本發明涉及耐磨材料技術領域，尤其涉及一種高強度低磨耗耐磨球及其制備方法。
背景技術：
球磨機是水泥、電力、選礦、建材等行業中廣泛應用的粉磨設備，磨球作為球磨機中的粉碎介質，用于粉碎球磨機中的物料，其廣泛用于水泥、電力、選礦、建材等行業，隨著球磨機需求量越來越大，耐磨球的消耗也在大幅度增加，其存在的問題也越來越明顯，如耐磨球易磨損、易腐蝕、強度低，因此改善耐磨球性能，提高其使用壽命，將會產生很大的經濟效益。
技術實現要素：
基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種高強度低磨耗耐磨球及其制備方法，該高強度低磨耗耐磨球具有強度高、硬度大、抗氧化性好、耐腐蝕性好、磨耗低、使用壽命長等優點。
本發明提出了一種高強度低磨耗耐磨球，包括熔覆層與耐磨球基體，耐磨球基體其原料按質量分數包括以下成分：C：0.9～1.5％、Si：1.4～2.2％、Mn：0.4～1％、Cr：14～18％、Ni：0.45～0.6％、Cu：0.52～0.82％、Al：0.02～0.04％、Mg：0.01～0.025％、B：0.15～0.5％、Ti：0.2～0.6％、Zr：0.04～0.08％、Nb：0.01～0.03％、Mo：0.7～0.9％、V：0.04～0.08％、Nd：0.01～0.03％、W：0.04～0.07％、P≤0.02％，其余為Fe及不可避免的雜質。
優選地，耐磨球基體其原料按質量分數包括以下成分：C：1～1.2％、Si：1.7～1.9％、Mn：0.65～0.85％、Cr：15.6～17.2％、Ni：0.49～0.52％、Cu：0.62～0.72％、Al：0.028～0.034％、Mg：0.015～0.02％、B：0.25～0.4％、Ti：0.4～0.5％、Zr：0.05～0.07％、Nb：0.018～0.023％、Mo：0.77～0.85％、V：0.05～0.07％、Nd：0.017～0.022％、W：0.05～0.06％、P≤0.02％，其余為Fe及不可避免的雜質。
本發明還提出了一種高強度低磨耗耐磨球的制備方法，包括以下步驟：
S1、將原料按熔點從低到高加入中頻感應熔煉爐中進行熔煉，得到鋼水，經澆注成型得到耐磨球坯體；
S2、將耐磨球坯體淬火處理，然后空冷至室溫后進行低溫回火得到耐磨球基體；
S3、將干燥后的熔覆層粉末與粘結劑混合均勻制成膏狀，然后涂覆在經清洗后的耐磨球基體表面，激光熔覆處理后，冷卻到室溫得到初級耐磨球；
S4、將初級耐磨球預冷處理，再深冷處理，升至室溫，經低溫回火，然后冷處理，升至室溫，在熱水中靜置，經低溫回火后空冷至室溫得到所述高強度低磨耗耐磨球。
優選地，在S4中，具體步驟如下：將初級耐磨球放入冰水中20～30min，再以1～2℃/min的速度降溫至-58～-48℃，保溫30～40min，然后在液氮中放置25～35min，升至室溫，經20～25min升溫至160～180℃，保溫2～3h，空冷至室溫，然后以1～2℃/min的速度降溫至-68～-55℃，保溫65～80min，升至室溫，在80～90℃的熱水中放置45～60min，除去水分后經5～10min升溫至240～280℃，保溫5～6h，空冷至室溫后得到所述高強度低磨耗耐磨球。
優選地，在S3中，激光熔覆處理工藝為：單道掃描，氬氣保護激光池，光斑直徑為3.2～4.2mm，掃描速度為5.5～6.5mm/s，功率為1.28～1.35KW。
優選地，在S3中，熔覆層粉末由合金粉末與陶瓷粉末混合均勻組成，且熔覆層厚度為1.1-1.8mm；其中，陶瓷粉末粒徑為60～70nm，合金粉末的粒徑為80～100μm，陶瓷粉末的重量占熔覆層粉末總重量的5～9wt％。
