立式磨機(jī)用高鉻鑄鐵螺旋襯板熱處理工藝研究

(1.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471039；2.礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；河南471039)

長(zhǎng)期以來，立式磨機(jī)因其占地面積小、效率高、電耗低等特點(diǎn)，在現(xiàn)代水泥、化工、煤炭、電力等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。作為設(shè)備的主要易損配件，高鉻鑄鐵螺旋襯板發(fā)揮著不可替代的重要作用，但其在使用過程中也存在脆性大、易開裂等問題，在一定程度上阻礙了推廣和發(fā)展。本文對(duì)立式磨用高鉻鑄鐵螺旋襯板的熱處理工藝進(jìn)行了探索和研究，合理的熱處理工藝可以改善高鉻鑄鐵中碳化物的分布和形態(tài)，實(shí)現(xiàn)高鉻鑄鐵硬度和韌性的最優(yōu)化配合。高鉻鑄鐵螺旋襯板技術(shù)要求如表1所示。

表1 高鉻鑄鐵螺旋襯板技術(shù)要求Table 1 Technical requirements of high-chromium cast iron spiral lining sheet

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料制備

本文研究的Cr15高鉻鑄鐵化學(xué)成分如表2所示。

采用50 kg中頻感應(yīng)爐冶煉澆注22 mm×22mm×130 mm試樣若干。爐料選用優(yōu)質(zhì)專用生鐵，為避免熔化過程中合金大量氧化，導(dǎo)致鐵液中夾雜物增多，根據(jù)與氧親和力的強(qiáng)弱，鉬鐵、鎳板和銅屑可隨爐配入，待鐵液熔清后，按0.05%插入Al線，造稀薄渣。預(yù)脫氧結(jié)束后，調(diào)整合金成分，出鐵溫度1560℃，出鐵時(shí)將稀土壓至包底，采用沖入法變質(zhì)處理，試樣澆注溫度為1450℃。

表2 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical compositions of testing material (mass fraction, %)

1.2 試驗(yàn)方法

冶煉澆注完成后，對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)以便后續(xù)熱處理工藝的探索與研究。圖1所示為高鉻鑄鐵試樣的熱處理工藝，主要采用高溫淬火+時(shí)效處理(回火)的方式對(duì)亞共晶Cr15高鉻鑄鐵進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)。

圖1 Cr15高鉻鑄鐵試塊熱處理工藝Figure 1 Heat treatment technique of Cr15 high-chromium cast iron block

(a)宏觀硬度(b)沖擊韌性圖2 不同溫度淬火后高鉻鑄鐵的宏觀硬度和沖擊韌性Figure 2 Macro-hardness and impact toughness of high-chromium cast iron after different quenching temperatures

圖1中T1、T2分別為熱處理試驗(yàn)時(shí)選擇的高溫淬火和時(shí)效處理溫度，t1、t2則為相應(yīng)的保溫時(shí)間。根據(jù)Cr15高鉻鑄鐵相圖以及參考熱處理工藝[1-2]，取淬火溫度為920℃、960℃、1000℃、1040℃和1080℃。有資料[3]指出，高鉻鑄鐵淬火保溫時(shí)間不能低于2 h，考慮到試樣的尺寸規(guī)格較小，且形狀規(guī)則，保溫時(shí)間t1定為2 h。淬火保溫結(jié)束后，將試樣出爐并置于鋼制平面上用強(qiáng)風(fēng)冷卻。時(shí)效處理的溫度范圍則定在200～600℃之間，按照溫度間隔為50℃設(shè)定，保溫時(shí)間t2取4 h進(jìn)行試驗(yàn)。

熱處理試驗(yàn)完成后，對(duì)高溫淬火和高溫淬火+時(shí)效處理的試樣分別進(jìn)行宏觀硬度和金相組織檢測(cè)，同時(shí)加工出10 mm×10 mm×55 mm的無缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，在JB-50型一次擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其沖擊韌性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

在不同淬火溫度下，當(dāng)保溫時(shí)間為2 h時(shí)，淬火溫度與Cr15高鉻鑄鐵宏觀硬度以及沖擊韌性之間的關(guān)系如圖2所示。

從圖2(a)可以看出，Cr15高鉻鑄鐵的宏觀硬度隨著淬火溫度的提高呈先上升后下降的趨勢(shì)，在1000℃時(shí)其硬度達(dá)到了最高值，為59.2HRC。

二次碳化物沉淀析出的溫度決定了在奧氏體中溶解的C以及合金元素含量，進(jìn)而顯著地影響Ms點(diǎn)的溫度和淬火硬度。當(dāng)奧氏體化溫度較低時(shí)，析出的二次碳化物數(shù)量多、顆粒小、分布均勻，奧氏體中C及合金元素含量少，空冷后馬氏體硬度較低；但是如果奧氏體化溫度過高，析出的二次碳化物數(shù)量少、顆粒大、分布不均勻，奧氏體中C及合金元素含量多，奧氏體穩(wěn)定性高、Ms點(diǎn)降低，導(dǎo)致淬火后殘留奧氏體多、馬氏體少，硬度就會(huì)降低。

從圖2(b)可以看出，Cr15高鉻鑄鐵的沖擊韌性是首先隨著淬火溫度的提高而略微的緩慢下降，然后反向上升，并在1040℃時(shí)達(dá)到了其沖擊韌性的最高值，但當(dāng)淬火溫度超過1040℃后，其沖擊韌性開始急劇下降。

