云南楚雄矿冶有限公司机械制造分公司 云南楚雄 675000
摘要：轧锻磨球耐磨性能优异，使用机械化高效生产，热处理生产工艺决定了磨球的质量性能，需在生产中积极探索、把握。通过调节生产线各段的机械输送速度，采取特殊的工艺措施，精确控制时间和温度，可以消除机械化生产的一些固有缺陷，显著提高磨球的质量性能。
关键词：轧锻磨球；热处理；耐磨性能；硬度；冲击韧性
1、引言
随着选矿行业的不断技术升级，大型、超大型磨机的广泛使用，对磨球的质量提出了更高的要求，现常用的铸造磨球的性能已越来越难以满足要求。在此背景下，近年来，轧制、锻造磨球生产技术得到迅速发展。
轧制、锻造磨球（简称轧锻磨球）是采用轧制或锻造的方法，在加热的合金钢坯料上施加外力，把合金钢坯料成球型状，再利用余热进行热处理的工艺形式进行生产。与铸造磨球相比，轧锻磨球生产易于使用机械化、易于自动化控制、生产效率高、质量稳定。使用轧制好的钢棒作原材料，避免了铸造磨球的偏析、晶间疏松等缺陷。轧锻磨球组织致密、硬度高、韧性高、不易破碎，耐磨性优异，使用效费比高，能够满足所有磨机的使用要求，是磨球生产行业发展的趋势和方向。
高质量的轧锻磨球的生产工艺有较强的技术含量，其工艺程序的确立、工艺参数的制定都极为严格。若工艺参数不精准，将严重制约材料性能最大限度的发挥，降低磨球的性能和质量。
成熟的钢球生产厂家都有自己独到的生产工艺，都会结合自身实际在此处不断摸索研究和优化改进，使钢球达到最佳的性价比。
楚矿机械公司在2017年初，引进和建设了一套轧锻磨球生产系统设备，在一年多的实际运行中，其生产工艺一直在优化和完善，其中，热处理工艺是影响产品质量的最为关键的环节之一。以下通过生产实践，论述轧锻磨球热处理工艺的分析和制定。
2、轧锻磨球的生产工序概述：
磨球是球磨机的磨料介质，在球磨机中受到强烈的冲击和磨料磨损，属于易损消耗品，使用条件要求磨球具备高硬度、高强度，耐冲击不破碎，生产成本适中，使用性价比高。
兼顾性能和成本，目前轧锻磨球主要选用低合金碳钢钢棒作为轧锻磨球生产材料，钢棒经炼钢厂冶炼轧制而成。表1为现阶段典型的生产轧锻磨球钢棒的化学成分。
表1：典型的生产轧锻磨球钢棒的化学成分表
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这是一类中高碳的低合金钢，其中，较高的含碳（C）量主要为提高磨球的硬度与耐磨性能；少量的铬（Cr）含量能显著提高磨球的淬透性；适量的硅（Si）和锰（Mn）元素能改善磨球基体的固溶形态、提高磨球的强度；磷（P）和硫（S）为有害元素，含量尽可能降低。
硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）均为普通合金材料，有利于钢棒原材料成本的降低。
轧锻磨球的生产工艺流程见图1：
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图1 轧锻磨球的生产工艺流程图
①钢棒校验、上料：所用原料为长度6m的热轧圆钢，按尺寸和钢号存放在不同存放架上。每批次坯料定义一个唯一的批号。每批次坯料进行抽样检验。根据检测坯料的化学成分，以及钢球硬度要求。
②中频加热：坯料通过吊车吊运至装料平台，在进料辊道上送入加热炉中，加热到轧制、锻造所需温度。
③切料、轧制、锻造：红热态的钢棒通过辊道自动送入轧机，在两个带有特殊螺旋形孔型的轧辊之间旋转前进，并被连续地切轧制成钢球；或通过热剪切、初锻、精锻制成钢球。
④淬火热处理：轧制成的钢球利用余热进行淬火处理，使钢球内部奥氏体转化马氏体，提高磨球硬度。
⑤回火热处理：淬火后的磨球，进入回火炉进行低温回火处理，以消除内应力。
⑥检验、包装入库：对每批次成品取样检查检验金相组织、硬度、冲击韧性能等指标，合格后按不同、品种分装包装袋，并分区存放在成品存储区。
3、轧锻磨球热处理工艺解析
轧锻磨球的热处理工艺，采用生产线连续加热、机械自动输送，利用余热进行淬火冷却的热处理方式。
相对于普通合金钢的热处理，轧锻磨球生产有其特殊性，热处理生产工艺须解决以下问题：
（1）避免开裂
提高含碳量，是最有效和成本最低的提高磨球硬度的措施，当磨球的含碳量较高时，基体延展性小，在淬火热处理过程中会产生较大应力，易发生磨球开裂现象，在热处理过程中须采取措施，降低应力，避免磨球开裂。
（2）提高冲击韧性
在微观上，为获得高硬度，轧锻磨球须得到致密的马氏体组织。马氏体含量越高，磨球的硬度越高，耐磨性越强。但普通马氏体组织耐冲击韧性低，磨球硬度提高，将使得磨球的冲击韧性降低。
