球墨铸铁磨球及热处理技术的应用

姚锋敏，史新民，李 纲

（1.尖山益达铸造有限公司，山西太原 030022；2.北京英仁泰尔新材料科技有限公司，北京 100012）

人类对耐磨材料的系统研究已经有一百多年的历史。从高锰钢、合金钢、镍硬铸铁、低、高铬铸铁和球墨铸铁等不同类型的耐磨材料，都经历了研究、发展以及生产工艺不断完善和改进的基本过程。我国近几十年来在高锰钢强化、各种合金耐磨钢、低铬和高铬铸铁、球墨铸铁等耐磨材料的系统研究和应用方面都取得了很大成绩和显著的经济效益。球磨机用磨球在耐磨材料中占有较大比重，经过多年的发展，其生产工艺、设备条件以及质量控制方面也都有很大的改善，大大降低了用户易损件的消耗量和成本。

1 铸造磨球的选材、工艺和性能

铸造磨球是有色和冶金矿山、水泥建材、发电等行业应用量极大的一种耐磨产品。目前我国磨机主要应用的铸球有：高低铬铸铁磨球、球墨铸铁磨球及其他合金铸球。

由于历史原因，国内目前冶金矿山、水泥和火电行业使用的球磨机磨球，特别是水泥和电力行业，主要还是以耐磨铸铁球为主体，约占总需求量的90%以上。随着球磨机和磨球直径向大型化方向发展，磨球的需求呈多样化趋势。

1.1 低铬铸铁磨球

低铬铸铁磨球采用低铬白口铸铁，含铬量一般在1%～3%，一般采用铁模浇铸工艺。低铬铸铁铸造磨球由于其生产工艺简单，合金含量低，对工人技能和生产条件要求低，使得其价格较为便宜。低铬铸铁在上世纪七十年代以来曾是我国普遍采用的一种铸造磨球材料。

低铬铸铁磨球仍然具有一定市场份额，主要是因为价格较便宜，对一些性能指标要求不高的小磨机，还有一定市场。但其具有一定缺陷，主要是：

1）硬度低，韧性差，磨耗高。低铬磨球硬度HRC≥45，冲击韧性≥2 J/cm2；据国内各选矿厂常年磨耗统计，现用的低铬铸铁磨球在有色合金铜矿中的平均磨耗为：0.8 kg/t～1.0 kg/t.铁矿约为：1.2 kg/t～1.5 kg/t，磨耗较高。

2）易破碎和失圆。由于低铬铸铁磨球硬度偏低，易失圆，破碎率高，并容易造成磨机隔子板堵塞，使研磨效率大大降低，如图1 所示。

图1 破碎和失圆的低铬磨球

3）低铬磨球中仍含有一定量的铬，而铬是我国的稀缺元素，磨球的消耗伴随着铬元素的彻底消失。

随着矿山领域球磨机的尺寸愈来愈大，对磨球的抗破碎能力、磨耗以及节能要求愈来愈高，低铬铸铁磨球暴露出来的使用问题愈加突出，因此，低铬铸铁磨球目前在国内市场占比逐渐减少。

1.2 高铬铸铁磨球

高铬铸铁磨球选用高铬白口铸铁，含铬质量分数一般在10%～13%，绝大多数采用铁模覆砂生产工艺，并进行油淬+回火热处理工艺。高铬铸铁磨球加入铬后，增加了磨球的淬透性，提高了磨球的硬度。高铬磨球在水泥和和冶金矿山行业应用广泛，得到了业界的普遍认可。其具有如下特点：

1）硬度高：根据国内矿山高铬磨球生产经验，高铬磨球表面硬度一般达到HRC56 以上，冲击韧性≥3 J/cm2.

