣逸出并防止產(chǎn)生冷隔和夾渣等鑄造缺陷。

（7）開(kāi)箱

一般待金屬型澆口鐵水成暗紅色后方可開(kāi)箱。開(kāi)箱溫度不宜過(guò)高，溫度過(guò)高磨球補(bǔ)縮效果差；也不宜太低，否則磨球容易粘連球模導(dǎo)致模具損壞，同時(shí)也不利于涂料噴涂快干。落球時(shí)應(yīng)置于干燥地表，不得有潮濕水分，防止高溫磨球激冷破裂。

（8）打磨

落球后將磨球澆口部分敲擊去除，在砂輪上對(duì)磨球斷口修磨圓滑。

（9）模具維護(hù)

金屬模具使用一段時(shí)間后，燒結(jié)的涂料殘?jiān)鼤?huì)在球模平面形成一道結(jié)痂，導(dǎo)致開(kāi)箱不嚴(yán)，容易引起模具脹箱，造成磨球披縫過(guò)大，影響表面質(zhì)量，同時(shí)造成磨球成膠囊形，影響磨球圓度，因此應(yīng)對(duì)模具定期進(jìn)行清理。模具平面層殘留物可用膩灰刀鏟除，球窩表面可用銅絲刷子進(jìn)行清除。不得用礙質(zhì)工具清理模具，以防損壞模具表面。清除完畢后，用壓縮空氣吹除。

3、結(jié)語(yǔ)

高鉻鑄鐵磨球通過(guò)上述的工藝，既保證了高鉻鑄鐵磨球的韌性，同時(shí)又減少貴重合金元素的使用，通過(guò)化學(xué)成分分析、金相組織和機(jī)械性能試驗(yàn)以及股役性能檢測(cè)，磨球各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。具體結(jié)論有：

（1）球磨機(jī)中的磨球失效的主要形式：破碎、剝落失圓和磨損；

（2）對(duì)磨球綜合性能產(chǎn)生影響的因素主要是磨球組織；

（3）高鉻鑄鐵磨球最佳化學(xué)成分配比為：C的含量應(yīng)為2.0%~2.8%、Si的含量應(yīng)≤1%、Mn的含量應(yīng)為0.5%~1.0%、Cr的含量應(yīng)為13%~16%、Mo的含量應(yīng)為0.5%~1.0%、Cu的含量應(yīng)為0.5%~1.0%。

（4）熔煉溫度應(yīng)控制在1540~1560℃，鎮(zhèn)靜后，1500℃開(kāi)始澆注，澆注速度采用先慢后快方式。

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