为获得较好的冲击韧性，须通过特殊热处理措施，改良马氏体组织，细化晶粒度，提高磨球的基体强度，在不降低硬度的前提下，提高磨球的耐冲击韧性。
（3）适应连续化生产，保证工艺质量
轧锻磨球的生产，在生产线设备上连续自动完成，相对于普通合金钢的热处理，其材料加热时间短、无保温过程，这样势必恶化磨球淬火前基体，造成温度内外不均、奥氏体转变不充分、局部晶粒粗大等，从而降低磨球淬火后性能。须采取特殊热处理措施，改善磨球基体组织，提高淬火后磨球性能。
为此，我们在铁碳合金相图中先进行分析。
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图2：铁碳合金相图
在图2中，阴影部分为锻轧磨球合金成分所在区域，磨球合金为处于共析点附近的共析钢，奥氏体开始转变温度在730-760℃之间，温度超过1360-1450℃出现液态。奥氏体区域较宽，有利于形成奥氏体，且在共析点附近，合金淬火时奥氏体转变较为完全，有利于得到马氏体组织。
磨球淬火是机械输送自动完成，由于加热时间短，无保温时间，容易造成磨球奥氏体晶粒和成分不均匀的缺陷，但机械自动热处理方式也有其优势，就是通过调节各段的机械输送速度，可较为精确的控制各节点的时间和温度。容易实现较为复杂的热处理工序。为此，在实际生产中，我们结合铁碳合金相图的原理，采用了一些较为特殊的措施，最大限度消除了温度不均和淬火应力，优化基体组织，弥补了锻轧磨球热处理一些固有的缺陷，提高了磨球的性能。
图3为锻轧磨球实际生产中的Ⅰ型热处理工艺曲线图，其中设置了“输送缓冷”和“二次冷却”两段特殊的工序。
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图3：轧制、锻造磨球热处理淬火工艺示意图Ⅰ
0-t1段为原料钢棒在输送过程中，由中频炉加热升温，t1点钢棒的温度须确保材料完全奥氏体化和完成轧制或锻造工序。加热时间的确定主要以满足生产能力为前提。
t1-t2段为对钢棒进行轧制或锻造阶段，在轧制锻造过程中，材料热量会有散失，温度会有部分下降。
t2-t3段为输送缓冷，是均匀调节阶段。轧锻成型钢球在机械输送过程中，钢球芯部的高温，逐渐传到钢球表面，均匀磨球内外温度；并且在输送过程中钢球接触空气，缓慢冷却，在保持奥氏体稳定的前提下，以较低的温度入水淬火，减少偏析，并降低淬火应力。此阶段是淬火处理的最为关键点，必须精确控制输送时间△h3和入水淬火节点温度t3。实践证明，节点温度t3若偏差大于15℃，将严重影响磨球性能。
t3-t4段为水冷淬火，磨球在机械输送中入水冷却，使奥氏体组织转变为马氏体；此阶段，须有足够的冷却速度，使奥氏体→马氏体转变完全，保证磨球硬度，同时须精确控制淬火出水节点t4的温度，减少淬火应力的产生。
t4-t5段为冷却液二次冷却段，磨球在前阶段水淬过程中已完成了奥氏体→马氏体转变，再进入特殊配制的冷却液，使磨球的冷却速度比在水中下降3-4倍，磨球在相对较长的冷却过程中，内部温度得到缓慢均匀化，淬火应力得到释放，显著降低了磨球内的残余应力。
t5-室温段为磨球入框空冷至室温。
在实际生产中，通过调节中频加热炉的功率和输送机械传动电机的转速，生产线各阶段时间可控精度达±5秒；各节点温度可控精度达±8℃，较好的满足了工艺参数的要求。
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图4：Ⅰ型热处理工艺的生产线设备流程图
表2为Ⅰ型热处理工艺的各节点、阶段的参数值范围，不同规格尺寸的磨球、不同的化学成分，热处理的参数各不相同。
表2：Ⅰ型热处理工艺参数
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锻轧磨球按Ⅰ型工艺热处理后，小规格磨球（Φ60及以下）表面硬度HRC60-HRC63，芯部硬度HRC58-HRC60，冲击韧性10-16J／cm2，大规格磨球（Φ90及以上）表面硬度达HRC59-HRC61，芯部硬度HRC55-HRC58，冲击韧性12-18J／cm2。磨球硬度在直径6米以下球磨机的使用，具有良好的抗磨性能。
随着选矿行业大型、超大型半自磨机的使用，对磨球的抗冲击性提出了更高的要求。实践表明，按上述Ⅰ型工艺热处理生产的锻轧磨球，特别是大规格的磨球，难以在直径9米以上半自磨机中使用而不破碎，必须进一步加强磨球的抗冲击性能，提高冲击韧性，才能满足大型半自磨机的使用。
