耐磨鋼球剖面裂紋產(chǎn)生原因分析及改進(jìn)措施

許興軍

(常熟市龍?zhí)啬湍デ蛴邢薰?江蘇 常熟 215511)

引 言

耐磨鋼球(以下簡稱“磨球”)是礦山等行業(yè)磨礦的重要介質(zhì)，磨機(jī)向大型半自磨機(jī)方向發(fā)展，對磨球質(zhì)量提出更高要求。磨球直徑也向大直徑方向發(fā)展，最大直徑可達(dá)到160～180 mm，磨球生產(chǎn)的難度、工藝控制穩(wěn)定性及工裝模具的要求都很高；尤其是磨球質(zhì)量控制穩(wěn)定，生產(chǎn)優(yōu)良性能的磨球尤為重要。磨球質(zhì)量好壞直接關(guān)系到磨礦的生產(chǎn)效率。為進(jìn)一步提高磨球質(zhì)量，本文從磨球生產(chǎn)各主要工藝環(huán)節(jié)入手，分析磨球剖面裂紋產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)的措施，并消除生產(chǎn)企業(yè)與客戶之間關(guān)于磨球剖面裂紋的一些誤解。

1 磨球剖面裂紋的形狀及分布

磨球硬度檢驗(yàn)前需要對磨球進(jìn)行線切割取樣,抽取磨球中心位置試樣(磨球剖面),再經(jīng)過平面磨床磨去試樣線切割痕跡,再對磨球剖面進(jìn)行硬度測試,測試硬度時常發(fā)現(xiàn)磨球剖面存在裂紋。裂紋的位置和形狀主要為：1)在磨球剖面表面以下1/4半徑處出現(xiàn)一條直線型或斷續(xù)直線型的裂紋特征，如圖1所示。2)在磨球剖面近邊緣的兩邊表現(xiàn)為“八”字形或單“八”字形一條或數(shù)條的短裂紋特征，該裂紋表現(xiàn)為淺顯的或者隱性的微裂紋；有比較明顯的肉眼可見，有不明顯的隱藏在球體剖面近邊緣的地方，有時僅出現(xiàn)在磨球剖面的某一邊，如圖2所示(箭頭所指)。

圖1 剖面粗大裂紋

圖2 剖面微小裂紋

2 磨球剖面裂紋的原因分析2.1 磨球生產(chǎn)主要工藝過程

一般磨球生產(chǎn)企業(yè)的主要工藝流程如下：圓鋼加熱—鍛軋成球—冷卻淬火—出水冷卻(出水溫度)—回火前冷卻—回火[1]。

2.2 從磨球生產(chǎn)為主要工藝過程分析裂紋產(chǎn)生的原因

2.2.1 圓鋼加熱

圓鋼是磨球生產(chǎn)不可或缺的主要原材料。隨著礦山磨機(jī)直徑的不斷加大，對磨球生產(chǎn)提出更高的要求，磨球向高碳、大直徑、高強(qiáng)度、高硬度、不破碎方向發(fā)展?，F(xiàn)在的磨球材料主要為高碳低合金鋼，碳含量高達(dá)0.7%～1.0%[2]，所以材料加熱要求很高，不能出現(xiàn)過熱、過燒等現(xiàn)象；在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)加熱溫度偏高或加熱時間偏長，淬火造成馬氏體組織粗大等往往殘余應(yīng)力較大，切割引起磨球剖面裂紋，裂紋如圖1所示。所以加熱溫度和時間必須嚴(yán)格控制，現(xiàn)在的磨球加熱已經(jīng)用步進(jìn)爐、環(huán)形爐等先進(jìn)加熱設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對加熱溫度、加熱時間的有效控制。