優選地，陶瓷粉末按重量份包括以下組分：10～20份BC、20～30份SiC、10-20份Cr3C2、10～20份B2O3、15～25份TiO2、20-30份Al2O3。
優選地，合金粉末按質量分數包括以下成分：C：0.4～0.8％、Cr：10～13.5％、B：0.8～1.5％、Sc：0.03～0.08％、Si：0.8～1.1％、Zr：0.1～0.3％、Ni：4～8％、Ce：0.05～0.09％、La：0.08～0.12％，余量為Fe及不可避免的雜質。
優選地，合金粉末中B、Sc、Zr的質量分數滿足關系式：wB＝k1wSc+k2wZr；其中，wB為B的質量分數，wSc為Sc的質量分數，wZr為Zr的質量分數，k1取4～6，k2取3～5。優選地，所述高強度低磨耗耐磨球的直徑為70～100mm。
本發明中通過控制C、Cr、Si、Ni、Mn的含量，為耐磨球基體的耐腐蝕性、抗氧化性、硬度、強度與耐磨性奠定了基礎；V、Mo、W、Ti、Zr配合，使耐磨球的內部組織致密，細化結晶，避免晶間腐蝕，提高整體力學性能；在熔覆層中，采用合金粉末與陶瓷粉末，合金粉末中Si、B、Sc、La、Ce、Zr配合具有良好的脫氧效果與細化晶粒的作用，減少NiO、FeO在組織中的含量，其中，Sc、La、Ce、Zr配合，改善了納米陶瓷粉末與耐磨球基體的結合力，降低熔覆層開裂敏感性；通過函數合理控制合金粉末B、Zr、Sc的含量，在脫氧的同時部分反應生成一定量的ZrB2與ScB2，Sc又能促進ZrB2、ScB2的上浮，提高熔覆層內部的硬度、強度、耐磨性能及耐磨球表面潤滑性；在熔融狀態下，合金粉末之間、合金粉末與耐磨球基體表面反應生成Fe-B-Sc相、Fe-Al-Sc相、Fe-Ni-Cu-La相、Fe-C-Ce相、Fe-Ni-Ce相，同時生成CrB、Cr2B、Cr23C6、Cr7C3，大大提高了熔覆層與耐磨球基體的結合力與穩定性，同時提高了熔覆層的硬度、強度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性等力學性能；陶瓷粉末的粒度為60～70nm，具有高韌性與低溫超塑性，可以明顯的改善陶瓷的脆性性能，陶瓷粉末中的BC、SiC、Cr3C2、B2O3、TiO2、Al2O3彼此配合，消除了熔覆層中合金粉末本身的枝晶紊亂形態，整個熔覆層為致密細小的等軸晶結構，通過彌散強化、固溶強化以及激光快速加熱快速冷卻造成的晶粒細化等因素，使熔覆層的組織形態明顯改變，顯著提高耐磨球的硬度、耐高溫性能、耐腐蝕性能、抗氧化性能等性能；本發明中，根據合金粉末與陶瓷粉末粒徑的不同，將少量的陶瓷粉末填充在合金粉末中，通過合理設置激光熔覆技術的各項參數，使熔覆層與耐磨球基體具有較強的結合強度，同時耐磨球熔覆層將合金粉末良好的力學性能與陶瓷粉末良好的耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性有機的結合，提高了耐磨球的使用壽命，降低了耐磨球的磨耗；熔覆處理后進行預冷處理，再緩慢降溫，使耐磨球內外受熱溫差小，防止溫度下降過快導致耐磨球表面起皮，再在液氮下進行深冷處理，提高耐磨球表面位錯密度，細化組織晶粒，將殘余奧氏體轉變為馬氏體，同時提高熔覆層與耐磨球基體的結合力，經熱水保溫與低溫回火處理，消除耐磨球殘余應力，然后進行冷處理與低溫回火，使耐磨球各項性能進一步得到強化，顯著提高耐磨球的性能與使用壽命，降低了耐磨球的磨耗。本發明通過合理設定溫度和時間及各成分含量，實現成分設計所需達到的性能，使得熔覆層與耐磨球基體保持良好的冶金結合，沒有出現裂紋、空洞等現象，綜合提高了耐磨球強度、硬度、韌性、抗沖擊性等力學性能，同時使得耐磨球具有良好的抗腐蝕性能、抗氧化性、耐磨性能，降低了耐磨球的磨耗，大大增加了耐磨球的使用壽命。本發明提出的高強度低磨耗耐磨球，具有強度高、硬度大、抗氧化性好、耐腐蝕性好、磨耗低、使用壽命長等優點。
