半自動磨礦機用φ130 mm耐磨鋼球開裂原因分析及應(yīng)用*

王 彬，李雨耕，劉 剛，王浩祥，汪 軍，徐 斌，王棟棟

（1.銅陵有色金神耐磨材料有限責(zé)任公司，安徽 銅陵 244000；2.昆明冶金研究院有限公司，云南 昆明 650031；3.共伴生有色金屬資源加壓濕法冶金技術(shù)國家重點實驗室，云南 昆明 650031；4.中國黃金集團貿(mào)易有限公司，上海 200120）

隨著全球低品礦處理量的增加以及生產(chǎn)大型化、自動化，要求選礦效率不斷提高。磨礦是選礦的關(guān)鍵流程之一，磨礦工藝不斷地朝著更加高效流程轉(zhuǎn)變，其明顯的趨勢是采用大型半自磨機流程[1-3]。由于簡化生產(chǎn)流程，降低基礎(chǔ)建設(shè)費用，使其生產(chǎn)效益提高，因此，半自磨設(shè)備大型化，成為國內(nèi)外大型礦山的發(fā)展趨勢[4-7]。

目前許多礦山在半自磨機中直接使用大尺寸鋼球從數(shù)米高處跌落撞擊礦石來達(dá)到碎礦目的，因此鋼球的硬度及沖擊性能對碎礦過程非常重要[8-10]。某公司生產(chǎn)的130 mm耐磨鋼球硬度為（58～60） HRC，沖擊吸收能量為 （50～60） J，力學(xué)性能滿足礦山需求。鋼球在工作過程中沒有破碎，但鋼球出半自磨機后出現(xiàn)大面積開裂情況。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為取自某選礦廠規(guī)格為130 mm礦山用原始鋼球及開裂后鋼球，鋼球生產(chǎn)流程：下料→圓棒加熱→鍛造成球→淬火→回火，具體工藝路線如圖1所示。

圖1 耐磨鋼球生產(chǎn)工藝路線Fig.1 Production process route of steel grinding balls

1.2 試驗方法

將使用前的鋼球從中間一分為二，利用超聲波清洗干凈，然后腐蝕剖面并拍攝宏觀圖片，分析是否存在裂紋；從鋼球中間取樣抽芯如圖2所示，樣品規(guī)格為（1×1×1） cm，然后用X射線熒光光譜儀檢測成分；樣品經(jīng)打磨拋光后用飽和苦味酸水溶液腐蝕，使用奧林巴斯CX31P-GOUT光學(xué)顯微鏡拍攝多組晶粒圖片，選取具有普遍性晶粒圖片用Image pro軟件統(tǒng)計晶粒個數(shù)，按照ASTM112標(biāo)準(zhǔn)對不同位置晶粒進行評級；體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精腐蝕試樣表面，光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織；EISS Gemini SEM 500掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行研究，確定斷裂類型；采用X射線衍射（XRD）確定物相并依此計算鋼球不同位置殘留奧氏體含量，最終確定鋼球開裂的原因。

圖2 抽芯示意圖：（a） 邊部，（b） R/4處，（c） 心部Fig.2 Schematic diagram of core-pulling:(a)edges;(b)R/4 part;(c)core part

2 試驗結(jié)果

2.1 宏觀形貌

大尺寸鋼球在半自磨機中不停的撞擊礦石來達(dá)到碎礦的目的，同時會使自身尺寸逐漸減小。某企業(yè)鋼球在選礦廠半自磨機中磨到一定尺寸后會被排出半自磨機，由于磨機內(nèi)與外界環(huán)境溫差較大，導(dǎo)致排出的鋼球放置一段時間會出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 宏觀形貌：（a） 原始鋼球，（b） 磨機里鋼球，（c） 碎球Fig.3 Macroscopic feature:(a)original steel ball;(b)steel ball inside the mill;(c)broken ball

對鋼棒及原始鋼球切片腐蝕分析，觀察是否存在微裂紋，如圖4所示。從圖4（a，b） 可以看出原材料以及鋼球的內(nèi)部和表面裂紋均無裂紋，因此，鋼球在進入半自磨機前無裂紋存在，所以，在工作過程中某些因素引起鋼球開裂。

圖4 宏觀形貌：（a） 鋼坯，（b） 鋼球心部Fig.4 Macroscopic feature:(a)billet;(b)core part of steel ball

2.2 化學(xué)成分

利用X射線熒光光譜儀檢測鋼球元素含量，結(jié)果如表1所示。

表1 鋼球元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Element content of steel ball（mass fraction） %

