基于釩鈦摻雜的高鉻磨球材料性能研究①

武鑫龍，王 濤，凌清峰，張 可，萬 新，秦躍林，張明遠

（重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶 401331）

磨球是球磨機中的一種研磨介質，需要具有較高的硬度、耐磨性和較好的沖擊韌性［1－2］。磨球的磨損問題非常嚴重［3－4］，據統計，我國每年因磨球損耗而造成的經濟損失超過千億元［5］，因此，對磨球的性能提出了更高要求［6］。

目前，國內廣泛使用高鉻磨球材料，它具有良好的抗磨特性，但強度和韌性仍需提高，且生產成本較高。當前的優化手段多是開發新型磨球材料或者改善其成分，如研發熱軋鋼球，特高鉻系、高鉻硅系、鎢高鉻系磨球［7－8］。本文基于企業生產實際，使用釩鈦元素取代磨球中的部分鉻元素，研究加入釩鈦后磨球材料的性能，實現提高礦產開發效率、優化磨球質量、降低生產成本的目的。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗方案

由于實驗室條件與生產實際存在差異，實驗室得到的產品與企業實際應用的產品不具備可比性，這里，首先分析企業提供的樣品化學成分，以此為基樣，設計實驗方案，采用相同的工藝進行冶煉、熱處理，得到實驗產品并進行性能測試，以了解改變成分后其性能的變化。企業提供的常規高鉻磨球樣品的化學成分見表1。

表1 常規高鉻磨球化學成分（質量分數）／%

1.2 實驗磨球樣品的制備

實驗用原材料包括低硅生鐵、回爐料、中碳或高碳鉻鐵、錳鐵、鉻鐵、鎢鐵及釩鐵合金、鈦鐵合金等。用25 kg真空感應爐熔煉原料，將成分控制在設計范圍內，1 350℃出爐澆鑄。澆鑄試樣在200℃下進行去應力退火，再進行熱處理，分階段保溫，然后隨爐冷卻至室溫，將鑄錠剝皮，并進行硬化處理，出爐空冷，得到最終試樣。

1.3 樣品檢測

采用掃描電子顯微鏡（Philips-quanta-2000）觀察釩鈦磨球材料金相試樣的微區和沖擊斷口和磨損形貌，同時在具有代表性的區域進行能譜分析，分析元素分布情況和存在形態，研究V、Ti元素對新型釩鈦磨球材料組織的影響。

按GB／T 230—91《金屬洛氏硬度試驗方法》進行硬度測試。按GB 229—63《金屬常溫沖擊韌性試驗法》進行沖擊韌性試驗。耐磨實驗靜載荷為1 000 g，樣品為常規高鉻磨球和釩鈦磨球，每30 min為一磨損周期，每組試樣磨損3次，每次磨損后用光電分析天平稱量質量變化，耐磨性按下式計算：

式中Ws為耐磨率；Δm為磨損前后的質量差，mg；m為磨球樣品原質量，mg。

2 實驗結果與分析

2.1 元素配比實驗

根據生產實際合理搭配原材料組分，增加V、Ti含量，各樣品化學成分如表2所示。

表2 自制釩鈦磨球材料化學成分（質量分數）／%

由表2可知，熔煉澆鑄過程中部分元素出現燒損，但化學成分基本達到實驗設計要求；與基樣相比，磨球材料中釩鈦含量增加，錳鉻元素含量略有降低，基本實現了釩鈦元素取代部分鉻元素的目的。硅含量在0.48%～0.56%之間略有波動，硅含量過高會降低磨球硬度和韌性，但在該范圍內，其含量變化對磨球質量無明顯影響；錳元素的存在可以促進合金碳化物的存在，過多的錳元素會增加殘余奧氏體數量，降低磨球硬度和韌性，研究表明，錳含量在0.4%～1.0%最佳，因此摻雜釩鈦后的磨球中錳含量較為合適。

摻雜釩鈦前后磨球Cr／C比變化見圖1。Cr／C比是影響高鉻磨球碳化物類型的主要因素，通常高鉻磨球的Cr／C比為4～8，隨著Cr／C比增加，M7C3型碳化物含量增加，將大大提高磨球的抗磨性和抗腐蝕性能。由圖1可知，實驗室自制釩鈦高鉻磨球的Cr／C比略有下降，但依舊處在較為合適的區間內［9］。

