本發(fā)明屬于合金制品，具體涉及一種釩鈦鈮復(fù)合鋼丸及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋼丸是一種重要的金屬磨料，通過拋丸機、噴砂機等設(shè)備進行鋼丸噴射，能廣泛應(yīng)用于金屬表面的清理、強化和預(yù)處理。在船舶制造行業(yè)，鋼丸用于去除船體表面的鐵銹、舊漆層等，為新的涂層施工做好準(zhǔn)備，提高涂層的附著力，延長船舶的使用壽命。在鋼結(jié)構(gòu)制造中，鋼丸能清理焊接后的焊渣和氧化皮，使鋼結(jié)構(gòu)表面更加光滑平整，增強其美觀度和耐腐蝕性。汽車制造領(lǐng)域，鋼丸能夠?qū)ζ嚵悴考M行表面清理和強化，提高零件的疲勞強度和耐磨性。此外，鋼丸還應(yīng)用于鑄造、鍛造、機械加工等行業(yè)，用于清理鑄件、鍛件表面的型砂和氧化皮，以及去除機械加工件表面的毛刺等。

2、為了實現(xiàn)較好的處理效果，提高處理效率，這就需要鋼丸具有較好的形貌、硬度、韌性和耐磨性，以及選擇合適的鋼丸大小規(guī)格和噴射速度。較高的硬度能夠保證鋼丸在清理和強化過程中有效地去除金屬表面的雜質(zhì)和氧化皮，同時不會輕易破碎。良好的韌性使鋼丸在使用過程中不易破碎，減少了鋼丸的損耗，提高了回收重復(fù)使用效率。較高的耐磨性能夠保證在長時間的使用過程中保持其形貌和尺寸不發(fā)生大變化，持續(xù)發(fā)揮清理和強化作用。鋼丸的清理效率取決于其大小規(guī)格、硬度、噴射速度等因素，合適的鋼丸能夠在較短的時間內(nèi)清理大面積的金屬表面。

3、常見的鋼丸直徑有0.2mm-2.5mm不等。不同大小規(guī)格的鋼丸適用于不同的應(yīng)用場景。較小直徑的鋼丸適用于精密零件的表面清理和強化，能夠去除微小的雜質(zhì)和毛刺，同時不會對零件表面造成過度損傷。較大直徑的鋼丸則適用于大面積、高強度的表面清理和強化，如船舶、鋼結(jié)構(gòu)等。

4、鋼丸的制備方法主要有以下幾種，（1）霧化法：將熔融的鋼水通過高壓霧化器霧化成細(xì)小的液滴，液滴在空氣中迅速冷卻凝固成鋼丸；這種方法制備的鋼丸形狀規(guī)則、表面光滑、硬度均勻，但設(shè)備成本高，設(shè)備消耗大，能耗大。（2）離心法：利用離心力將熔融的鋼水甩成鋼丸，離心法制備的鋼丸大小均勻、硬度較高，但形狀不如霧化法制備的鋼丸規(guī)則，存在形貌缺陷率較大。（3）切絲法：將鋼絲切成小段，然后通過加熱、擠壓等工藝將小段鋼絲制成鋼丸，切絲法制備的鋼丸成本較低，但質(zhì)量相對更差。

5、現(xiàn)有的鋼丸主要是高碳鋼或合金鋼，成分比例和制備工藝各不相同，使用性能良莠不齊，主要存在硬度不均勻問題，磨損較快問題，硬度與韌性的平衡難題，以及耐腐蝕性差的問題。

6、（1）?硬度不均勻：由于生產(chǎn)工藝的差異和原材料均質(zhì)性的波動，鋼丸在硬度上存在一定差異，在使用過程中會能出現(xiàn)部分過度磨損或破碎。這會影響到鋼丸在表面處理和強化過程中的效果一致性。

7、（2）磨損較快：在高強度的使用過程中，鋼丸自身也會磨損，尤其是在處理硬度較高的材料時，磨損速度較快。這不僅增加了使用成本，還會導(dǎo)致處理效果逐漸下降，需要頻繁更換鋼丸。

8、（3）硬度與韌性的平衡難題：一些高硬度的鋼丸在提供強大的清理和強化能力的同時，往往韌性相對不足。這導(dǎo)致在使用過程中鋼丸容易破碎，產(chǎn)生過多的碎粒和粉塵。碎粒不僅會影響處理效果，還會對設(shè)備和被處理工件造成損傷。硬度較低的鋼丸雖然韌性較好，不易破碎，但清理和強化效果不夠理想。