经分析，Ⅰ型热处理工艺0-t1中频加热段，由于加热时间短，无保温时间，加热温度不均，材料的芯部温度显著高于表面，过热造成芯部晶粒组织粗大。虽经t1-t2段缓冷均匀，但过程均在奥氏体区域内，基体不能从新结晶，晶粒组织粗大缺陷难以消除，严重降低了磨球冲击韧性。为解决此问题，我们在Ⅰ型热处理工艺的基础上，采取使基体重新结晶的措施，制定了Ⅱ型热处理工艺，显著改善了晶粒组织粗大的缺陷。
图5为增加“缓冷结晶”和“二次加热”两段特殊工序的Ⅱ型热处理工艺曲线图。
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图5：轧制、锻造磨球热处理淬火工艺示意图Ⅱ
与Ⅰ型热处理工艺相比，Ⅱ型热处理工艺加长了“输送缓冷”段改变为T2-T3 “缓冷结晶”段；钢球在此阶段长时间在空气中缓慢冷却至奥氏体转变温度以下，转变为珠光体后重新结晶，再经过T3-T4段“二次加热”可显著细化晶粒组织，提高钢球性能。T4以后的工序，和Ⅰ型t2以后的工序相同。
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图6：Ⅱ型热处理工艺的生产线设备流程图
对比图4和图6，Ⅱ型热处理工艺比Ⅰ型工艺在使用设备和操作工序上明显增加。
表3为Ⅱ型热处理工艺曲线各节点、阶段的参数值范围，不同规格尺寸的磨球、不同的化学成分，热处理的参数各不相同。
表3：Ⅱ型热处理工艺参数
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图7：Ⅰ型热处理工艺磨球芯部过热造成的粗大马氏体组织（×600）
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图7
图8：Ⅱ型热处理工艺磨球芯部重新结晶得到的马氏体组织（×600）
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图8
从图7、图8对比可看出，通过工艺的再结晶、二次加热的工艺措施，消除了由于加热不均、芯部过热所带来的缺陷，磨球芯部组织得到明显细化和均匀化。
表4为实际生产中，分别使用Ⅰ型和Ⅱ型热处理工艺，处理φ100、φ127规格磨球硬度、冲击值的性能对比。
表4：
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从表4可以看出，使用Ⅱ型热处理工艺，磨球硬度没有变化，仍保持HRC55-62较高的硬度值，但冲击值明显大幅提高，从12-16 J／cm2提高至35-41J／cm2。主要原因是因为“再结晶、二次加热”的工艺措施细化了磨球内部组织的晶粒度，提高了磨球机体的强度，从而提高了磨球冲击韧性。
使用Ⅱ型热处理工艺的磨球经过在普朗铜矿9.45米半自磨机中实际使用，证明该磨球耐磨性能优越，破碎率小于0.3%，完全能满足半自磨机的使用要求。
虽然Ⅱ型工艺能大幅提升磨球性能，但Ⅱ型工艺需要进行二次加热，其电能单耗要高于Ⅰ型工艺40%，磨球的生产成本高于Ⅰ型工艺5%，因此在实际生产中Ⅰ型工艺和Ⅱ型工艺都在使用，6米以下球磨机可以使用Ⅰ型工艺的磨球，不影响耐磨性，有利于降低成本。大型半自磨机使用Ⅱ型工艺生产的磨球，以获得高效的抗磨性能。
4、结论
（1）轧锻磨球使用机械化生产，效率高、质量好，耐磨性优异，是磨球生产行业发展的趋势和方向。但生产工艺流程有较强的技术性，工艺程序、工艺参数的制定需在生产中积极探索、精准把握，其好坏决定磨球的和质量性能。
（2）轧锻磨球使用短时连续加热、利用余热进行淬火的热处理方式，对磨球机体组织的细致化、均匀化、减小内应力都有不利影响，阻碍了磨球材料性能的充分发挥，降低了磨球质量，需采取措施以消除不利影响。
（3）轧锻磨球生产线通过调节各段的机械输送速度，可以精确地控制各节点的时间和温度，实现较为复杂的热处理工序，在实际生产中，通过一些特殊的工艺措施，有效消除或弥补了磨球生产线一些热处理工艺的缺陷。
（4）通过“再结晶、二次加热”的热处理措施，能有效消除磨球芯部过热造成的粗大马氏体组织，细化磨球内部组织的晶粒度，大幅提高磨球的冲击韧性。
参考文献：
[1]中国工程材料大典（下）第9章4.1 化学工业出版社.
[2]热处理手册（1）第1章1.2.1 机械工业出版社（第3版）.
[3]热处理手册（1）第2章2.1.6 机械工业出版社（第3版）.