1钇基重稀土在铬系铸造磨球生产中的应用实践高 杰（安徽省凤形耐磨材料股份有限公司 宁国市 242300）摘 要:通过对铬系合金铸造磨球使用钇基重稀土进行孕育变质处理及微合金化和优化热处理工艺等技术措施，在减少铬、 钼、镍、 钒、铜等贵重稀缺金属元素用量的同时，显著提高铸造磨球的综合机械性能关键词：钇基重稀土 铸造磨球 机械性能一、简述磨球作为一种研磨介质广泛应用于建材水泥、矿山冶金、能源火电、非金属加工、水煤浆及磁性材料等行业的粉体工程因需满足不同行业、不同设备与不同工况条件的要求，制造磨球的材质亦多种多样，如锻制钢球、球墨铸铁磨球、铬合金铸造磨球等，规格亦从 Ø6mm 到 Ø150mm 甚至更大直径铬合金铸造磨球是在锻钢磨球、球铁磨球基础上发展起来的新一代高效磨球根据国家及相关行业标准，铬合金铸造磨球中铬元素的含量为1.0%--30.0%，高铬磨球中的铬元素含量为≧10%由于高铬铸铁磨球组织中含有较高比例的铬碳化物，其强韧性远远高于铬元素含量为 1.0%--3.0%低铬铸造磨球，在工业实践中已逐渐取代低铬铸造磨球而成为研磨介质的主流近几年来，随着我国水泥工业、矿山工程的持续高速发展，每年所消耗的高铬铸铁磨球、磨段已达 250 万吨左右。
铬合金铸造磨球的主要合金元素是金属铬，而铬目前在全球范围内都属于非常稀缺的贵重金属资源近几年在国内、国际市场上的售价不断攀升，钼、镍、钒、铜等贵重稀缺金属元素的价格也是一涨再涨，导致高铬铸铁磨球的制造成本大幅增加，给磨球生产企业及磨球相关用户的经营活动都带来较大的压力加之我国水泥、原矿石的产量不断提高（2008 年水泥产量已超过 14 亿吨，原矿石产量近 50 亿吨） ，以及球磨机的直径、功率及产能朝着大型化、高效化发展，对磨球的需求量逐年增长，对磨球质量的要求也越来越高，希望铬合金铸造磨球的硬度更高、韧性更好、磨耗更低，以创造更好的经济、社会效益2为此，在保证或提高铬合金铸造磨球各项性能指标的同时、运用先进的学科理论和工艺技术，设法减少金属铬、钼等稀缺元素的成分比例、降低磨球的制造成本，研发并批量生产新一代优质高效铸造磨球成为耐磨材料行业科技工作者为之努力的目标根据相关文献介绍，与铈、镧等轻稀土相比，重稀土钇更为明显地改善铬合金白口铸铁的基体组织及碳化物的形态，使铸件的硬度、冲击韧性都有较大的提高安徽省凤形耐磨材料股份有限公司通过不懈的技术创新，成功研发并批量生产出超硬普通高铬铸造磨球（凤形一号）和高碳多元合金铸造磨球（凤形二号） ，取得了明显的技术效果及经济效益，并于 2008年度先后通过安徽省科技厅的科技成果鉴定。
二、效果：根据现行国家标准及行业标准中铸造磨球的常规化学成分，安徽省凤形耐磨材料股份有限公司经反复优选实验，把超硬普高铬铸造磨球（凤形一号）的化学成分控制在以下范围：C：1.8-3.2%，Si:0.3-1.0%，Mn:0.3-1.0%，Cr:10.0-12.0%，P:≤0.1，S:≤0.1；Cu、Mo、Ni、W、V、B 及复合稀土微量高碳多元合金铸造磨球（凤形二号）的化学成分控制在以下范围：C：1.4-1.8%， Si:0.5-0.9%， Mn:0.7-1.4%，Cr:4.0-7.0%，P:≤0.1，S:≤0.1；Cu、Mo、Ni、W、V、B 及复合稀土微量熔炼设备为中频电炉，便于铁水成分的控制与调整合金元素分析与机械性能测试采用直读光谱仪、洛式硬度计、冲击实验机、落球实验机、动态磨损试验机及数控线切割机等在熔炼工序，经直读光谱仪检测化学成分合格的铁水用重稀土钇作为变质剂进行复合变质处理后，采取恒温浇铸装置在金属模覆砂机械化铸球生产线上连续浇铸以生产出各种规格的磨球铸态磨球经清理初检后，转3入热处理工序进行油介质淬火及低温回火处理，回火后的产品再经机械性能检测及掼制试验合格后入库。