9、（4）耐腐蝕性差：在一些潮濕或腐蝕性環(huán)境中使用，普通鋼丸容易生銹。生銹的鋼丸不僅會影響外觀，還會降低其性能。例如，生銹的鋼丸表面會變得粗糙，會對被處理工件表面造成劃痕；同時，生銹的鋼丸硬度和強度也會下降，影響清理和強化效果。

10、鋼丸成分、性能、大小規(guī)格和制備方法等方面的特點決定了它在不同應(yīng)用場景中的適用性。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對鋼丸的性能和質(zhì)量要求也將不斷提高，鋼丸的制備技術(shù)也需要不斷創(chuàng)新和改進。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中鋼丸存在的硬度不均勻問題，磨損較快問題，硬度與韌性的平衡難題，以及耐腐蝕性差的問題。本發(fā)明提供一種釩鈦鈮復(fù)合鋼丸及其制備方法和應(yīng)用，鋼丸為高碳合金鋼，成分含有特定比例的釩、鈦、鈮、錳、硅、鉻、硼、玄武巖纖維、鐵等成分，設(shè)計特殊的制備方法增強成分融合均一性，設(shè)計特殊的冷卻液提高鋼丸形貌合格率，并將玄武巖纖維融合在鋼丸表面，提高韌性、耐磨性和抗裂性；各成分配合添加使用能夠大幅改善高碳鋼丸的使用性能和耐腐性，綜合提高硬度與韌性，噴丸使用后能夠使鋼丸在清理和強化過程中保持完整性，不會輕易破碎，損失率小。其具體技術(shù)方案如下：

2、一種釩鈦鈮復(fù)合鋼丸，鋼丸包括以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分：釩1.00%～1.50%、鈦1.00%～1.50%、鈮1.50%～2.00%、錳1.20%～1.50%、碳0.90%～1.30%、硅0.50%～1.00%、鉻0.50%～1.00%、硼0.30%～0.60%、玄武巖纖維0.10%～0.50%、硫＜0.05%、磷＜0.05%，余量為鐵。

3、上述技術(shù)方案中，所述鋼丸的密度大于7.40g/cm3；所述鋼丸的直徑規(guī)格為0.2mm～3.0mm。

4、上述一種釩鈦鈮復(fù)合鋼丸的制備方法，包括如下步驟：

5、s1：按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，向1700℃～1900℃的鐵水中加入鈦、錳、碳、硅，進行混合熔煉均勻，得到流體a；

6、s2：按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，將釩、鉻、硼在2100℃～2300℃進行混合熔融，得到流體b；

7、s3：按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，將鈮在2500℃～2800℃進行熔融，得到流體c；

8、s4：將流體a、流體b和流體c轉(zhuǎn)入密封熔爐中，升溫至2480℃～2600℃攪拌均勻，然后降溫至1600℃～1800℃，得到鋼水；

9、s5：利用離心霧化造粒設(shè)備將鋼水甩成小液滴，并將小液滴甩入冷卻液中，冷卻液將小液滴定型，得到半成品鋼丸；

10、s6：取出半成品鋼丸進行水洗、烘干、分選，然后將分選合格的半成品鋼丸進行淬火處理，加熱至900℃～1000℃，保溫20min～30min后進行水冷，得到淬火鋼丸；

11、s7：將淬火鋼丸進行回火處理，在400℃～500℃保溫50min～80min，降溫后，粒度精篩，得到尺寸規(guī)格一致的成品鋼丸。

12、上述制備方法的s1中，所述鐵水為鐵礦石經(jīng)過冶煉除雜得到的鐵水，所述鐵水含雜質(zhì)硫＜0.05%、磷＜0.05%；所述碳為石墨粉，石墨粉的粒度為500μm以下；所述混合熔煉為非密封熔煉，混合熔煉的轉(zhuǎn)速為60r/min～80r/min。

