本发明公开了一种耐磨钢球及其制备方法，特别涉及一种高强韧耐磨钢球及其制备方法，属于耐磨合金钢。
背景技术：
1、耐磨钢球是广泛应用于冶金、选矿、建材、化工、电力等工业生产中易磨损部件。全世界年耗钢球近千万吨，耐磨钢球的使用寿命直接影响磨机生产效率，对耐磨钢球的要求是既要具有足够的强度和硬度，又要有较好的抗冲击韧性。现有技术中耐磨钢球主要分为三类：锻造钢球、铸造钢球和热轧钢球。其中，铸造钢球主要是铬系合金，如高铬钢球、中铬钢球、低铬钢球和钒钛铬合金钢球等，在使用过程中，存在冲击韧性低、耐磨性能欠佳的缺陷。随着规模化生产的需要，球磨机型号逐步向大型化方向发展，对钢球的冲击韧性及耐磨性能也提出了更高的要求。为了适应这一趋势，有必要研发一种质量稳定、硬度更高、韧性更好，耐磨性更好的耐磨钢球，降低钢球消耗，提高磨矿效率。
2、为了提高钢球性能，中国发明专利cn118291874a公开了一种耐磨高韧性的超高铬钢球材料及其制备方法，该发明耐磨高韧性的超高铬钢球材料中包括以下质量百分数的化学成分：c：2.80％～3.30％，si：0.60％～0.80％，mn：2.00％～2.50％，w：0.25％～0.55％，mo：0.25％～0.45％，cr：18.00～20.00％，p、s均小于0.02％，其余为铁以及不可避免的杂质。该发明通过进一步调整钢球材料中的元素成分含量以及加工方法，从而使得钢球材料中的铬含量为18.00％～20.00％，同时使得钢球材料不仅具有优异的耐磨性，还具有韧性高的特点，进而使得该发明的超高铬钢球材料具有较长的使用寿命。中国发明专利cn117758135a还公开了一种耐磨钢球及其生产工艺。其中钢球的化学成分重量百分比为：c3.0-3.2％，cr 11-26％，si 0.3-1.2％，mn 1.2-2.6％，ni 0-1.5％，p≤0.1％，s≤0.1％，cu 0-2.0％，其余为铁以及不可避免的杂质。该申请通过在抗磨钢球原料中调节各个元素含量，并调控生产工艺，使得到的钢球表面硬度、钢球心部硬度和冲击韧性最高分别为62.7hrc、60.8hrc和4.8j/cm2，且其耐疲劳寿命均大于18000次数，具有较高的硬度和耐冲击韧性和耐疲劳寿命。中国发明专利cn118237584a还公开了一种高性能合金钢球及其制造方法。该方法通过高能球磨混合纳米sic粉末、稀土元素粉末与基础钢材，经烧结、热变形处理形成球形坯料。再经正火、回火及淬火处理优化钢球内部结构。最后，利用钢丸撞击及高能喷丸在表面诱导出纳米晶层，并通过精磨和抛光提升表面光洁度，制得高性能合金钢球。该发明不仅提高了钢球的硬度、耐磨性和抗冲击性，还显著增强了其耐腐蚀性，使钢球的综合性能得到大幅提升，适用于多种严苛工况。中国发明专利cn118048093a还公开了一种耐磨热轧钢球，包括热轧钢球主体(1)，所述热轧钢球主体(1)包括耐磨涂料保护层(2)、耐磨结构包层(3)和内球体(4)，耐磨涂料保护层(2)包括环氧树脂涂层、聚氨酯涂层、陶瓷涂层和金属涂层，耐磨结构包层(3)包括钴基合金、镍基合金、钛钢合金和铝合金结构，内球体(4)为100％的碳钢结构。该发明中耐磨热轧钢球经过热处理，具有较高的硬度，可以有效抵抗磨损和腐蚀，耐磨性能优异。采用热轧工艺制造，具有均匀的化学成分和金相组织且性能稳定，具有较好的韧性和可塑性，能够承受较强的冲击和变形。上述超高铬钢球材料中含有大量我国稀缺的铬元素，造成了资源的巨大浪费。另外，钢球采用粉末冶金方法制造，存在能耗高、效率低等不足。钢球表面加入耐磨涂料保护层，保护层与钢球本体结合强度低，使用中易开裂和剥落，反而降低的钢球的耐磨性。