圖1 摻雜釩鈦后磨球Cr／C比變化

2.2 力學性能分析

對加入不同V、Ti含量的磨球材料進行硬度、沖擊韌性檢測，結果如圖2所示。

圖2 釩鈦含量對磨球硬度和沖擊韌性的影響

由圖2可以看出，配加釩、鈦后，高鉻磨球硬度與沖擊韌性均出現先提高后降低的趨勢。當w（V）＝0.5%、w（Ti）＝0.2%時，磨球硬度達到最大。V、Ti的加入，對提高韌性有一定作用，在w（V）＝0.4%、w（Ti）＝0.1%時，高鉻磨球的沖擊韌性達到最大。研究表明，V、Ti相對活潑，能夠與C、N等元素形成VC、TiC等碳化物或者碳氮化物等高熔點相［10－11］，且VC、TiC硬度極大，可作為初生碳化物的形核質點，細化碳化物和晶粒，能夠有效提高釩鈦高鉻磨球的沖擊韌性［12］。2＃樣品的磨球硬度和沖擊韌性較好，相比于基樣磨球分別增加了0.64%和13.3%。

通過掃描電鏡觀察沖擊韌性測試樣品的斷口形貌，如圖3所示。由圖3可見，基樣斷口的晶粒粗大，斷口相對比較齊整，裂紋沿著解理面擴展，解理面較大、平滑，屬脆性斷裂；加入V、Ti后，可以觀察到斷口中有許多河流花樣并且有一定梯度、臺階，韌窩較多且深淺不一，整體呈現撕裂狀，顯示樣品韌性增強；隨著V、Ti含量增加，斷口韌窩呈減少趨勢，表明高鉻磨球的韌性降低，與沖擊韌性測試結果相符。

圖3 不同磨球沖擊韌性斷口SEM形貌

2.3 耐磨性分析

磨球的磨損主要有磨粒切削磨損、沖擊疲勞磨損、沖擊磨粒磨損3種磨損形式［12］。磨損機理主要有2種，即切削和塑性變形。各樣品磨損測試結果如表3所示。

表3 各磨球磨損測試結果

由表3可以看出，V、Ti元素的加入對高鉻磨球耐磨性影響較大。隨著V、Ti含量增加，磨損率逐漸降低，耐磨性明顯增強，以2＃樣品為例，與基樣相比，其耐磨性增加了36.4%。這是因為V的加入可以取代碳化物中的Cr，生成的VC、V2C等碳化物硬度高，且使得碳化物細化、均勻，結構更加牢固；并且生成穩定的碳化鈦，可作為異質形核促進碳化物生成，細化組織，使得碳化物與基體結合更加牢固。

各磨損試樣表面形貌如圖4所示。由圖4可知，加入V、Ti對高鉻磨球的磨損機制未產生明顯影響，磨損機制主要是切削和變形，表面以溝槽等形貌為主。基樣的表面溝槽較多，而且分布廣；與基樣比，1＃樣品磨損率沒有太大變化；2＃樣品溝槽長度變短，且網狀結構開始呈現為孤立的溝槽；3＃樣品長條狀溝槽向周圍發展，中心區域磨損較小。

圖4 各磨損試樣表面形貌

3 結 論

1）加入適量的釩、鈦取代高鉻磨球中的部分鉻，含釩鈦高鉻磨球不僅耐磨性能良好，而且生產成本降低。

2）釩、鈦代替部分鉻后，高鉻磨球材料硬度變化不大，但沖擊韌性增強、磨損率降低、耐磨性提高。

3）綜合考慮磨球硬度、沖擊韌性、耐磨性，得出磨球（2＃球）最佳成分配比為：w（C）＝2.7%，w（Si）＝0.5%，w（Mn）＝0.6%，w（Cr）＝16%，w（V）＝0.5%，w（Ti）＝0.2%，余量為Fe。在同等實驗條件下，該含釩鈦高鉻磨球比常規高鉻磨球的沖擊韌性提高了13.3%、耐磨性提高了36.4%，且硬度相當。