13、上述制備方法的s2中，所述混合熔融為在惰性氣體保護下進行熔融。

14、上述制備方法的s3中，所述熔融為在惰性氣體保護下進行熔融。

15、上述制備方法的s4中，所述密封熔爐通入惰性氣體保護；所述攪拌的速度為100r/min～200r/min，所述攪拌的時間為15min以下。

16、上述制備方法的s5中，所述冷卻液包括以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的原料：1%～3%玄武巖纖維、1%～3%分散劑、3%～6%增稠劑、余量為水；所述分散劑為十二烷基苯磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣或木質(zhì)素磺酸鈉；所述增稠劑為羧甲基纖維素鈉或聚丙烯酸鈉；所述玄武巖纖維的直徑為15μm以下，所述玄武巖纖維的長度為20μm～80μm。

17、上述制備方法的s6中，所述分選的合格率為97.5%以上，分選出不合格的半成品鋼丸包括空心球鋼丸和不規(guī)則形狀鋼丸，不規(guī)則形狀包括多角狀、半球狀和扁平狀。

18、上述一種釩鈦鈮復(fù)合鋼丸用于金屬磨料，通過拋丸機或噴砂機進行鋼丸噴射，對金屬表面進行清理和強化。

19、本發(fā)明提供的一種釩鈦鈮復(fù)合鋼丸及其制備方法和應(yīng)用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果為：

20、一、本發(fā)明鋼丸為高碳合金鋼，成分含有特定比例的釩、鈦、鈮、錳、硅、鉻、硼、玄武巖纖維、鐵等成分，各成分配合添加使用能夠大幅改善高碳鋼丸的使用性能和耐腐性，綜合提高硬度與韌性，噴丸使用后能夠使鋼丸在清理和強化過程中保持完整性，不會輕易破碎，損失率小。

21、釩和碳、氮、氧有極強的親和力，會形成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物，在鋼中主要以碳化物的形式存在，這些碳化物能夠阻礙鋼在凝固和熱處理過程中晶粒的長大，使晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化能提高鋼的強度和韌性，因為晶界增多能夠阻礙位錯的運動，使鋼更難變形；當(dāng)釩在高溫下溶入固溶體時，能增加鋼的淬透性，使鋼在淬火時更容易獲得均勻的馬氏體組織，提高鋼的硬度和強度；釩能夠增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，在回火過程中能抵抗硬度的降低，并且會產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，即經(jīng)過回火后，鋼的硬度會進一步提高，提高鋼丸的耐磨性和使用壽命。

22、鈦和氮、氧、碳都有極強的親和力，是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮、碳的有效元素，能夠減少鋼中的氧、氮等氣體含量，降低氣體對鋼性能的不良影響，提高鋼的純凈度；鈦固定了氮和硫并形成碳化鈦，提高了鋼的強度，經(jīng)正火使晶粒細(xì)化，析出形成碳化物能使鋼的塑性和沖擊韌性得到顯著改善。碳化鈦結(jié)合力強，穩(wěn)定，不易分解，碳化鈦微粒有阻止晶粒長大的作用，細(xì)化晶粒同樣能提高鋼的強度和韌性。

23、大含量中的部分鈮溶入固溶體起固溶強化作用，而以碳化物和氧化物微粒形式存在時，能夠細(xì)化晶粒，細(xì)化后的晶粒能夠提高鋼的強度和韌性，并且降低鋼的過熱敏感性和回火脆性，使鋼在淬火時更容易獲得均勻的組織，提高鋼的性能。鈮能夠增加鋼的回火穩(wěn)定性，并且有二次硬化作用，與釩的作用類似，能提高鋼的硬度和耐磨性，大含量鈮使鋼具有良好的抗氫性能。

24、錳能夠提高鋼丸的強度和硬度，改善鋼的熱加工性能，錳能溶入鐵素體和滲碳體中，增強鐵素體的強度，同時提高滲碳體的硬度，從而整體上提高鋼的強度和硬度。錳和硫有較強的親和力，能夠與硫形成硫化錳等化合物，減少硫在鋼中的游離狀態(tài)，從而減輕硫?qū)︿摰拇嘈晕：?，提高鋼丸的韌性和可加工性。

25、碳是決定鋼丸硬度的關(guān)鍵元素之一，適量的碳能夠與鐵形成滲碳體，提高鋼的硬度和強度。但如果碳含量過高，會使鋼丸的韌性下降，容易破碎；碳含量過低，則鋼丸的硬度不夠，無法起到應(yīng)有的清理和強化作用。因此，本發(fā)明添加較高含量的釩、鈦、鈮與碳進行結(jié)合，避免游離碳使鋼丸的韌性下降，有效降低噴丸破碎率。