2.2.2 鍛軋成球

鍛軋是鍛造、軋制磨球的不同的生產(chǎn)方式，主要是磨球成型的過程。這個過程與磨球剖面裂紋的關(guān)系不大，本文不在此詳細(xì)敘述。

2.2.3 冷卻淬火

冷卻淬火是制造磨球主要的控制過程，是磨球強(qiáng)度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程。這一過程控制非常重要，主要是控制磨球淬火溫度、淬火水溫度及磨球淬火出水溫度。對于高碳鋼球一定要試驗(yàn)尋找出最佳的出水溫度，才能有效防止磨球淬火開裂。淬火過程冷卻要均勻、淬火充分，又不至使磨球淬火開裂或磨球產(chǎn)生剖面裂紋；淬火過程控制不到位,入水溫度偏高,可使磨球剖面產(chǎn)生微裂紋，如圖2所示。對于某些更高碳含量的鋼種余熱淬火往往造成直接的淬火開裂，考慮采用“二次加熱淬火的新工藝”。

2.2.4 回火前冷卻

生產(chǎn)實(shí)際證明：磨球進(jìn)回火爐前要進(jìn)行充分冷卻，不同的鋼種磨球應(yīng)用不同的冷卻溫度，如果回火前冷卻不到位(偏高)，回火后的磨球硬度略偏低，其磨球剖面呈現(xiàn)如圖2所示的微裂紋，即“八”字形裂紋或單“八”字形裂紋現(xiàn)象，在磨球剖面的兩個近邊緣部位出現(xiàn)。試驗(yàn)證明：回火前冷卻充分的磨球回火后不會出現(xiàn)磨球剖面裂紋現(xiàn)象。

這種“八”字形的微裂紋往往給客戶一個錯覺，認(rèn)為是磨球本身的質(zhì)量問題。而通過進(jìn)一步試驗(yàn)和觀察：這種剖面裂紋往往出現(xiàn)在線切割最先切割的面上，而后切割的剖面卻是無裂紋的，這應(yīng)該是磨球在切割過程中殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的微裂紋；就是說如果磨球不被切割，其內(nèi)部不存在裂紋，可以通過無損探傷來檢查是否有裂紋的存在。實(shí)際上磨球經(jīng)過淬火、回火后其內(nèi)部的殘余應(yīng)力仍然存在，只是通過回火將殘余應(yīng)力降到更小。所以有時磨球剖面微小的或者隱性的裂紋不影響磨球的力學(xué)性能，不影響后續(xù)礦山使用。

2.2.5 回火

回火是磨球生產(chǎn)一個重要工藝控制過程，淬火后的磨球必須配以低溫回火才能得到最佳的強(qiáng)度、韌性的組合?；鼗饝?yīng)及時，一般不應(yīng)超過6h。如果回火溫度偏低或時間偏短，回火后的磨球剖面往往存在微裂紋的現(xiàn)象，如圖2所示。這實(shí)質(zhì)上是磨球回火溫度不夠、回火不充分、回火不均勻造成的。因回火溫度不夠產(chǎn)生的裂紋，可以通過增加回火溫度重新回火來解決。檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，磨球回火后立即進(jìn)行線切割，磨球的剖面有時也會出現(xiàn)剖面裂紋。

3 磨球剖面裂紋的改進(jìn)措施

3.1 圓鋼加熱

在滿足鍛造或者軋制工藝溫度的情況下，鍛造磨球圓鋼的加熱溫度向低溫度控制，大致在1050～1080 ℃之間；軋制磨球的加熱溫度大致在890～950 ℃之間。主要防止加熱溫度高、加熱時間長造成圓鋼晶粒長大，造成材料的力學(xué)性能降低，出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。

3.2 冷卻淬火與出水溫度

主要控制磨球淬火溫度、淬火水溫度、磨球出水溫度。對于高碳合金鋼等淬火易開裂的磨球提高磨球出水溫度、降低淬火溫度是減少磨球開裂或磨球剖面裂紋最有效的控制措施。并配合落球試驗(yàn)來確認(rèn)最佳的磨球出水溫度范圍。磨球淬火過程中必須得到充分、均勻的冷卻，必要時增加攪拌裝置。降低淬火入水溫度、提高出水溫度，磨球淬火開裂現(xiàn)象基本消除[3]。

