轧制磨球的选材及制造研究现状

董志超，宫本奎

（山东理工大学　材料科学与工程学院，山东　淄博255049）



生产技术

轧制磨球的选材及制造研究现状

董志超，宫本奎

（山东理工大学材料科学与工程学院，山东淄博255049）

摘要：介绍了轧制磨球的材料、性能及其制造工艺，分析了轧制磨球的发展趋势。轧制磨球向高碳低合金钢、高碳中锰钢、合金白口铸铁等多元化发展，高效率、高质量是轧制磨球生产线的发展方向。

关键词：轧制磨球；选材；制造工艺

1　前　言

磨球是球磨机的磨料介质，属于易损消耗品。常见的磨球生产方式主要有铸造、锻造、轧制等，磨球在电力、矿山、化工、冶金等行业中消耗量巨大，全球年消耗量在500万～600万t［1］。随着磨球行业的技术发展，常用的锻造球、铸造球对合金元素需求量大、成本高、力学性能不稳定等，已不能满足市场需求［2］。轧制工艺生产的磨球具有效率高、成本低、材料利用率高、轧制球型好等特点，具有高强度、高硬度、抗冲击等优良的综合性能，能够满足国内外磨球市场的使用要求，有较高的性价比［3］。本研究介绍了轧制磨球的材料、性能和生产工艺，分析了轧制磨球的发展现状。

2　轧制磨球的选材及性能

轧制磨球的材料主要为碳钢，含少量合金元素的低碳钢类锻轧磨球组织多为珠光体，硬度低、耐磨性能较差，现已逐渐被淘汰。目前，国内外主要选用高、中碳钢和中碳、高碳低合金钢作为轧制磨球材料。为了改善碳钢类锻轧球的使用性能，通常选择增加含碳量来提高磨球的硬度与耐磨性能。但碳含量并不是越高越好，磨球碳含量过高易出现淬裂以及淬火硬度不均匀的情况。一般情况下，碳质量分数控制在0.6%～0.8%。为了得到性能稳定的磨球，在高碳钢中加入合金元素以改善淬透性，使磨球组织硬度均匀。国内以中碳钢和中锰钢为材质锻轧生产的磨球，硬度可达48～60 HRC，冲击韧性4 J/cm2，力学性能较好［4］；以高碳低合金钢为材质生产的Φ65轧制磨球表面硬度在65 HRC，体积硬度62 HRC，冲击韧性20 J/cm2，在铜矿湿磨环境下使用良好［5］。

除碳钢类轧制磨球以外，国内有人提出了将白口铁加热工艺和斜轧制球工艺结合起来，进行斜轧白口铸铁磨球的研制。刘建华［6］以低合金白口铸铁为材质轧制的磨球，其主要组织为回火马氏体和共晶碳化物，组织致密，硬度在55～58 HRC，冲击韧性＞3.5 J/cm2，可抗小能量冲击，性能良好。另外，由于奥氏体—贝氏体球墨铸铁具有高硬度、高强度、良好的韧性以及抗疲劳等特点，季诚昌［7］研制的Φ 35～Φ60 mm、基体组织以马氏体和贝氏体为主的球墨铸铁轧球，硬度可达55 HRC，冲击韧性30 J/cm2，机械性能良好。磨球的性能主要由材质和成形工艺决定，其相关的国家标准及行业标准YB/T 091—2005《锻（轧）钢球》中对轧制磨球的成分和力学性能都有规定。我国几种锻轧磨球的化学成分和力学性能见表1［6-8］。

3　轧制磨球的制造工艺

3.1磨球的轧制

磨球的轧制工艺主要是螺旋孔型斜轧，又称斜轧。与常用的铸造、锻造磨球生产形式相比，斜轧磨球工艺具有生产效率高、材料利用率高、轧球质量稳定、使用寿命长等优点。在磨球的轧制过程中，轧辊孔型的设计与轧制材质形变程度直接相关，是影响磨球质量的主要因素［9-10］。国内在斜轧磨球成形理论和应用方面，做了大量的深入研究，保证轧制工艺生产出高性能的磨球。刘洪斌［11］在螺旋孔型斜轧钢球的塑性分析中采用流函数方法求解斜轧问题，通过分析轧制过程，获得相关参数的计算公式。董洪智［12］分析了Φ30 mm的斜轧球墨铸铁磨球在轧制时连接颈的受力情况，得出了在轧制Φ30 mm的球墨铸铁磨球时，选用的轧辊直径在Φ 290～Φ350 mm最合理。郭莹［13］对磨球斜轧机轧辊螺旋孔型使用有限元方法进行实体建模设计，克服了传统轧辊设计复杂和精度低的缺点，为磨球的数控生产提供了理论依据。