2）价格较高：由于其加入了大量的铬合金，使得成本比低铬磨球大大提高。

高铬铸球的硬度比低铬磨球高，韧性也比低铬铸铁磨球好。目前，国内外磨球市场中，相对于低铬铸铁磨球高铬铸铁磨球的市场占比逐渐增长。但是，采用高铬铸铁磨球，也存在两大问题：

1）铬是一种贵重合金元素：磨掉损失的铬元素无法回收，通过尾矿排放到大自然中去。我国铬元素的资源比较缺乏，绝大部分靠进口。从世界资源保护的角度和将来铬合金价格的市场波动潜在可能性来看，作为一种工业长期应用和大量消耗的磨球产品，采用高铬合金元素作为磨球材料不是一种理想的技术方向。

2）高铬铸铁磨球的韧性虽然比低铬铸铁磨球要稍高一些，但仍然不能满足大型球磨机以及半自磨机对大直径磨球韧性和抗破碎能力的要求。由于合金含量较高，韧性尚嫌不足，因此，其市场占有份额也受到一定限制。

1.3 球墨铸铁磨球

最近十几年来，我国在研究国内外磨球材料发展的基础上，研发了一种采用球墨铸铁材料来制作球磨机磨球，取得了明显的效果。其中，比较有代表性的是Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球以及等温淬火球墨铸铁磨球。球墨铸铁磨球可采用铁模覆砂工艺生产，采用油淬回火、水基淬火回火或等温热处理工艺。由于球墨铸铁磨球中碳以球状石墨的形态存在，有效避免了应力集中现象，因此具有较好的冲击韧性。通过合理的化学成分构成，有效的孕育球化及热处理工艺来调节基体组织，可以使得球墨铸铁基体的综合力学性能更好。

球墨铸铁磨球中存在着大量的球形石墨，有利于减轻外力对基体的冲击和吸收大量的冲击功，同时球形石墨有利于终止基体组织中微裂纹的延伸和扩展，有较好的抗破碎能力。因此对于球墨铸铁磨球的球化率和球化等级要求较高，越好的石墨等级越有利于球墨铸铁磨球具有较好的性能。

Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球就是通过加入硅锰合金来调整石墨球化和淬火性，使得球墨铸铁磨球在保证较低的成本前提下具有较高的硬度和冲击韧性指标。

目前球墨铸铁磨球热处理采用的淬火介质有：油淬火、盐浴淬火和水基淬火，油淬火和盐浴淬火均对环境有一定污染，需要投入大量环保设备以确保将污染降低到最低水平。水基淬火相对而言更环保。国内目前采用的各种磨球情况对照如表1 所示。

表1 国内目前采用的各种磨球对比

2 球墨铸铁磨球材料和热处理工艺

当前磨球的使用领域主要在矿山、水泥、电力行业，磨球市场面临着激烈的竞争，磨球生产对成本的压力也愈来愈大，迫切需要高性价比的磨球产品。这就对磨球材料及成分的选择提出了更高的要求，限制了贵重合金的使用。

2.1 球墨铸铁磨球的制约因素

近年来奥贝球墨铸铁（ADI、CADI）以其优异的力学性能在磨球材料选择方面得到了长足的发展，但是要想稳定生产出优异的ADI 或CADI 磨球，具有两个重要的制约因素：

1）加入贵重合金元素。由于磨球淬透性的原因，为保证磨球内外组织的均匀性和生产的稳定性，当磨球直径大于80 mm 的情况下，传统球墨铸铁球必须添加诸如Mo、Cu 等贵重合金元素，并且随着磨球直径的增加合金元素的添加量也必须随之增加，大大提高了传统球墨铸铁磨球的生产成本。

2）盐浴等温热处理。在加入贵重合金元素的情况下，稳定地获得奥贝组织，必须对磨球进行盐浴等温处理。由于盐浴等温装备的投入巨大，且盐浴的熔化和保温需要消耗大量电能，同时盐池容积有限，造成生产不能有效地连续运行，使得生产周期加长，生产成本提高。同时由于硝酸盐的加热可分解为亚硝酸盐，会对环境和操作人员造成不良影响，为达到环保要求必须投入相应的环保设备，进一步增加了成本。

所以，成本高昂和环保问题是传统ADI 和CADI 发展的两个重要的限制因素。

2.2 Si-Mn 合金球墨铸铁磨球

要克服传统生产奥贝球铁磨球过程中存在的不足，首先就需要从材料上寻找廉价的合金组合来替代Mo、Cu 等贵重合金元素。通过多年来的实践研究和改进，用Si-Mn 元素替代Cu、Mo 等贵重合金元素，以恰当的化学成分组合生产制造球墨铸铁磨球，比较好地解决了上述问题。