3.3 回火前冷卻與回火

磨球回火前必須得到充分、有效的冷卻。要不斷試驗(yàn)不同材料磨球的回火前冷卻溫度。生產(chǎn)實(shí)際證明：回火前冷卻溫度一般控制在50～60 ℃范圍，根據(jù)材料成分的差異，有的磨球冷卻溫度可控制在室溫狀態(tài)，不宜追求更高溫度。根據(jù)氣溫的變化要嚴(yán)格控制進(jìn)回火爐溫度，根據(jù)氣溫變化來調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)的開、關(guān)數(shù)量及位置，測量冷卻溫度時要注意兩側(cè)與中間區(qū)域磨球溫度差別，中間磨球溫度往往高于兩邊，有時中間位置可以單獨(dú)開一組風(fēng)扇，加強(qiáng)冷卻效果。

回火前磨球冷卻溫度的檢驗(yàn)很重要，必須作為常規(guī)檢查項(xiàng)目，通常用一種測溫筆可以精準(zhǔn)測量出磨球的冷卻溫度，可以有效防止磨球剖面裂紋的產(chǎn)生。

回火過程主要關(guān)注回火溫度和時間是否充分和適宜，需要試驗(yàn)驗(yàn)證所需要的回火溫度及回火時間。磨球回火應(yīng)加裝回火攪拌風(fēng)扇，加強(qiáng)回火氣氛流動，才能達(dá)到回火均勻性。有條件的企業(yè)應(yīng)該采用連續(xù)式網(wǎng)帶回火爐，球體單個平鋪在網(wǎng)帶上，采用天然氣燃燒，并充分?jǐn)嚢?，這樣回火的效果會更好。舉例說明：對于已經(jīng)產(chǎn)生剖面裂紋的磨球，提高回火加熱溫度，延長加熱的時間，消除磨球剖面裂紋。增加回火后溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)定如表1所示；正?；鼗饻囟惹€如圖3所示；增加回火溫度及時間回火溫度曲線如圖4所示。

表1 增加回火后溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)定

圖3 正?；鼗饻囟惹€

圖4 增加回火溫度及時間回火溫度曲線

實(shí)驗(yàn)對比說明：提高回火工藝溫度，一區(qū)、二區(qū)增加10 ℃，三區(qū)、四區(qū)增加10 ℃；提高回火工藝溫度后，溫度速率增加較快，回火最高溫度由160～170 ℃提高到180～190 ℃，增加了近20 ℃，增加了磨球回火的效果，回火后磨球剖面微裂紋情況改善明顯或裂紋消失，如圖5, 6所示。

圖5 磨球剖面邊緣裂紋

圖6 提高回火溫度或重新回火裂紋消除

這個實(shí)驗(yàn)說明：提高回火溫度或重新回火是對已經(jīng)產(chǎn)生剖面裂紋的磨球最佳的糾正措施。

3.4 磨球剖面磨削裂紋

磨球切片在線切割完成后需要在磨床上磨兩個切割面，磨去磨球線切割痕跡，磨削深度0.5～1 mm左右，磨床磨的過程中由于壓下量偏大，切片表面局部燒傷形成磨削裂紋。磨削裂紋呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀分布與應(yīng)力裂紋有本質(zhì)不同。在斜對著光看磨削裂紋清晰可見，還可以通過剖面研磨，化學(xué)試劑腐蝕后看磨削裂紋會清楚顯示出來，還伴隨局部燒傷。有時客戶檢驗(yàn)?zāi)デ驎r也會產(chǎn)生磨削裂紋，認(rèn)為是磨球質(zhì)量問題，這是一個誤解。

4 結(jié)束語

(1)降低加熱溫度、提高淬火出水溫度、加強(qiáng)磨球回火前冷卻，這些是減少或消除磨球剖面裂紋的有效措施。

(2)磨球剖面裂紋通過回火不能完全去除時，應(yīng)該首先考慮原材料(圓鋼)加熱溫度偏高所致，降低加熱溫度。

(3)磨球剖面裂紋本質(zhì)上是應(yīng)力裂紋，可以通過提高回火溫度或者重復(fù)回火消除剖面裂紋。

(4)應(yīng)力裂紋和磨削裂紋有本質(zhì)的特征差異，應(yīng)力裂紋是磨球本身殘余應(yīng)力釋放造成的，磨削裂紋是研磨過程中壓下量不均勻、局部燒傷造成的，這兩類裂紋應(yīng)加以區(qū)別。