對所述高強度低磨耗耐磨球進行性能測試，測試結果如下：硬度值達66～72HRC，抗壓強度為560～620MPa，屈服強度為340～380MPa，沖擊韌性≥12.5J/cm2，平均球耗為40～50g/t,破碎率為0.035～0.05％，壽命約為普通耐磨球的8.5～9.5倍，具有十分顯著的經濟效益。
具體實施方式
下面，通過具體實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。
實施例1
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球，其按質量分數包括以下成分：C：0.9％、Si：2.2％、Mn：0.4％、Cr：18％、Ni：0.45％、Cu：0.82％、Al：0.02％、Mg：0.025％、B：0.15％、Ti：0.2％、Zr：0.08％、Nb：0.01％、Mo：0.9％、V：0.08％、Nd：0.01％、W：0.07％、P≤0.02％，其余為Fe及不可避免的雜質。
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球的制備方法，具體步驟如下：
S1、將原料按熔點從低到高加入中頻感應熔煉爐中進行熔煉，得到鋼水，經澆注成型得到耐磨球坯體；
S2、將耐磨球坯體淬火處理，然后空冷至室溫后進行低溫回火得到耐磨球基體；
S3、將干燥后的熔覆層粉末與粘結劑混合均勻制成膏狀，然后涂覆在經清洗后的耐磨球基體表面，激光熔覆處理后，冷卻到室溫得到初級耐磨球；
S4、將初級耐磨球預冷處理，再深冷處理，升至室溫，經低溫回火，然后冷處理，升至室溫，在熱水中靜置，經低溫回火后空冷至室溫得到所述高強度低磨耗耐磨球。
實施例2
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球，其按質量分數包括以下成分：C：1.5％、Si：1.4％、Mn：1％、Cr：14％、Ni：0.6％、Cu：0.52％、Al：0.04％、Mg：0.01％、B：0.5％、Ti：0.6％、Zr：0.04％、Nb：0.03％、Mo：0.7％、V：0.04％、Nd：0.03％、W：0.04％、P≤0.02％，其余為Fe及不可避免的雜質。
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球的制備方法，具體步驟如下：
S1、將原料按熔點從低到高加入中頻感應熔煉爐中進行熔煉，得到鋼水，經澆注成型得到耐磨球坯體；
S2、將耐磨球坯體淬火處理，然后空冷至室溫后進行低溫回火得到耐磨球基體；
S3、將干燥后的熔覆層粉末與粘結劑混合均勻制成膏狀，然后涂覆在經清洗后的耐磨球基體表面，激光熔覆處理后，冷卻到室溫得到初級耐磨球；
S4、將初級耐磨球放入冰水中20min，再以1℃/min的速度降溫至-48℃，保溫40min，然后在液氮中放置25min，升至室溫，經20min升溫至160℃，保溫3h，空冷至室溫，然后以1℃/min的速度降溫至-55℃，保溫80min，升至室溫，在80℃的熱水中放置60min，除去水分后經5min升溫至240℃，保溫6h，空冷至室溫后得到所述高強度低磨耗耐磨球。
其中，激光熔覆處理工藝為：單道掃描，氬氣保護激光池，光斑直徑為3.2mm，掃描速度為6.5mm/s，功率為1.35KW；
在S3中，熔覆層粉末由合金粉末與陶瓷粉末混合均勻組成，且熔覆層厚度為1.1mm；其中，陶瓷粉末粒徑為60nm，合金粉末的粒徑為80μm，陶瓷粉末的重量占熔覆層粉末總重量的5wt％；