Mn 是较廉价的合金元素之一，其作用能象Cu、Mo 一样扩大奥氏体区，使C 曲线右移，从而增加淬透性，有利于贝氏体、马氏体形成。但是Mn 又是反石墨化元素，且易产生正偏析，促进在共晶团边界产生碳化物，使硬度偏高而韧性下降。Si 也是一种廉价的合金元素，是强烈促进石墨化元素，加入适量的硅，可以有效地抑制由于加入Mn 而带来的碳化物析出和韧性降低。生产制造过程中，还要严格控制孕育和球化质量。这样就使新型Si-Mn 合金化球墨铸铁成为一种新兴磨球材料，以廉价的金属元素替代昂贵的合金。其材料成分如表2 所示。

表2 Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球化学成分（质量分数，%）

2.3 Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球淬火介质的选择

球墨铸铁磨球使用的淬火介质应具有以下两个特性：1）淬火介质在磨球高温阶段具有快速的冷却速度；2）淬火介质在磨球低温阶段具有缓慢的冷却速度。

常用冷却介质中，冷却速度较快的介质是水。磨球在水中淬火，高温阶段冷却速度快，但在低温马氏体转变区域过快冷却速度会造成磨球开裂；传统的球墨铸铁磨球使用淬火油淬火，虽然在低温阶段具有较慢的冷却速度，但高温阶段冷却速度并不理想；理想的淬火介质应该在高温阶段具有水一样的快速冷却速度，而在低温阶段具有淬火油一样缓慢的冷却速度。

水基淬火介质是近几年发展起来的一种新型淬火介质，一般为高分子聚合物，无限溶解于水。其在磨球高温阶段冷却速度快，而在低温阶段具有较慢的冷却速度，冷却数据如图2 和表3 所示。

图2 水基淬火介质的冷却曲线

表3 水基淬火介质的冷却数据

水基淬火剂为粘稠液体，色白或微黄，比重略大于水为1.05～1.1，弱碱性（PH 值为7～9）.由于分子链之间键合力很强，在淬火冷却使用中不易断链，耐老化，使用寿命长，对Si-Mn 合金化的球墨铸铁球是一种优越的淬火介质。

通过控制水基淬火介质的浓度，调整淬火液温度，控制淬火时间等多种手段可以实现Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球的淬火过程符合磨球基体组织转变的要求，使得磨球性能最终达到甚至超过传统球墨铸铁磨球。

2.4 Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球的热处理过程

Si-Mn 合金化球墨铸铁的热处理过程与其他球墨铸铁类似，大体上分为加热、淬火处理、回火或等温三个阶段。其加热过程曲线如图3 所示。

图3 Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球加热曲线

低温阶段加热应缓慢充分，到达奥氏体化温度后要有适当的保温时间，为碳及相关合金元素的扩散创造有利的条件，通过调整奥氏体化温度和保温时间来微调淬火以后金相组织的变化，以满足不同工况对磨球性能的需求。Si-Mn 合金化球墨铸铁球入液后要迅速通过C 曲线珠光体转变区。淬火后期低温阶段要缓慢冷却，进行马氏体转变。

通过严格选择冷却介质，确保冷却特性符合工艺要求、控制磨球出入液温度及时间等工艺参数，来达到对淬火过程的有效控制。淬火处理以后的磨球由于组织转变导致内应力很大，此时磨球脆性较大，要求及时进入回火阶段进行较为充分的回火。回火对Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球的韧性提高和性能稳定具有非常重要地意义。其回火曲线如图4 所示。

图4 Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球回火曲线

2.5 Si-Mn 合金球墨铸铁磨球组织及性能

要做好Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球，首先要将球墨铸铁磨球的球化做好，石墨球大小和数量均匀，球化等级要追求做到Ⅰ-Ⅱ级，如图5、图6 所示。整个热处理过程结合磨球化学成分，制订科学的热处理工艺，合理控制基体马氏体、贝氏体、碳化物和残余奥氏体数量、形态及分布。