從表1可知，元素含量在亞共析鋼范圍內(nèi)，且元素含量均符合要求，因此鋼球成分符合技術(shù)要求，所以化學(xué)元素含量不是引起鋼球開裂原因。

2.3 夾雜物

鋼球內(nèi)部夾雜物檢測結(jié)果如表2所示，煉鋼過程質(zhì)量控制較好，鋼坯純凈度較高，夾雜物較少，雖然內(nèi)部存在極細(xì)小夾雜物，但及細(xì)小夾雜物一般不會引起鋼球開裂[10]，因此夾雜物不是引起鋼球開裂原因。

表2 鋼球夾雜物檢測結(jié)果Tab.2 Detecting results of inclusion of steel ball

2.4 鋼球顯微組織

鋼球同位置晶粒大小如圖5所示，可以看出從鋼球表面到心部奧氏體晶粒尺寸逐漸增大，按照ASME112標(biāo)準(zhǔn)對奧氏體晶粒度進行評價，如表3所示，靠近鋼球外側(cè)的晶粒度為6級，1/4處晶粒度為5級，心部晶粒度為5級。

圖5 晶粒形貌：（a） 鋼球表面，（b） R/4處，（c） 心部Fig.5 Crystal grain morphology:(a)surface of steel ball;(b)R/4 part;(c)core part

表3 晶粒尺寸及晶粒度Tab.3 Grain size and grain fineness

鋼球不同位置晶粒尺寸相差較大，尤其心部奧氏體晶粒較大，引起鋼球韌性下降。在半自磨機中鋼球、礦石與襯板向上做圓周運動，鋼球與礦石到一定高度后脫離襯板做泄落運動，在泄落過程中通過鋼球與礦石相互撞擊來達(dá)到碎礦，在上述過程中鋼球應(yīng)變能升高，使鋼球系統(tǒng)穩(wěn)定性下降[11]。鋼球金相照片如圖6所示，微觀組織主要為回火馬氏體以及伴隨少量的殘余奧氏體、屈氏體和上貝氏體等。鋼球不同位置的微觀組織具體為，表面：殘余奧氏體+細(xì)針狀回火馬氏體，1/4處：殘余奧氏體+屈氏體+粗針狀馬氏體，心部：殘余奧氏體+屈氏體+上貝氏體+粗針狀馬氏體。可以發(fā)現(xiàn)，由表面到心部微觀組織中屈氏體含量逐漸多，馬氏體針也在逐漸變粗，這是因為鋼球表面至鋼球心部奧氏體在逐漸變大，導(dǎo)致馬氏體針也在逐漸變得粗大；在淬火過程中，表面冷卻速率較快，溫度下降較快，使表面溫度和冷卻速率到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間繼而使其發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著冷卻的進行由于鋼球散熱能力較差使其溫度區(qū)間處于珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)繼而生成屈氏體。

圖6 微觀織形貌：（a） 鋼球表面，（b） R/4處，（c） 心部Fig.6 Microtopography:(a)surface of steel ball;(b)R/4 part;(c)core part

2.5 斷口微觀形貌

圖3（c） 為開裂鋼球宏觀形貌，在鋼球裂紋表面發(fā)現(xiàn)許多“泛白區(qū)”，仔細(xì)觀察“泛白區(qū)”發(fā)現(xiàn)周圍有發(fā)散狀紋路，因此，可判斷該“泛白區(qū)”為裂紋源。為探討鋼球開裂原因，對圖3（c）“泛白區(qū)”用ZEISS Gemini SEM 500型掃描電鏡進行觀察分析，斷口形貌如圖7所示，圖7（a） 可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)呈“塊狀”斷口形貌，在箭頭所指的晶界處，出現(xiàn)了較多的微裂紋，裂紋兩側(cè)的組織沒有發(fā)現(xiàn)明顯的差異，裂紋處沒有明顯的夾雜物，但晶粒較為粗大。從圖7（b） 中可以明顯看出，裂紋主要沿晶界形成，許多微裂紋沿晶界延伸，整體斷裂方式以沿晶斷裂為主[12]。

圖7 開裂鋼球裂紋源微觀形貌Fig.7 Microtopography of crack source of cracked steel ball

2.6 殘留奧氏體

鍛球經(jīng)處理后，測量取點如圖2所示，其中a、b、c為未使用鋼球，b′、c′為使用后碎球，利用x射線衍射分析儀（XRD）檢測殘余奧氏體衍射峰強度，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 鋼球不同位置XRD圖譜Fig.8 XRD spectrogram of different steel ball parts

利用Jade軟件分別獲得各晶面所代表的衍射峰面積I(hkl)，代入下式中，計算試樣殘余奧氏體含量：

式中：Vi為各衍射峰對應(yīng)計算的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)；Iα和 Iγ分別為 （200）α、 （211）α和 （200）γ、（220）γ、（311）γ衍射峰的相對強度，G為常數(shù)，不同衍射峰的的 G 值對應(yīng)如下[13，14]：I(200)α/I(200)γ為2.5，I(200)α/I(220)γ為 1.38，I(200)α/I(311)γ為 2.02，鋼球中不同位置殘余奧氏體含量計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同位置殘余奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）Tab.4 The residual austenitic content in different parts（volume fraction） %

