一种结构组织一体化耐磨多面体研磨介质及其制备方法与流程

本发明涉及耐磨材料及铸造，尤其涉及一种结构组织一体化耐磨多面体研磨介质及其制备方法。

背景技术：

1、球磨机是矿山、水泥、冶金、电力等行业中用于物料粉碎的核心设备，其工作原理是通过筒体旋转带动内部的研磨介质运动，利用研磨介质之间以及研磨介质与物料之间的冲击、挤压和研磨作用来实现物料的破碎与细化。研磨介质作为球磨机中直接承担粉碎功能的耗材，其形状、材质和性能直接影响粉磨效率和能耗。

2、目前球磨机中广泛使用的研磨介质以球形为主。球形研磨介质在筒体内滚动时运动轨迹较为规则，能够在一定程度上满足粉磨要求。但球形介质冲击和剪切作用的效率相对有限。为克服这一不足，近年来出现了多面体结构的研磨介质。多面体研磨介质具有多个工作面、棱边及顶点，在球磨过程中能够产生点、线、面多种形式的接触，相比球形介质能够提供更强的冲击、挤压及剪切作用，从而具有更高的破碎效率。

3、然而，多面体结构在长期服役过程中存在局部失效的问题。由于多面体的棱边及顶点属于多个工作面的交汇区域，这些位置的几何形状发生突变，在受到冲击载荷和磨粒作用时容易产生应力集中。应力集中会导致该区域优先萌生裂纹，进而引发棱边崩损以及顶点剥落。随着服役时间的延长，棱边和顶点区域的不断磨损会使多面体的结构特征逐渐减弱，研磨介质的冲击和剪切能力随之下降，最终影响研磨效率和使用寿命。

4、针对上述问题，现有技术主要从材料整体性能的角度进行改进，例如通过提高材料整体硬度、增加合金元素含量或优化热处理工艺来改善耐磨性能。但这些方法主要针对整体材料性能进行调整，难以解决多面体研磨介质局部区域优先失效的问题。同时，整体硬化往往会导致材料韧性下降，在高冲击工况下容易引发脆性断裂。也有部分技术尝试对多面体介质的棱边进行倒角处理以降低应力集中，但这种处理方式仅从几何形态层面进行改进，未能兼顾局部组织性能的差异化调控，对棱边及顶点区域抗崩损能力的提升效果有限。

5、因此，如何在保持多面体研磨介质高破碎效率的同时，有效解决棱边及顶点区域因应力集中导致的优先失效问题，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种多面体耐磨研磨介质及其制备方法，通过优化棱边及顶点的结构形态以降低局部应力集中，并结合局部组织强化手段提高棱边及顶点区域的耐磨能力，从而提升研磨介质的整体服役性能和使用寿命。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

3、第一方面，本发明的实施例提供了一种结构组织一体化耐磨多面体研磨介质，研磨介质为多面体，所述多面体包括多个工作面、连接相邻工作面的棱边以及由多个棱边交汇形成的顶点，所述棱边为连接相邻工作面的过渡面，所述顶点为多个过渡面交汇形成的区域；所述棱边及顶点采用连续过渡构型，所述连续过渡构型的横截面为连续曲线，连续曲线在过渡区域的最小等效曲率半径r满足0.01d≤r≤0.08d，其中d为研磨介质等效体积直径。