3、中国发明专利cn117568717a公开了一种球磨机用合金钢球及其制备方法，钢球的由以下质量百分比的原料制成：c 0.6-1.1％、si 0.5-1.5％、mn 1.20-1.50％、ni 0.05-0.10％、cr 1.10-1.30％、nb 0.055-0.065％、p≤0.015％、s≤0.015％、其余fe；mn/si为1-2.5，cr/si为1-2.5，cr/nb为18-20。该发明通过优化钢球组成，在不改变现有工艺的基础上，显著提高了钢球的性能，对于工业化生产来说，成本低，效果好，适合生产应用。中国发明专利cn117403125a还公开了一种含碳纳米管的韧硬性良好的耐磨钢球短流程制备方法，属于合金钢制造领域。钢球包括如下原料，以质量百分比计：c 0.60～0.90％，si 0.80～1.30％，mn 0.60～1.00％，cr 0.60～1.00％，nb 0.01～0.05％，碳纳米管0.01～0.04％，余量为fe及不可避免的杂质元素。该发明采用在线余热淬火热处理工艺，在钢球中的到马氏体组织及部分贝氏体，最终获得室温下稳定且含有碳纳米管、马氏体和贝氏体的复相组织，表面和心部硬度可达到60hrc以上，10m落球实验次数在5000次以上，具有良好的韧硬性配比。同时，该申请的制备方法流程较短，简化了生产环节并缩短了生产周期，节能环保，降低了成本。但是，碳纳米管密度低，在耐磨钢球中加入微量碳纳米管，它在耐磨钢球中分布的均匀性差，无法确保耐磨钢球性能的稳定。
4、中国发明专利cn117000924a公开了一种在线式高硬度、高攻击韧性的锻造钢球的生产工艺，涉及钢球锻造生产技术领域，为解决现有技术中的钢球锻造装置在进行热锻操作时，利用模具实现热压塑形，由于其为圆形，单一的对一面进行热压，容易出现其他端面的表面不平整圆润的情况，从而影响其成型质量的问题。所述步骤一：首先准备原材料，钢球的主要原材料是碳素钢、合金钢、不锈钢金属材料，材料经过加工，将其变成符合要求的钢棒；步骤二：钢棒经过切削加工，将其削成一定长度的小块，这些小块进一步加工，将其变成符合要求的钢球；步骤三：经过切削加工后的小块经过热处理，热处理改善钢球的性能，提高其硬度、强度和韧性。中国发明专利cn116875914a还公开了一种高强韧性钢球及其生产方法，所述钢球按重量百分比计，其成分含有0.13％-0.15％c、5.50％-6.70％w、1.50％-2.50％mn、0.25％-0.55％co、0.22％-0.45％mo，余量为fe及不可避免的杂质，一种高强韧性钢球的生产方法，包括以下步骤：a、冶炼铁矿石，将矿石还原成铁水，并脱硫；b、在转炉内通入高压氧气将铁水升温，加入白灰进行脱磷，去除杂质。本发明进行脱硫和脱磷，提高了钢球的韧性，通过将c、w、mn、co及mo加入在铁水中，c增加了钢球的刚性，且含量较低，避免钢球过脆，mn能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，w能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性，co进一步提高钢球的强度。上述钢球中加入了较多价格昂贵的钨元素，导致钢球制造成本显著增加。
5、中国发明专利cn116695002a公开了一种高硬度高韧性耐磨钢球及其制备工艺，耐磨钢球的各元素成分及重量配比按比重分为：c：0.95-1.1％；si：0.1-0.4％；mn：0.1-0.4％；s：0.1-0.3％；p：0.1-0.3％；cr：15.0-20.0％；ni：1.0-1.5％；mo：0.9-1.1％；v：0.3-0.6％，nb：0.2-0.4％；re：0.02-0.04％；cu：0.7-1.1％，余量为fe和不可避免的杂质。该发明所制备的耐磨钢球，其在以铬、碳作为原料基础，再辅助以钨、锰、铌等金属原料的配比下，以及锻造工艺锻造形成的耐磨钢球，具有良好的高硬度、高抗击、高韧性性能，能够有效的提高钢球的表里硬度一致性、耐磨性能、平滑性能，使其适用于各个领域内，可以被更好的推广使用。