從表4可以發(fā)現(xiàn)，相同位置，碎球殘余奧氏體含量比未碎鋼球少，且在同一鋼球中，心部殘余奧氏體含量較高，外部殘余奧氏體含量較少。

3 分析與討論

鋼球中各類夾雜物較少，鋼的純凈度較高，碎球與未碎鋼球中氣體含量也相同，因此鋼球開裂不是夾雜物和氣體含量引起。原始鋼球以及原材料（鋼棒）內(nèi)部無裂紋，因此鋼球在使用過程中產(chǎn)生裂紋。

從生產(chǎn)過程中可以看出，雖然在鋼球生產(chǎn)中采用余熱淬火技術(shù)有助于節(jié)約生產(chǎn)成本，但入水溫度難以控制，容易導(dǎo)致內(nèi)部晶粒粗大、不均勻。

鋼球從表面到心部晶粒尺寸分布不均一，尺寸相差較大，且心部晶粒較為粗大，主要與鋼球成型工藝有關(guān)。在鍛造成型過程中，鋼棒外部受到擠壓量較大晶粒較為細(xì)小，心部變形量較小，晶粒較為粗大。由于馬氏體在奧氏體內(nèi)部形成，當(dāng)奧氏體晶粒粗大時，進而形成粗大的片狀馬氏體組織，誘發(fā)顯微淬火裂紋[15]。

首先，在淬火過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，發(fā)生體積膨脹，且鋼球內(nèi)部晶粒尺寸不均勻，進一步引起較大的不均勻應(yīng)變，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中以及晶界弱化，而且鋼球在半自磨機中受到循環(huán)沖擊力作用，導(dǎo)致其抗沖擊疲勞性能低于晶粒尺寸分布均勻的鋼球，在淬火應(yīng)力或外力作用下，便會出現(xiàn)沿晶斷裂[16，17]；其次，1/4處存在沿晶界分布的屈氏體和上貝氏體導(dǎo)致晶界強度進一步降低，使鋼球開裂風(fēng)險增加；最后，微觀組織中殘余奧氏體含量從鋼球表面到心部逐漸增多，且鋼球在半自磨機里與礦石不停的碰撞使其自身溫度升高，當(dāng)出半自磨機后，鋼球溫度與外界溫度相差較大進而引起組織中不穩(wěn)定的殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體相變會進一步產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鋼球內(nèi)應(yīng)力增加，進而引起沿晶裂紋，導(dǎo)致鋼球開裂[18]。

4 改進措施

1）保證鋼球組織處于奧氏體化，盡量降低入水溫度，減小熱應(yīng)力以及殘余奧氏體含量；

2） 增大水流量以及降低水溫來提高淬火效果，進而減少屈氏體和上貝氏體；

3）在回火溫度不變的情況下適當(dāng)增加回火時間，使熱應(yīng)力得到釋放。

5 應(yīng)用效果

5.1 顯微組織

表5為改進前與改進后的工藝參數(shù)。

表5 試驗參數(shù)Tab.5 Test parameters

由圖9可以看出，改變工藝參數(shù)后，鋼球表面到心部基體組織以馬氏體為主，幾乎不存在上貝氏體和屈氏體，且馬氏體針相比于以前細(xì)小。

圖9 微觀織形貌：（a） 鋼球表面，（b） R/4處，（c） 心部Fig.9 Microtopography:(a)surface of steel ball;(b)R/4 part;(c)core part

5.2 殘余奧氏體含量

工藝參數(shù)改進后，獲得不同位置殘余奧氏體含量，如表6所示。

表6 不同位置殘余奧氏體含量（體積分?jǐn)?shù)）Tab.6 The residual austenitic content in different parts（volume fraction） %

由表6可知，改進后殘余奧氏體含量下降，這是由于加大水流量以及降低水溫和淬火溫度，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，且轉(zhuǎn)變相對充分，引起殘余奧氏體含量下降。

6 結(jié)語

1）原鋼棒以及鋼球內(nèi)部不存在微裂紋，內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生源于使用過程；

2）加熱溫度高，鋼棒變形量不均勻，引起鋼球晶粒尺寸不均一，造成淬火后局部應(yīng)力過大，引起晶界弱化；晶界處的屈氏體和上貝氏體引起晶界強度下降；

3）鋼球經(jīng)熱處理后內(nèi)部殘留奧氏體含量高，在使用過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，相變過程中發(fā)生體積膨脹引起內(nèi)應(yīng)力增大，當(dāng)應(yīng)力超過晶界強度引起鋼球開裂。