磨球的“领导者”——合金元素

高玉和，伊莱特能源装备股份有限公司耐磨钢球制造事业部总经理，从业三十年的钢球专家，精通技术、擅长管理、还懂销售，对钢球的热爱之情发于心底且溢于言表，最常说的一句话是：“钢球是圆的，钢球是有灵性的！”

纵观磨球过去几十年的发展，磨球材质及工艺的变化始终离不开合金元素的添加，大家都听说过这么一句话：“人是铁，饭是钢，一顿不吃饿得慌”，可见，吃饭对于我们每一个人来说是必不可少的。其实，吃饭是有讲究的，我们要吃不同种类的食物，比如鸡肉、鱼肉、各种蔬菜和水果，这么做的目的是要满足身体所需要的的各种微量元素的均衡，这样我们的身体才能健康、强壮。如果我们身体缺乏某种微量元素，那么身体就会出现某种症状。言归正传，我常说“钢球是有灵性的”，其实钢球就像我们细心培养长大的“孩子”一样，我们也要根据钢球的规格、使用状况等来给钢球添加不同种类和含量的微量元素 （如C、Si、Mn、Cr、Mo、V等），以便获得不同的性能，用来研磨不同的物料，应用于不同磨机中。

根据行业标准YB/T 091-2019和YB/T 092-2019磨球按化学成分的不同，分为铸球和钢球，铸球可以细分为普通铸铁球、铬系铸铁球、贝氏体球墨铸铁磨球和贝氏体/马氏体复相球墨铸铁磨球等，钢球可以细分为中高碳钢锻（轧）钢球、贝氏体锻造钢球等。不同种类磨球化学成分如表1所示。

注：“-”表示元素含量为残余，无添加。

那么合金元素对磨球的生产工艺、性能和内部组织结构有什么影响呢？下面带着这个问题我们来详细的介绍一下。

铸球根据含铬量的不同分为低铬铸球（Cr：0.5%-5%）、中铬铸球（Cr：5%-10%）和高铬铸球（Cr＞10%），铬含量一般小于20%，由于低铬铸球和中铬铸球含铬量低，淬透性差，通常以铸态使用，内部组织常以M3C 型共晶碳化物+二次碳化物+珠光体为主，硬度约为HRC43～53，而高铬铸球含铬量高，淬透性好，常采用铸造成形+重新加热淬火+回火的工艺生产，组织为共晶碳化物+二次碳化物+回火马氏体+残余奥氏体构成，硬度约为HRC58～65，硬度和耐磨性随含铬量的增加不断提升，图1所示为含铬量为5%和12%铸球的显微组织。

(a)Cr为5% (b)Cr为12%

图1 不同含铬量铸球的显微组织

含碳化物球墨铸球简称CADI铸球，具有较高含量的C和Si，通常采用铸造成形+重新加热等温淬火+回火的工艺生产，在铸造成型过程中，加入球化剂和孕育剂，使C元素主要以球状石墨的形态在组织中存在，如图2所示，所以CADI磨球组织由球状石墨、针状铁素体、奥氏体及碳化物构成，冲击韧性要比铸球高得多。

图2 CADI磨球的显微组织

最初的碳钢锻（轧）钢球主要有 40Cr、65Mn、45Mn2 等材质。此类材质由于合金元素含量低，导致钢球淬透性较差。钢球表面为马氏体组织，芯部主要为珠光体+铁素体组织。例如45Mn2材质φ140mm钢球，表面组织为马氏体，硬度约为HRC55，1/2R处组织为贝氏体+珠光体+铁素体，硬度为HRC34，冲击韧性75 J/cm2，显微组织分布如图3所示，常用于对钢球韧性要求较高、硬度要求较低的工况条件下使用。

图3 45Mn2材质φ140mm钢球显微组织分布

常用的中高碳低合金锻（轧）钢球主要有B2、B3及B6等材质，碳含量为 0.55%～0.9%，B2材质合金含量在1.5%～2.0%，B3材质合金含量在3.4%～3.8%，B6材质合金含量在2.5%～3.0%，合金元素主要包括锰、硅、铬等合金元素，合金元素在中高碳低合金锻球中主要起到提高淬透性、增加淬硬层深度的作用。因此随合金元素含量的增加钢球淬透性提高，钢球表芯硬度及显微组织变化减小，使其具有更好综合性能，B3材质φ140mm钢球的表芯硬度在55～58HRC之间，表芯硬度差小于2HRC，图4为显微组织。

图4 B3材质φ140mm钢球显微组织分布

通过上面的介绍，我们应该能够清楚的认识到，合金元素对磨球最终“成长”为什么样“人”是非常重要的。其实我们在调整磨球成分的时候，就像炒菜时添加油、盐、味精等调料一样，调好了，菜就好吃，调不好，菜就不好吃，热处理就像炒菜时的火一样，火大了，就糊了，火小了，炒不熟，就算延长时间勉强炒熟了，菜也失去了光泽。

我们在生产钢球时，有时候会遇到这么一个问题，平常非常成熟的工艺，在生产时突然钢球质量出现问题，工艺执行没问题，材质也没变，那为什么会出现问题呢？其实这是因为我们在订原材料时，通常给钢厂的材质是一个比较宽的成分范围，钢水按成分上限配和按成分下限配，虽然对原材料质量没什么影响，但在钢球热处理时会因成分实际值的变化，最佳热处理工艺参数也会随之发生变化，所以原来成熟的工艺也就变得不合适了，钢球质量就会出现问题。就这个问题我们来举一个现实发生的例子，我们在生产B3直径125mm钢球时，钢球的芯部硬度一般都在HRC55～58，但是当更换钢厂后，同样是B3的材质，工艺没变，而钢球的芯部硬度下降为HRC48～53，达不到客户要求，经过对原材料成分的检测对比后发现，原来钢厂B3材质原材料的Si含量为1.75%～1.8%，Mn含量为0.75%～0.8%，更换后钢厂B3材质原材料的Si含量为1.70%～1.75%，Mn含量为0.70%～0.75%，虽然都在B3材质成分范围内，但两种元素均下降了0.05%。

现在，我们应该意识到：“磨球中合金元素含量虽少，但功能强大”，就像我们人体内的微量元素一样，含量虽少，但必不可少。往后磨球的发展，必定离不开对合金元素在磨球质量的影响做深入的研究。

今天就说到这里，感兴趣的朋友，请继续关注下期【高玉和说钢球】。

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