中国发明专利cn115354208a还公开了一种高铬合金复合耐磨钢球，是通过下述方法制备而成：将普通废钢、增碳剂、铬铁、锰铁、硼铁、钼铁、硅铁、铜板、金属镍和金属铝加入熔炼炉中熔炼成铁水，所述铁水的化学组成及质量分数控制为：2.0-3.0％c，0.4-1.0％si，17-21％cr，0.5-1.0％mn，0.4-0.8％b，0.1-0.3％mo，0.5-1.0％cu，0.05-0.2％ni，0.05-0.1％al，s≤0.05％，p≤0.05％，余量为fe；当铁水温度降至1530-1560℃时出炉，出炉时将孕育剂加入铁水进行孕育处理，经静置和扒渣处理后，得到浇铸液；将浇铸液倒入模具中，浇铸形成球形铸件，经淬火和回火处理后，即得到所述高铬合金复合耐磨钢球。该发明提出的一种高铬合金复合耐磨钢球，通过对所述耐磨钢球的组成进行有效设计，使得所述耐磨钢球具有优异耐磨性的同时，还具有高强韧性，从而进一步延长了所述耐磨钢球的使用寿命。中国发明专利cn114892086a还公开了一种耐腐蚀高强度耐磨钢球，其是通过下述方法制备而成：冶炼目标钢水，所述目标钢水的组成按重量百分比计包括c0.65-0.80％、si0.40-0.85％、mn0.65-0.95％、cr0.40-1.00％、mo0.04-0.06％、ti0.02-0.04％、cu0.04-0.08％、s≤0.020％、p≤0.020％、余量为fe和不可避免的杂质；浇铸形成铸坯；轧制形成钢球坯；冷却、热处理形成钢球，该钢球即为所述耐磨钢球。该发明提出的一种耐腐蚀高强度耐磨钢球，通过设计该耐磨钢球的成分，并调整耐磨钢球的生产工艺，使得该耐磨钢球具有优异耐磨性的同时，还具有高强韧性，并且进一步提高了钢球的耐腐蚀性。中国发明专利cn113953426a还公开了一种高强韧高耐磨钢球用钢及其制备方法，属于耐磨钢球用钢技术领域，解决了现有耐磨钢球用钢的强度和韧性不能同时满足要求、均匀性较差的问题。耐磨钢球用钢的成分以质量百分比计为：c：0.60％-0.70％、si：1.50％-1.80％、mn：0.92％-1.2％、cr：1.30％-2.00％、mo：0.01％-0.20％、ni：0.25％-0.60％、al：0.01％-0.05％、cu：0.05％-0.10％、v：0.01％-0.20％、s≤0.03％、p：0.01％～0.02％，其余为fe和不可避免的微量杂质，其中(mo+v)≥0.08％。制备方法包括如下步骤：冶炼钢水，然后浇铸得到铸锭；锻造铸锭，得到钢坯；将钢坯进行淬火、回火处理或者将钢坯进行淬火配分处理。该发明的高强韧高耐磨钢球用钢强度和韧性均较好，均匀性好，适用范围广。中国发明专利cn104532139a还公开了一种高强韧性钢球及其生产方法。高强韧性钢球，按重量百分比计，含有0.15％-0.3％c、1.3-2.0％si、1.5％-2.5％mn、0.5％-1.0％cr、0.2-0.5％mo，余量为fe及不可避免的杂质；制备方法包括以下步骤：冶炼钢水；浇铸形成连铸坯；加热铸坯然后轧制：连铸坯加热至1150-1300℃并保温1-4h后轧制；形成钢球坯；将钢球坯加热至1100-1250℃并保温10-60s，然后锻造成所需断面钢球，终锻温度900-1050℃；锻造后的钢球空冷至其表层温度为750～850℃，然后水中淬火，当钢球表层温度降至60-80℃取出迅速进行回火处理，再进行去油及精整处理，得到钢球。所得钢球具有高硬度和良好的冲击韧性。中国发明专利cn102418044a还公开了一种钢球用钢及制造该钢球的方法。