4、作为进一步的技术方案，研磨介质等效体积直径为与研磨介质实际体积相等的理想球体直径：

5、；

6、其中，v为研磨介质实际几何体积。

7、作为进一步的技术方案，所述连续过渡构型为圆弧过渡、椭圆弧过渡、抛物线过渡或样条曲线过渡。

8、作为进一步的技术方案，所述连续过渡构型为圆弧过渡时，r为圆弧的圆角半径。

9、作为进一步的技术方案，所述研磨介质的材料为高铬白口铸铁，化学成分包括c：2.0%-3.5%，cr：12%-26%，其余为fe及不可避免杂质。

10、作为进一步的技术方案，棱边及顶点区域为局部强化区域，局部强化区域的平均显微硬度高于主体区域5%-20%。

11、第二方面，本发明的实施例还提供了一种结构组织一体化耐磨多面体研磨介质的制备方法，包括：

12、将金属液浇注到铸型中，所述铸型对应棱边及顶点位置设置有局部冷却结构；

13、在金属液凝固过程中，通过局部冷却结构对棱边及顶点区域进行局部快速冷却。

14、作为进一步的技术方案，铸件完成清理后进行热处理。

15、作为进一步的技术方案，所述局部冷却结构为铸铁冷铁，铸铁冷铁嵌设于铸型壁内。

16、作为进一步的技术方案，所述铸铁冷铁的厚度为对应铸件壁厚的0.5-2.0倍。

17、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

18、1.本发明中，棱边及顶点采用连续过渡构型，这种结构使工作面之间形成连续平滑过渡，冲击载荷能够由应力集中的交汇区域向周围工作面平稳传递和分散，从而降低了局部应力峰值。在此基础上，通过最小等效曲率半径与研磨介质等效体积直径的比例关系对过渡程度进行了量化控制，避免了过渡不足时缓冲作用不够、以及过度时多面体结构特征减弱导致研磨效率下降的问题。同时通过使棱边及顶点区域的平均显微硬度高于主体区域，使该区域在服役过程中具有更强的抵抗磨损的能力。结构优化与局部组织强化相结合，从降低应力集中和提高局部耐磨能力两个维度共同作用，使研磨介质能够长期保持有效工作形态，使冲击载荷能够由尖锐交汇区域向周围工作面平稳传递，降低局部应力集中，减少裂纹萌生及棱边崩损现象。

19、2.本发明通过局部冷却工艺调控棱边及顶点区域的凝固过程，使该区域在最终服役状态下表现出较好的局部耐磨强化性能，同时保持主体区域良好的抗冲击性能。

20、3.本发明通过结构优化设计与局部组织强化相结合，从几何结构和材料组织两个方面改善多面体研磨介质服役性能，使研磨介质能够长期保持有效工作形态，提高使用寿命。经对比试验验证，本发明研磨介质有效服役寿命较传统结构提高约21%，棱边完整率提高约33%。

21、4.本发明无需改变现有铸造生产主体设备，仅需优化模具结构及局部冷却方式即可实现结构优化设计和局部组织强化，生产工艺简单、重复性好，适用于高铬白口铸铁多面体耐磨研磨介质批量生产，可广泛应用于矿山、水泥、冶金、电力等行业球磨设备，具有良好的工业应用价值。

22、本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种结构组织一体化耐磨多面体研磨介质，其特征在于，研磨介质为多面体，所述多面体包括多个工作面、连接相邻工作面的棱边以及由多个棱边交汇形成的顶点，所述棱边为连接相邻工作面的过渡面，所述顶点为多个过渡面交汇形成的区域；

2.如权利要求1所述的结构组织一体化耐磨多面体研磨介质，其特征在于，研磨介质等效体积直径为与研磨介质实际体积相等的理想球体直径：

3.如权利要求1所述的结构组织一体化耐磨多面体研磨介质，其特征在于，所述连续过渡构型为圆弧过渡、椭圆弧过渡、抛物线过渡或样条曲线过渡。

4.如权利要求3所述的结构组织一体化耐磨多面体研磨介质，其特征在于，所述连续过渡构型为圆弧过渡时，r为圆弧的圆角半径。

5.如权利要求1所述的结构组织一体化耐磨多面体研磨介质，其特征在于，所述研磨介质的材料为高铬白口铸铁，化学成分包括c：2.0%-3.5%，cr：12%-26%，其余为fe及不可避免杂质。

6.如权利要求1所述的结构组织一体化耐磨多面体研磨介质，其特征在于，棱边及顶点区域为局部强化区域，局部强化区域的平均显微硬度高于主体区域5%-20%。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的结构组织一体化耐磨多面体研磨介质的制备方法，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，铸件完成清理后进行热处理。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述局部冷却结构为铸铁冷铁，铸铁冷铁嵌设于铸型壁内。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述铸铁冷铁的厚度为对应铸件壁厚的0.5-2.0倍。