陶瓷粉末按重量份包括以下組分：10份BC、20份SiC、20份Cr3C2、10份B2O3、15份TiO2、30份Al2O3；
合金粉末按質量分數包括以下成分：C：0.4％、Cr：13.5％、B：1.5％、Sc：0.08％、Si：0.8％、Zr：0.3％、Ni：4％、Ce：0.09％、La：0.08％，余量為Fe及不可避免的雜質；
所述高強度低磨耗耐磨球的直徑為100mm。
實施例3
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球，其按質量分數包括以下成分：C：1.2％、Si：1.8％、Mn：0.72％、Cr：16％、Ni：0.52％、Cu：0.68％、Al：0.03％、Mg：0.018％、B：0.32％、Ti：0.42％、Zr：0.06％、Nb：0.02％、Mo：0.8％、V：0.06％、Nd：0.02％、W：0.055％、P≤0.02％，其余為Fe及不可避免的雜質。
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球的制備方法，具體步驟如下：
S1、將原料按熔點從低到高加入中頻感應熔煉爐中進行熔煉，得到鋼水，經澆注成型得到耐磨球坯體；
S2、將耐磨球坯體淬火處理，然后空冷至室溫后進行低溫回火得到耐磨球基體；
S3、將干燥后的熔覆層粉末與粘結劑混合均勻制成膏狀，然后涂覆在經清洗后的耐磨球基體表面，激光熔覆處理后，冷卻到室溫得到初級耐磨球；
S4、將初級耐磨球放入冰水中25min，再以1.5℃/min的速度降溫至-53℃，保溫35min，然后在液氮中放置30min，升至室溫，經22min升溫至170℃，保溫2.5h，空冷至室溫，然后以1.5℃/min的速度降溫至-62℃，保溫72min，升至室溫，在85℃的熱水中放置52min，除去水分后經8min升溫至260℃，保溫5.5h，空冷至室溫后得到所述高強度低磨耗耐磨球。
其中，在S3中，激光熔覆處理工藝為：單道掃描，氬氣保護激光池，光斑直徑為3.6mm，掃描速度為6mm/s，功率為1.3KW；
在S3中，熔覆層粉末由合金粉末與陶瓷粉末混合均勻組成，且熔覆層厚度為1.5mm；其中，陶瓷粉末粒徑為65nm，合金粉末的粒徑為90μm，陶瓷粉末的重量占熔覆層粉末總重量的7.5wt％；
陶瓷粉末按重量份包括以下組分：15份BC、25份SiC、15份Cr3C2、15份B2O3、20份TiO2、25份Al2O3；
合金粉末按質量分數包括以下成分：C：0.6％、Cr：11.5％、B：1.2％、Sc：0.05％、Si：0.95％、Zr：0.2％、Ni：6％、Ce：0.075％、La：0.01％，余量為Fe及不可避免的雜質；
所述高強度低磨耗耐磨球的直徑為90mm。
實施例4
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球，其按質量分數包括以下成分：C：1.15％、Si：2.1％、Mn：0.55％、Cr：17.2％、Ni：0.48％、Cu：0.74％、Al：0.022％、Mg：0.022％、B：0.21％、Ti：0.32％、Zr：0.07％、Nb：0.013％、Mo：0.86％、V：0.072％、Nd：0.015％、W：0.06％、P≤0.02％，其余為Fe及不可避免的雜質。
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球的制備方法，具體步驟如下：
S1、將原料按熔點從低到高加入中頻感應熔煉爐中進行熔煉，得到鋼水，經澆注成型得到耐磨球坯體；
S2、將耐磨球坯體淬火處理，然后空冷至室溫后進行低溫回火得到耐磨球基體；
S3、將干燥后的熔覆層粉末與粘結劑混合均勻制成膏狀，然后涂覆在經清洗后的耐磨球基體表面，激光熔覆處理后，冷卻到室溫得到初級耐磨球；