所述制造钢球的方法包括步骤：冶炼钢水；采用炉外精炼工艺处理钢水，得到的钢水按重量百分比计由0.90％～1.00％的c、0.30％～1.00％的si、0.80％～1.20％的mn、0.40％～0.70％的cr、0.01％～0.05％的ti、不多于0.025％的p、不多于0.025％的s、不多于2.0ppm的[h]、余量的fe和不可避免的杂质组成；浇铸；轧制；切割形成钢球坯；加热钢球坯，然后锻造；淬火，回火，随后进行空冷及精整处理，得到钢球。该发明的钢球抗磨损性能高，强韧性良好，在使用过程中不失圆，使用寿命长。中国发明专利cn102443741a还公开了一种用于球磨机的钢球及其制造方法。所述制造球磨机钢球的方法包括步骤：冶炼钢水；采用炉外精炼工艺处理钢水，得到的钢水按重量百分比计由0.90％～1.00％的c、0.30％～1.00％的si、0.80％～1.20％的mn、0.40％～0.70％的cr、0.01％～0.05％的ti、不多于0.025％的p、不多于0.025％的s、余量的fe和不可避免的杂质组成；浇铸；轧制；切割形成钢球坯；加热钢球坯，然后锻造；淬火，回火，随后进行空冷及精整处理，得到钢球。该发明的球磨机钢球抗磨损性能高，强韧性良好，在使用过程中不失圆，使用寿命长。采用上述方法获得的钢球尽管强韧性有所改善，普遍存在硬度低、耐磨性差的不足。
技术实现思路
1、本发明通过改变钢中合金元素设计和优化热处理工艺，获得马氏体-贝氏体-奥氏体复相组织，使耐磨钢球在保持高强韧性前提下，还具有高硬度和优异的加工硬化效果，从而显著提升钢球耐磨性。
2、一种高强韧耐磨钢球及其制备方法，具体制备工艺步骤是：
3、①采用中频感应电炉熔炼钢水，以废钢、增碳剂、铬铁、硅铁、金属铝和氮化锰铁为主要炉料；先将废钢、增碳剂和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后依次加入硅铁和金属铝，并将炉内钢水的化学成分及其质量分数控制在1.22-1.37％c,2.15-2.33％si,0.84-0.97％al,2.13-2.38％cr,≤0.80％mn,<0.040％s,<0.045％p,余量为fe和不可避免的杂质；然后将钢水升温至1623-1646℃，并加入经720-780℃预热200-230分钟的氮化锰铁，氮化锰铁加入量占炉内钢水质量分数的7.5-7.8％；氮化锰铁全部熔化后保温4-6分钟，然后将钢水出炉到钢包；钢包底部预先放入了铝镁多元合金块，铝镁多元合金块的颗粒尺寸4-8mm；铝镁多元合金块加入量占进入钢包内钢水质量分数的0.40-0.45％；铝镁多元合金块的化学组成及其质量分数是:4.17-4.72％mg,18.62-19.20％si,5.61-5.95％ca,2.62-2.96％ce,3.14-3.55％k,1.57-1.93％b,余量为al和不可避免的杂质；
4、②步骤①钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1518-1533℃时，将钢水在连铸机上浇注成直径为φ90～100mm的圆形钢棒，并将圆形钢棒的长度切割成6～8m；然后将长度为6～8m的圆形钢棒置于加热炉中进行加热，待圆形钢棒均匀加热至1180～1250℃并保温45-60分钟后，将圆形钢棒通过具有保温装置的钢棒输送装置输送至连续切断机进行切断后得到钢段，钢段长度控制在180-225mm；然后将钢段锻造成钢球，终锻温度控制在940～1020℃；
5、③当步骤②经锻造后钢球表面温度为940～1020℃时，直接将钢球在温度为55-80℃的热水中淬火冷却35-45秒，然后将钢球从热水中取出，并将经热水淬火过的钢球继续在温度为22-40℃淬火液中淬火冷却8-10分钟；淬火液由质量分数46-48％的na2sio3、5.5-6.0％的naoh和46.5-48％的h2o组成；