经检测，磨球经重稀土钇复合变质处理、微合金化及优化的热处理后，基体组织和碳化物状态均发生了较大的变化主要表现在： (1) 晶粒明显细化,晶粒度级别指数由传统高铬白口铸铁的 2-3 级，提升到 7—8 级（单位体积晶粒数为每立方毫米 4.8—15.8 万个)如下图：(2) 铸态缺陷明显减少，尤其是夹杂物的数量明显减少稀土钇具有较强的净化晶界作用，能减少晶界有害元素和夹杂的偏聚，改善夹杂物的形态、大小和分布，减少应力集中和裂纹源，提高了晶界的结合强度，达到晶界强化的作用，从而提高材质的强度、韧性，减少疲劳磨损、微切削磨损和剥落磨损3) 铸态组织避免和消除了网状碳化物，基体为细片状马氏体稀土钇明显改善碳化物的形态和分布，使原来的网状、鱼骨状碳化物，趋于小块状、粒状分布，并且分布均匀，减少碳化物对基体的割裂作用，减少应力集中经国家钢铁产品质量监督检验中心多次检测，超硬普通高铬铸造磨球（凤形一号）的铬元素含量为 10.0%-10.5%，硬度 HRc64-66；高碳多元合金铸造磨球（凤形二号）的铬元素含量为 4.0%-7.0%，硬度 HRc62-63；与现行国家标准及行业标准的同类磨球技术参数相比，铬含量减少了 30-60%，硬度却分别提高了 14.3%和 19.2%，落球冲击韧性试验次数提高了近4一倍，具体数据如表 1、表 2。
表 1表 2 国家标准: 《铸造磨球》GB/T17445-1998;建材行业标准: 《建材工业用铬合金铸造磨球》JC/T533-2004冶金行业标准：《合金铸铁球》YB/T092-2005以上两类磨球产品经国内多家水泥企业和火电厂试用，不剥落、不变形、不失圆，磨耗同比降低 25%-32%，磨球破碎率均在 0.5%以下三、结论实践证明，钇基重稀土元素的加入，对铁水有净化、变质和促进合金化的作用稀土元素与铁水反应形成微细质点，在凝固过程中促进非自发形核，降低形核功，增大形核率，改变了铁水的凝固过程和铸态组织另外，钇基重稀土又是表面活性元素，吸附于正在长大的固态晶核表面，形成薄子膜，阻碍了晶体生长所需的原子供应，从而降低了晶体长大率，这高铬铸造磨球国家标准（含 Cr7-10％）冶金标准（含 Cr7-10％）建材标准（含 Cr7-10％）凤形一号（含 Cr10-10.5％）表面硬度（淬火态） HRc≥56 ≥56 ≥56 ≥64落球试验次数（≦Ø80） ≥8000 ≥8000 ≥8000 ≥15000破碎率 ≤1% ≤1% ≤1% ≤0.5%铬合金铸造磨球 国家标准（含 Cr7-10％） 冶金标准（含 Cr5-10％） 建材标准（含 Cr7-10％） 凤形二号（含 Cr4-7％）表面硬度（淬火态） HRc≥52 ≥52 ≥52 ≥62落球试验次数（≦Ø80） ≥8000 ≥8000 ≥8000 ≥18000破碎率 ≤1% ≤1% ≤1% ≤0.5%5样可以抑制柱状晶的成长，细化晶粒组织，减少枝晶偏析和区域偏析。
稀土元素还可以起到固溶强化作用，形成高硬度、细小、弥散分布的合金碳化物质点，起到弥散强化作用，从而提高磨球的耐磨性铬系合金铸造磨球的力学性能与其成分设计、熔炼与浇铸工艺、热处理工艺密切相关，在合金熔制过程进行的变质处理效果尤为重要变质处理温度、变质处理前铁水品质、稀土钇的加入量、加入顺序和方式均直接影响铁水的变质处理效果通过采用重稀土钇对铬合金铸造磨球进行复合处理，以及多元微合金化及优化热处理工艺技术，使磨球的硬度、韧性及抗疲劳能力均有较大幅度的提高，磨耗亦明显降低同时由于减少铬、钼等稀缺贵重金属的添加量，可为国家节约大量的稀缺贵金属铬，又为企业降低生产成本、用户降低消耗，其社会、经济及环保效益均相当显著在铬系合金铸造磨球的研究开发和生产应用中，应防止片面追求高合金化生产企业应在加大产品研发力度及提高工艺装备的技术水平，在努力提高磨球抗磨性能的同时，尽量降低昂贵、稀缺合金元素的使用量，运用最新的理论科学与最新的工艺技术指导生产实践，敢于不断创新，以获得铸造磨球最理想的金相组织和力学性能二〇〇九年三月六日6高 杰: 高级工程师，E_mail:ahfx@ 。