表1　我国几种锻轧磨球的化学成分和力学性能

轧制磨球的质量受轧制工艺的影响，轧制磨球的成形特点造成球边缘部分形变量大，球心部形变量小，会出现组织不均匀，导致磨球强度较差。在磨球外观上，由于棒材坯料的部分体积不受孔型的限制，会造成磨球出现工艺非圆面积。此外，磨球轧制温度的控制对其性能的影响也至关重要。轧制温度过低轧球坯料塑性差；轧制温度过高，易致使组织晶粒粗大，韧性低。张东彬［14］以低铬合金钢为材质，研究了不同斜轧温度对轧制磨球组织和性能的影响，提出了1 100℃斜轧+喷水冷却+（250～300）℃低温回火的轧制磨球生产工艺，得到钢球主要组织是回火针状马氏体和残留奥氏体，硬度在62～64 HRC，冲击韧性9 J/cm2。李慧［15］研究了1 040 ℃×40 min圆材加热斜轧生产的1.85% C、5.86% Cr中铬半钢磨球，其抗冲击破坏能力和耐磨性均好于同材料的铸造球，其冲击疲劳破坏实验的落球次数可达38 000。许兴军［16］以高碳低合金钢为材质，采用轧制工艺生产规格为Φ50 mm的磨球，轧制温度在980～1 050℃，终轧温度在920～950℃，表面硬度可达67 HRC，心部硬度60 HRC，平均体积硬度可达66 HRC，且分布较均匀，冲击韧性≥17 J/cm2。

3.2轧制磨球的热处理

磨球轧制成形后，仍然有很高的温度且分布不均匀，使得淬火时心部的温度偏高而造成淬火软点，导致硬度不足。磨球通过轧机后的温度及热处理工艺直接影响了磨球的组织和性能。为了降低磨球内部的热应力，减少开裂，使磨球在淬火后硬度分布均匀，必须配以适当的热处理使磨球获得理想的组织和优良的综合性能，以满足使用要求。根据轧制磨球的生产工艺特点，其热处理方式一般采用轧后余热进行淬火处理。淬火后进行低温回火，目的是消除淬火产生的残余应力，进一步提高磨球的综合性能。

轧制余热淬火是一种高温变形热处理，在塑性状态下进行轧制，使塑性变形强化与热处理相变强化结合，从而得到综合性能良好的磨球。余热淬火工艺具有生产效率高、节约能源等优点。轧制磨球要获得轧制余热淬火良好的工艺效果，要保证终轧温度、淬火温度和适合的低温回火温度。彭彩欣［17］采用余热淬火和余热回火的方法对球磨机湿磨用Φ 65 mm轧制钢球进行热处理，终轧温度950～980℃，淬火温度820～850℃，淬火终止温度140～150℃，回火温度为150～180℃。得到钢球的表面硬度达64.5 HRC，冲击韧性20 J/cm2，疲劳寿命超过30 000次。郭玉明、常立民［18-19］研究表明，低铬白口铸铁经1 000℃×40 min加热后轧制成球，采用轧后空冷和200℃×2 h回火处理的余热热处理方式可以提高斜轧低铬白口铸铁磨球的耐磨性和抗冲击破坏能力。于升学［20］研究了半钢经1 000℃×40 min加热后轧制成Φ50 mm的磨球，经余热风冷＋550℃×2 h回火，得到的半钢磨球硬度在48 HRC，疲劳寿命超过38 000次以上，耐磨性能和抗冲击破坏能力良好。

4　轧制磨球的发展

1）轧制磨球的选材向高碳低合金钢、高碳中锰钢、合金白口铸铁等多元化发展。2）轧制磨球在生产工艺上向高效率、高自动化方向发展，充分利用计算机技术的优势对轧球生产工艺及生产设备进行优化。3）轧制磨球具备高强度、高硬度、高耐磨以及较好的耐腐蚀性能，可在工况复杂和性能需求较高的条件下使用。随着轧制磨球的材质、工艺等方面研究的进一步发展，高效率、高质量是轧制磨球生产线的发展方向。

参考文献：

［1］徐佩芬，吴海平.耐磨球段的市场需求及应用［J］.铸造技术, 2012, 2（33）：200-201.

