作者：刘燕平、杨清、朱福生、钟伟昌
摘要：本文研究了新成分YFB变质剂对磨球的金相组织、夹杂物形态数量和力学性能的影响，并在相同条件下和稀土硅铁合金在磨球中的作用进行比较，经多次对比实验，新成份YFB变质剂变质效果优于轻稀土硅铁合金，成本较稀土硅铁合金更低，能细化基体晶粒和碳化物，而且能起到除气、消除夹渣物的作用。
关键词：新成份YFB变质剂、磨球、细化碳化物
1. 实验背景
耐磨球是一种用于球磨机中的粉碎介质，用于粉碎磨机中的物料，一种是以铬为主要合金元素的白口铸铁简称铬合金铸铁，以铬合金铸铁为材料的铸造磨球称为铬合金铸铁磨球，另一种是以球墨铸铁为材料的铸造磨球称为球墨铸铁磨球，其中通过热处理获得的基体组织主要是贝氏体的球墨铸铁磨球简称贝氏体球铁磨球。本文试验对象为铬系耐磨球。耐磨球广泛应用于冶金矿山、水泥建材、火力发电、烟气脱硫、磁性材料、化工、水煤浆、球团矿、矿渣、超细粉、粉煤灰、碳酸钙、石英砂等行业球磨机。据统计2013年全国磨球消耗已经超过200万t,冶金矿山消耗的磨球占各行业磨球消耗总量的70%，其中水泥建材行业中磨球消耗占主要工序消耗的45%[1]。
我公司经过长期的市场调研，发现全国大多数的磨球生产企业都会添加轻稀土硅铁合金进行净化铁水、变质处理，进而提高磨球的使用寿命。研究表明,稀土对高铬铸铁中碳化物的数量、形态及奥氏体枝晶间距无明显影响,但可使其中的夹杂物组成、形态得以改善,夹杂减少[2]。单一的稀土硅铁合金虽然能起到部分作用，但是仍然存在不少问题，比如夹渣、气孔并没有得到有效的控制，还有采用自动生产线的厂家，还常发生浇口结瘤堵塞浇口现象。为我司经过多次对比实验，认为我司开发的新成份YFB变质剂变质效果优于轻稀土硅，而且成本较稀土硅铁合金更低，使用方便，且不会增加浇口结瘤堵塞浇口现象的发生，而且能起到除气、消除夹渣物的作用。经过多年的推广，已在全国各大磨球生产企业批量使用，取得了非常好的经济效益。
我公司充分利用钇基重稀土的独特优势开发了YFB系钇基重稀土复合变质剂[3]，此次试验在这基础上进行了进一步的优化，在保证效果的前提下进一步降低了生产成本，使大多数耐磨件生产厂家都能用得好、用得起。
2. 实验方法
试验磨球成份见表1
2.1试验过程
采用50kg中频感应炉熔炼，先加生铁、废钢入炉熔化，待其熔清后加入锰铁、铬铁，熔化后升温至1460℃扒渣，然后再造渣，再次扒渣升温到1490℃加入铝线脱氧，扒渣后出炉。
选取Φ80mm的磨球作为试验样，采用铁模覆砂工艺生产，在1400-1420℃浇注，用石墨坩埚为浇注包，一模浇注4个球，变质剂及稀土硅的加入量均为0.2%。变质剂（稀土硅铁）均加在包的底部，并适当覆盖铁屑或打渣剂，然后出铁水，铁水不能直冲到变质剂（稀土硅铁）。变质处理完后马上进行扒渣处理，然后挡渣快速浇注于铁模内，冷却后即可开箱清理。
中铬磨球清理出来进行热处理，工艺为：油淬+回火。低铬磨球未进行热处理。热处理后试样用电火花线切割机在每个球的中心取4根10×10×55mm的冲击试样，以备检测试样的金相组织及力学性能。
2.2试样制取
2.2.1磨球化学成份
据目前市场上较常用到的磨球，选择如下两种低、高铬磨球成份进行实验，如下表：
表1：磨球化学成份w(%)
名称 | 试样编号 | C | Si | Mn | S | P | Cr |
低铬球 | 1-1 | 2.1-2.3 | 0.65 | 0.8 | 0.03 | 0.05 | 2.01 |
1-2 | 2.1-2.3 | 0.62 | 0.8 | 0.024 | 0.045 | 1.95 | |
高铬球 | 2-1 | 1.9-2.1 | 0.6 | 0.8 | 0.033 | 0.051 | 9.5 |
2-2 | 1.9-2.1 | 0.55 | 0.8 | 0.029 | 0.055 | 10.1 |