图5 磨球表面位置球化金相图50×

图6 磨球0.5R 位置石墨球金相图

合适的金相组织才能实现合适的磨球性能。Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球理想的金相组织以马氏体和少量贝氏体为基体+适量残余奥氏体和碳化物+石墨球。具体金相组织如图7 和图8 所示。

图7 磨球表面位置金相图1 000×

图8 磨球0.5R 位置金相图1 000×

通过金相分析可知，从表面到内部组织都由石墨球（球化效果良好）、马氏体、奥氏体和部分碳化物组成，组织均匀性较好，可以使铸球各部分力学性能较为均匀（如硬度）。表4 为经水基淬火介质淬火并回火处理的φ100 mm 球墨铸铁磨球性能。图9 为磨球硬度检测位置。

图9 磨球硬度检测位置图

Si-Mn 合金化球墨铸铁具有良好的淬透性，通过表4 可发现磨球心部硬度达到HRC51 左右，说明心部已经淬透。球心与球表面硬度差仅有2HRC左右，说明硬度分布比较均匀。该磨球存在加工硬化功能，磨球运行一段时间后，表面的残余奥氏体组织在外力作用下转变为马氏体组织，表面硬度提高，硬度可达HRC58.良好的冲击韧性可使落球次数达到20 000 次耐不破碎。

表4 Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球性能

Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球兼具高硬度和高韧性的特点，该种磨球在中国黄金下属矿山直径8.8M磨机上应用取得成功，开创了铸造磨球在大型半自磨机上应用的先例。该种磨球在太钢袁家村铁矿的φ10.37 m×5.49 m 半自磨机上进行了适应性应用，根据袁家村矿选矿部出具的报告，试验结果符合预期要求。磨球平均硬度HRC51.3，碎球率1%与原有磨球相近。铸球适应性应用期间，袁家村矿一系列半自磨处理量稳定在950 t/h，运行功率介于6 065 kW～7 985 kW，一段旋流器溢流粒度稳定率96.04%，生产工艺指标正常。

3 球墨铸铁磨球热处理装备

针对Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球的特性，热处理装备要具有高性价比和生产运行低成本的特点。经过多年的努力，研发出热处理自动线，磨球水基热处理生产自动线系统如图10 所示。该热处理自动线由料筐返回与磨球预热系统、气体保护加热保温炉、水基淬火处理中心、变频调速网带回火（等温）炉及自动控制检测系统五部分组成。目前有年产2 万吨水基淬火热处理机组、大球水基淬火热处理自动线、小球水基淬火热处理自动线三种规格的生产线。

图10 Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球水基热处理自动线

该热处理自动线加热部分采用料筐装球，料筐在封闭轨道内按设置好的推料节拍自动推料运行，将整个加热过程分为预热和加热两个独立的单元，其中高温加热单元采用了炉内气体保护，减少了磨球氧化脱碳。磨球进入水基淬火单元后要控制磨球和淬火介质温度，并实现自动闭环调节。该热处理线配备了水基介质自动控制冷却加热系统、磨球温度自动调节系统，使水基介质与磨球温度实现了闭环自动调节，较好地解决了磨球淬火过程的控制保障问题。回火采用变频调速网带炉，该网带炉温度控制精确，使磨球均匀地分布在网带上，与传统的磨球回火炉相比节省了料筐成本和能源消耗，回火完成的磨球从网带炉直接落入料斗。

磨球水基淬火热处理自动线，除了可以完成Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球的连续冷却+回火工艺外，还可以模拟接近等温处理过程，也可以处理高、低铬等其他材质磨球。

4 结论

通过近几年对Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球的研究，可以得出以下结论：

1）球墨铸铁磨球表面硬度与高铬合金磨球接近，但冲击韧性指标更高，从长远来看更具优势；

2）球墨铸铁磨球使用较便宜的Si、Mn 等元素替代稀有昂贵的Mo、Cu 等合金元素，降低了磨球生产成本；

3）球墨铸铁磨球通过控制石墨球的球化工艺，合理调整Si/Mn 含量，可以保证磨球基体性能；

4）选择新型环保水基淬火介质及合理的热处理工艺，可以使Si-Mn 合金化的球墨铸铁球具有较好的性能指标；

5）实践证明Si-Mn 合金化球墨铸铁磨球用在大型半自磨机上效果良好。