［2］王铁重.我国磨球的生产及使用状况［J］.水利电力机械，2005 （27）6：32-33.

［3］郎洪明.磨球的生产和选用现状及发展趋势［J］.热加工工艺，2010，39（15）：74-76

［4］于朝霞，吕富强，赵大宁.钢质磨球锻轧技术分析与设备选型［J］.锻压装备与制造技术，2004，39（6）：50-52.

［5］秘国芳.Φ65 mm超硬湿磨钢球的研制［J］.金属热处理学报，1999（Z）：263-266.

［6］刘建华，李云江，邢书明.斜轧合金白口铁磨球的研制［J］.热加工工艺，1995（5）：32-33.

［7］季昌城，朱世根，吴德海.可轧制新型贝氏体球墨铸铁的研究［C］//中国机械工程学会.2004中国铸造活动周论文集，大连：2004.

［8］罗元良，王桂珍.磨球的应用与选材［J］.矿山机械，1994（4）: 26-28.

［9］Kang Yongqiang, Liu Jinping, Yang Cuiping, et al. Metal deformation in skew rolling step-shaft［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2003，10（5）：59-63.

［10］Romanenko. V.P., Sizov. D.V. Simulation of the skew rolling of large ingots in a two-roller mill［J］.Steel in Translation, 2011，40（11）：945-948.

［11］刘洪彬，赵俊杰，梁义维，等.螺旋孔型斜轧钢球的塑性分析［J］.轧钢，2000，17（2）：14-16.

［12］董洪智，林忠钦，陈纬，等.斜轧磨球拉应力的分析［J］.机械设计与研究，2001（1）：36-38.

［13］郭莹.磨球斜轧机轧辊螺旋孔型设计［J］.金属铸锻焊技术，2011（9）：108-109.

［14］张东彬，吴承建，严忠慧，等.斜轧低铬合金钢磨球的形变热处理［J］.金属热处理，1992（4）：28-30.

［15］李慧.斜轧中铬半钢磨球的冲击疲劳和磨损性［J］.特殊钢，2001，22（1）：17-19.

［16］许兴军.轧制磨球用材料研究［J］.江苏冶金，2007，2（35）：32-35.

［17］彭彩欣.热轧磨球的余热淬火［J］.热加工技术与材料，2000 （11）：26-27.

［18］郭玉明，刘建华，邵光杰，等.轧后余热热处理对斜轧低铬白口铁磨球抗多冲击破坏能力的影响［J］.热加工工艺，2001 （5）：5-6.

［19］CHANG Limin, LIU Lin, LIU Jianhua. Properties of Cross-Rolled Low Alloy White Cast Iron Grinding Ball［J］. Journal of Iron and Steel Research, International，2007，14（5）：47-51.

［20］于升学，常立民，李长生.斜轧半钢磨球及力学性能试验［J］.机械工程材料，2002，26（2）：35-37.

Material Selection and Manufacture of Rolling Grinding Ball

DONG Zhichao, GONG Benkui

（College of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China）

Abstract:The material selection and properties, manufacture technology of rolling grinding ball is introduced. The development trend of rolling grinding ball is analyzed. The materials of rolling grinding ball to high carbon low alloy steel, high carbon and medium manganese steel, alloy white cast iron in diversified development. High efficiency and high quality is the development direction of rolling grinding ball production line.

Key words:rolling grinding ball; material selection; manufacture technology

中图分类号：TG335.6+1

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2016）02-0004-03

收稿日期：2016-02-23

作者简介：董志超，男，1989年生，山东理工大学材料科学与工程学院2013级硕士研究生，研究方向为先进金属材料。