6、④将步骤③中经淬火液淬火后的钢球重新加热至180-195℃保温14-15小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得高强韧耐磨钢球。
7、如上所述氮化锰铁的化学组成及其质量分数是:74.83-75.57％mn,4.16-4.30％n,<0.5％c,<3.5％si,<0.3％p,<0.02％s,余量为fe和不可避免的杂质。
8、本发明为了提高耐磨钢球强韧性和耐磨性，通过在钢中增加铝、硅、锰等廉价合金元素，并优化热处理工艺，获得马氏体-贝氏体-奥氏体复相组织，使耐磨钢球在保持高强韧性前提下，还具有高硬度和优异的加工硬化效果，从而显著提升钢球耐磨性。一种高强韧耐磨钢球及其制备方法，具体制备工艺步骤是：
9、首先采用中频感应电炉熔炼钢水，以废钢、增碳剂、铬铁、硅铁、金属铝和氮化锰铁为主要炉料。采用中频感应电炉熔炼钢水，冶炼工艺简便，合金元素收得率高。本发明以废钢、增碳剂、铬铁、硅铁、金属铝和氮化锰铁为主要炉料，不含价格昂贵的钼、镍、钨、钒、铌等合金元素，确保了耐磨钢球原料成本低廉。本发明先将废钢、增碳剂和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后依次加入硅铁和金属铝，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在1.22-1.37％c,2.15-2.33％si,0.84-0.97％al,2.13-2.38％cr,≤0.80％mn,<0.040％s,<0.045％p,余量为fe和不可避免的杂质。本发明钢中硅含量高达2.15-2.33％si，硅元素在渗碳体中溶解度极低且可以有效抑制碳化物的析出。由于碳在铁素体中溶解度很小，从而使临近的奥氏体富碳，富碳奥氏体可以在室温下稳定存在。因此加入较多的硅元素可以促进淬火组织中生成较多的残留奥氏体，提高钢的塑性和韧性。此外，残留奥氏体在冲击磨损作用下发生加工硬化，可以进一步提高钢球耐磨性。但是残留奥氏体数量不能太多，残留奥氏体数量过多，反而降低钢的硬度和耐磨性。此外，残留奥氏体数量过多，耐磨钢球使用过程中易发生剥落和开裂，反而降低钢球的使用寿命。本发明通过控制铝含量和硅含量，确保耐磨钢球的淬火组织中，残留奥氏体体积分数控制在6-10％，具有优异的使用效果。
10、本发明将钢水升温至1623-1646℃，并加入经720-780℃预热200-230分钟的氮化锰铁，所述氮化锰铁的化学组成及其质量分数是:74.83-75.57％mn,4.16-4.30％n,<0.5％c,<3.5％si,<0.3％p,<0.02％s,余量为fe和不可避免的杂质。氮化锰铁加入量占炉内钢水质量分数的7.5-7.8％。氮化锰铁全部熔化后保温4-6分钟，然后将钢水出炉到钢包。氮化锰铁中的氮元素与钢中的铝元素易结合生成具有很高热稳定性的氮化铝，氮化铝的硬度通常为1800～2200hv。钢中原位生成的高硬度氮化铝，能显著提升耐磨钢球的硬度和耐磨性。氮化铝除了硬度高之外，氮化铝还具有许多其他优异的特性。例如，它的熔点为2200℃，沸点为2517℃，可以确保高硬度氮化铝在随后的锻造和热处理过程中能稳定存在。
11、本发明钢包底部预先放入了铝镁多元合金块，铝镁多元合金块的颗粒尺寸4-8mm；铝镁多元合金块加入量占进入钢包内钢水质量分数的0.40-0.45％。铝镁多元合金块的化学组成及其质量分数是:4.17-4.72％mg,18.62-19.20％si,5.61-5.95％ca,2.62-2.96％ce,3.14-3.55％k,1.57-1.93％b,余量为al和不可避免的杂质。加入的铝镁多元合金块中含有1.57-1.93％b，可以显著提高钢的淬透性，还有利于淬火组织中获得性能优异的贝氏体组织。此外，本发明材料中硅、锰含量高，铸造凝固组织粗大。本发明加入的铝镁多元合金块中含有2.62-2.96％ce,3.14-3.55％k和4.17-4.72％mg，可以促进凝固组织的显著细化。另外，4.17-4.72％mg的加入，因镁元素的熔点和沸点低，熔点648.8℃。沸点1107℃，加入钢水中易气化，促进钢包内钢水的翻腾，有利于低密度硼元素和氮化铝在钢中分布均匀。铝镁多元合金块含有5.61-5.95％ca，有利于改善钢中夹杂物的形态和分布，从而提升钢的强韧性。