2.3试验数据
2.3.1金相组织
2.3.1.1低铬球
图1-1：YFB变质处理 图1-2轻稀土硅变质处理
2.3.1.2高铬球
图2-1：YFB变质处理 图2-2轻稀土硅变质处理
2.3.2夹渣物
2.3.2.1低铬球
图3-1：YFB变质处理 图3-2轻稀土硅变质处理
2.3.2.2高铬球
图4-1：YFB变质处理 图4-2轻稀土硅变质处理
2.3.3力学性能
表2：两种变质处理工艺下冲击值和硬度
试样名称 | 试样编号 | 冲击值(J/cm2) | 硬度（HRC） | 备注 |
低铬球 | 1-1 | 3.89 | 48.89 | 新成份YFB变质 |
1-2 | 3.37 | 47.61 | 轻稀土硅变质 | |
高铬球 | 2-1 | 5.97 | 58.63 | 新成份YFB变质 |
2-2 | 5.24 | 58.55 | 轻稀土硅变质 |
注：以上数值均为8个试样的平均值。
2.4实验结论
2.4.1从金相组织上看，添加新成份YFB变质剂后基体晶粒相比较添加轻稀土硅要细1级左右；夹渣物明显减少，如图3和图4.
2.4.2碳化形态分析：图1-1和图1-2都是典型的连续网碳化物和蜂房状莱氏体，马氏体呈针片状，尺寸均较大；图2-1碳化物形态呈断连续状或团状，有部分孤立块碳化物；碳化尺寸相比图2-2要细小，说明变质剂对碳化形态有细化作用。
2.4.3从力学性能上看，加新成份YFB变质剂相比较添加轻稀土硅冲击性能稍有提高，硬度没有什么变化，此应归结于夹渣物的减少和碳化物的细化。
2.4.4从成本上分析，新成份YFB的售价比轻稀土硅便宜，节约成本，经济效益显著，提高企业的竞争力。
3、厂家应用
3.1安徽宁国某厂，金属型铸造生产Ø80mm磨球,其使用新成份YFB变质剂应用数据见表3.
表3 不同变质剂、热处状态对硬度和冲击韧度的影响
序号 | 牌号 | 变质剂 | 热处理状态 | 冲击值(J/cm2) | 硬度（HRC） |
1 | ZQCr5 | 稀土硅铁0.2% | 铸态 | 3.6 | 45-48.5 |
2 | ZQCr5 | 稀土硅铁0.2% | 350℃×3h回火 | 4.5 | 51-55 |
3 | ZQCr15 | 稀土硅铁0.2% | 950℃×2.5h空冷+300℃×3h回火 | 4.9 | 55-59 |
4 | ZQCr5 | YFB 0.2% | 铸态 | 4.2 | 51-56 |
5 | ZQCr5 | YFB 0.2% | 400℃×3h回火 | 5.3 | 57.3-62.7 |
6 | ZQCr15 | YFB 0.2% | 980℃×2.5h空冷+300℃×3h回火 | 7.9 | 56.6-60.5 |
3.2湖北某厂，全自动金属型铸造生产Ø80mm磨球，其使用新成份YFB变质剂应用数据见表4.
表4 不同变质剂、热处状态对硬度和冲击韧度的影响
序号 | 牌号 | 变质剂 | 热处理状态 | 冲击值(J/cm2) | 硬度（HRC） |
1 | ZQCr2 | 稀土硅铁0.2% | 铸态 | 2.9 | 43-47.5 |
2 | ZQCr2 | 稀土硅铁0.2% | 300℃×3h回火 | 3.5 | 48-53 |
3 | ZQCr10 | 稀土硅铁0.2% | 930℃×3h空冷+300℃×3h回火 | 4.1 | 49-55 |
4 | ZQCr2 | YFB 0.15% | 铸态 | 3.2 | 48-51 |
5 | ZQCr2 | YFB 0.15% | 910℃×3h空冷+350℃×3h回火 | 4.4 | 56-59 |
6 | ZQCr10 | YFB 0.15% | 350℃×3h回火 | 5.8 | 57.3-59.8 |