26、硅能起到鋼液脫氧的作用，降低鋼中的氧含量，提高鋼的純凈度。同時，硅固溶在鋼中能夠提高鋼的強度，特別是彈性極限、屈服點和抗拉強度。硅改善鋼液的流動性，有利于離心霧化成型。

27、鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，能夠提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆。在鋼丸中，鉻的存在能夠提高鋼丸的表面硬度，增強其耐磨性，延長鋼丸的使用壽命。鉻能夠在鋼的表面形成一層致密的氧化膜，提高鋼丸的耐腐蝕性，使其在一些惡劣的環(huán)境中也能保持較好的性能。

28、加入少量的硼就能提高鋼的淬透性，使鋼在淬火時更容易獲得均勻的組織，提高鋼丸的整體性能。

29、玄武巖纖維具有較高的抗拉強度和力學(xué)性能，添加到鋼丸中能夠起到增強的作用，提高鋼丸的強度和韌性，減少鋼丸在使用過程中的破裂和損耗。玄武巖纖維的耐磨性較好，能夠提高鋼丸的耐磨性，使其在清理和強化工件表面時更加有效。

30、釩、鈦、鈮這三種元素都具有細(xì)化晶粒的作用，共同使用時能夠進一步細(xì)化鋼丸的晶粒，使鋼丸的組織更加均勻致密，從而提高鋼丸的強度、韌性和耐磨性。同時，它們在提高淬透性、回火穩(wěn)定性和二次硬化等方面也具有協(xié)同效應(yīng)，能夠使鋼丸在熱處理后獲得更好的性能。錳能夠提高鋼的強度和硬度，而硅能夠提高鋼的彈性極限和抗拉強度，兩者共同作用能夠使鋼丸的綜合力學(xué)性能得到提高。此外，硅的脫氧作用能夠減少鋼中的氧含量，為錳的強化作用提供更好的條件。鉻能夠提高鋼的硬度和耐腐蝕性，硼能夠提高鋼的淬透性和改善組織，兩者協(xié)同作用能夠使鋼丸在硬度、耐磨性和組織均勻性等方面都得到改善。玄武巖纖維與鋼中的金屬成分相互結(jié)合，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。金屬成分提供了鋼丸的基本強度和硬度，而玄武巖纖維則在增強、耐磨和降低成本等方面起到輔助作用，使鋼丸的性能更加優(yōu)異。

31、二、本發(fā)明鋼丸制備方法中，將釩、鉻、硼在2100℃～2300℃進行混合熔融，將鈮在2500℃～2800℃進行熔融，將熔融后的物質(zhì)進行混合制備鋼水，預(yù)熔融能夠提高融合效果，形成更加均勻的晶相。并且預(yù)熔融能夠節(jié)能，有效降低密封熔爐的整體熔煉時間。

32、三、常規(guī)冷卻液為去離子水；本發(fā)明設(shè)計了特定含量的玄武巖纖維、分散劑、增稠劑加入水中配制冷卻液。分散劑有助于玄武巖纖維在水中的分散均勻性；增稠劑能夠提高玄武巖纖維在冷卻液中的懸浮性，玄武巖纖維和增稠劑能夠增加冷卻液對鋼丸液滴的阻力，該阻力能夠改善鋼丸成型形貌質(zhì)量，更加圓潤一致，有效降低形貌不合格率。將玄武巖纖維加入冷卻液中，能夠在鋼丸液滴進入冷卻液時，貼附融合在鋼丸液滴表面，形成表面附著有玄武巖纖維的鋼丸，提高鋼丸的表面耐磨性，抗裂性好。冷卻液的稠度阻力能夠促進玄武巖纖維的融合性。玄武巖纖維的熔點較低，如果參與熔煉會破壞玄武巖的結(jié)構(gòu)和改變成分，本發(fā)明設(shè)計在冷卻液中加玄武巖纖維，玄武巖不參與熔煉，能夠保護纖維結(jié)構(gòu)和成分的完整性，發(fā)揮最大表面耐磨性和抗裂性，并保護鋼丸抗腐蝕。

33、四、本發(fā)明方法根據(jù)合金的特性，設(shè)計了淬火溫度和回火溫度，保證鋼丸產(chǎn)品的硬度和韌性。并且900℃～1000℃淬火能夠進一步提高玄武巖纖維與鋼丸的融合性，進一提高鋼丸的韌性、耐磨性和抗裂性。