12、本发明钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1518-1533℃时，将钢水在连铸机上浇注成直径为φ90～100mm的圆形钢棒，并将圆形钢棒的长度切割成6～8m；然后将长度为6～8m的圆形钢棒置于加热炉中进行加热，待圆形钢棒均匀加热至1180～1250℃并保温45-60分钟后，使圆形钢棒全部奥氏体化，有利于后续的锻造加工。将圆形钢棒通过具有保温装置的钢棒输送装置输送至连续切断机进行切断后得到钢段，钢段长度控制在180-225mm；然后将钢段锻造成钢球，终锻温度控制在940～1020℃。本发明将锻造后的钢球表面温度为940～1020℃时，直接在温度为55-80℃的热水中淬火冷却35-45秒。可以确保钢球中不出现低硬度的珠光体组织。如果钢球在热水中冷却时间过长，因钢球碳含量高，钢球极易发生开裂。
13、本发明随后将钢球从热水中取出，并将经热水淬火过的钢球继续在温度为22-40℃淬火液中淬火冷却8-10分钟；淬火液由质量分数46-48％的na2sio3、5.5-6.0％naoh和46.5-48％的h2o组成。在质量分数46-48％的na2sio3、5.5-6.0％的naoh和46.5-48％的h2o淬火液中淬火冷却8-10分钟，可以确保淬火组织中获得体积分数高达65-72％的性能优异的贝氏体基体组织。本发明淬火液操作简单、安全性高。作为一种环保型淬火液，本发明淬火液其成本相对较低，同时不会对环境造成污染，具有更好的经济性。本发明将经淬火液淬火后的钢球重新加热至180-195℃保温14-15小时后，可以去除钢球内应力，稳定组织。最后炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得高强韧耐磨钢球。
14、本发明与现有技术相比具有以下优点：
15、1、本发明耐磨钢球以廉价的硅、锰、铝为主要合金元素，不含价格昂贵的钼、镍、铌、钨、钒等合金元素，具有较低的生产成本。
16、2、本发明钢球基体组织中含有体积分数高达65-72％的性能优异的贝氏体基体组织和6-10％的残留奥氏体，其余基体组织是高强度的马氏体。另外钢球中还有高硬度的氮化铝耐磨硬质相，确保耐磨钢球的抗拉强度≥2200mpa，表面硬度≥62hrc，心部硬度≥61hrc，冲击韧性≥50j/cm2，表面硬度和心部硬度差小于1.5hrc。
17、3、本发明耐磨钢球具有良好的加工硬化效果，在φ10.36×5.49m的铁矿半自磨机机上使用，磨球表面硬度提升2.5-3.0hrc，磨球消耗量为1吨矿石消耗约520克磨球，与现常用磨球一吨矿石消耗910克磨球相比，磨球的消耗大大降低，明显减少了金属材料浪费，降低了生产成本，具有良好的经济和社会效益。
1.一种高强韧耐磨钢球的制备方法，其特征在于，使用中频感应电炉熔炼钢水，采用锻造成型钢球，具体制备工艺步骤包括如下：
2.按照权利要求1所述的高强韧耐磨钢球的制备方法，其特征在于，所述氮化锰铁的化学组成及其质量分数是:74.83-75.57％mn,4.16-4.30％n,<0.5％c,<3.5％si,<0.3％p,<0.02％s,余量为fe和不可避免的杂质。
3.按照权利要求1或2所述的方法制备得到的高强韧耐磨钢球。