S4、將初級耐磨球放入冰水中22min，再以1.2℃/min的速度降溫至-50℃，保溫38min，然后在液氮中放置27min，升至室溫，經21min升溫至165℃，保溫2.8h，空冷至室溫，然后以1.2℃/min的速度降溫至-60℃，保溫75min，升至室溫，在88℃的熱水中放置50min，除去水分后經6min升溫至250℃，保溫5.7h，空冷至室溫后得到所述高強度低磨耗耐磨球。
其中，在S3中，激光熔覆處理工藝為：單道掃描，氬氣保護激光池，光斑直徑為4.5mm，掃描速度為6mm/s，功率為1.3KW；
在S3中，熔覆層粉末由合金粉末與陶瓷粉末混合均勻組成，且熔覆層厚度為1.8mm；其中，陶瓷粉末粒徑為70nm，合金粉末的粒徑為100μm，陶瓷粉末的重量占熔覆層粉末總重量的9wt％；
陶瓷粉末按重量份包括以下組分：20份BC、30份SiC、10份Cr3C2、20份B2O3、25份TiO2、20份Al2O3；
合金粉末按質量分數包括以下成分：C：0.75％、Cr：10.8％、B：0.8％、Sc：0.065％、Si：1.02％、Zr：0.1％、Ni：7.2％、Ce：0.065％、La：0.11％，余量為Fe及不可避免的雜質；
所述高強度低磨耗耐磨球的直徑為85mm。
實施例5
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球，其按質量分數包括以下成分：C：1.42％、Si：1.55％、Mn：0.85％、Cr：14.6％、Ni：0.56％、Cu：0.62％、Al：0.035％、Mg：0.015％、B：0.42％、Ti：0.52％、Zr：0.055％、Nb：0.015％、Mo：0.82％、V：0.072％、Nd：0.015％、W：0.066％、P≤0.02％，其余為Fe及不可避免的雜質。
本發明提出的一種高強度低磨耗耐磨球的制備方法，具體步驟如下：
S1、將原料按熔點從低到高加入中頻感應熔煉爐中進行熔煉，得到鋼水，經澆注成型得到耐磨球坯體；
S2、將耐磨球坯體淬火處理，然后空冷至室溫后進行低溫回火得到耐磨球基體；
S3、將干燥后的熔覆層粉末與粘結劑混合均勻制成膏狀，然后涂覆在經清洗后的耐磨球基體表面，激光熔覆處理后，冷卻到室溫得到初級耐磨球；
S4、將初級耐磨球放入冰水中28min，再以1.8℃/min的速度降溫至-55℃，保溫32min，然后在液氮中放置32min，升至室溫，經23min升溫至175℃，保溫2.2h，空冷至室溫，然后以1.8℃/min的速度降溫至-64℃，保溫70min，升至室溫，在88℃的熱水中放置50min，除去水分后經8min升溫至270℃，保溫5.2h，空冷至室溫后得到所述高強度低磨耗耐磨球。
其中，在S3中，激光熔覆處理工藝為：單道掃描，氬氣保護激光池，光斑直徑為4.2mm，掃描速度為6.5mm/s，功率為1.35KW；
在S3中，熔覆層粉末由合金粉末與陶瓷粉末混合均勻組成，且熔覆層厚度為1.8mm；其中，陶瓷粉末粒徑為70nm，合金粉末的粒徑為100μm，陶瓷粉末的重量占熔覆層粉末總重量的9wt％；
陶瓷粉末按重量份包括以下組分：18份BC、22份SiC、16份Cr3C2、17份B2O3、16份TiO2、26份Al2O3；
合金粉末按質量分數包括以下成分：C：0.65％、Cr：10.5％、B：0.96％、Sc：0.03％、Si：0.95％、Zr：0.28％、Ni：4.7％、Ce：0.078％、La：0.095％，余量為Fe及不可避免的雜質；
所述高強度低磨耗耐磨球的直徑為70mm。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。