可見，隨著淬火溫度的提高，由于部分碳化物出現(xiàn)了局部的固溶，引起某些碳化物棱角因?yàn)榛厝芏固蓟镱w粒變得相對(duì)圓鈍，而且適當(dāng)?shù)奶岣叽慊饻囟扔兄诨w組織中的局部富集元素充分?jǐn)U散，有助于組織的均勻，從而提高沖擊韌性。然而，當(dāng)淬火溫度過高時(shí)，則容易引起碳化物固溶過多，對(duì)晶界釘扎的作用出現(xiàn)減弱，最終導(dǎo)致其基體組織粗化，大幅度惡化材料的性能。

綜合以上因素，在本文設(shè)定的熱處理工藝下，試塊的宏觀硬度在1000℃淬火時(shí)達(dá)到最高，沖擊韌性則在淬火溫度為1040℃時(shí)性能最好。因此，結(jié)合圖2數(shù)據(jù)，綜合考慮宏觀硬度與沖擊韌性，Cr15高鉻鑄鐵獲得較佳力學(xué)性能的淬火溫度為1000℃。

2.2 時(shí)效處理溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

以1000℃淬火+時(shí)效處理的試樣為例，在時(shí)效保溫時(shí)間為4 h時(shí)，時(shí)效處理溫度與Cr15高鉻鑄鐵宏觀硬度以及沖擊韌性之間的關(guān)系如圖3所示。

(a)宏觀硬度

(b)沖擊韌性圖3 不同溫度時(shí)效處理后高鉻鑄鐵的宏觀硬度和沖擊韌性Figure 3 Macro-hardness and impact toughness of high-chromium cast iron after different aging treatment temperatures

從圖3(a)可以看出，當(dāng)時(shí)效處理溫度在200～300℃之間時(shí)，Cr15高鉻鑄鐵的宏觀硬度隨著加熱溫度的提高而略有下降；在300～500℃之間時(shí)，其宏觀硬度開始逐漸上升，并在500℃時(shí)達(dá)到了硬度的最高值(62.5HRC)；但當(dāng)時(shí)效處理溫度超過500℃后，Cr15高鉻鑄鐵的宏觀硬度開始急劇下降，其中600℃時(shí)達(dá)到了最低，僅為47.2HRC。

從圖3(b)可以看出，在300℃以下時(shí)效處理時(shí)，Cr15高鉻鑄鐵的沖擊韌性幾乎沒有變化；在300～500℃之間時(shí)，材料的沖擊韌性有略微的下降，但當(dāng)時(shí)效處理溫度超過500℃后，其沖擊韌性又開始反向上升。

這是因?yàn)樵嚇釉诘蜏鼗鼗?200～300℃)時(shí)，由于組織中存在一定量的奧氏體，且碳化物的析出量不多，所以其沖擊韌性和硬度基本不變；當(dāng)回火溫度超過300℃后，由于奧氏體的轉(zhuǎn)變和二次碳化物析出量的增加使得組織中的硬脆相的成分增加，所以其硬度逐漸上升，沖擊韌性有略微的下降；當(dāng)回火溫度超過500℃后，由于基體中馬氏體的正方度降低，奧氏體分解為共析組織，使得硬質(zhì)相成分減少，所以其硬度下降，沖擊韌性上升。

Cr15高鉻鑄鐵試塊在經(jīng)1000℃高溫淬火后，其顯微組織由共晶碳化物+馬氏體+二次碳化物+一定數(shù)量的殘余奧氏體組成。當(dāng)時(shí)效溫度較低(200～300℃)時(shí)，過飽和溶解于殘余奧氏體中的鉻、碳原子的運(yùn)動(dòng)速度較慢，不易聚集在一起，很難析出新的碳化物，但馬氏體中過飽和的碳會(huì)以碳化物形式析出，使馬氏體的晶格畸變減少，導(dǎo)致硬度略有降低，此時(shí)Cr15高鉻鑄鐵的顯微組織由共晶碳化物+回火馬氏體+二次碳化物+一定數(shù)量殘余奧氏體組成，如圖4(a)和圖4(b)；當(dāng)時(shí)效溫度較高(300～500℃)時(shí)，溶解于殘余奧氏體中的鉻、碳原子的運(yùn)動(dòng)速度加快，容易聚集在一起，因此從基體中析出大量細(xì)小的二次碳化物，由于殘余奧氏體中碳化物的析出，使得奧氏體中的C含量下降，Ms點(diǎn)上升，殘余奧氏體進(jìn)一步向馬氏體轉(zhuǎn)變，高鉻鑄鐵的硬度得到提高，此時(shí)Cr15高鉻鑄鐵的顯微組織由共晶碳化物+回火馬氏體+二次碳化物+少量的殘余奧氏體組成，如圖4(c)和圖4(d)；但當(dāng)時(shí)效溫度進(jìn)一步提高(500～600℃)時(shí)，馬氏體則完全分解為回火馬氏體，導(dǎo)致硬度顯著降低，此時(shí)Cr15高鉻鑄鐵的顯微組織為共晶碳化物+回火馬氏體+二次碳化物組成，如圖4(e)和圖4(f)。

圖4 不同溫度時(shí)效處理后高鉻鑄鐵的的金相組織(1000×)Figure 4 Metallographic microstructures of high-chromium cast iron at different aging treatment temperatures (1000×)

圖5 鑄態(tài)螺旋襯板及SK100標(biāo)準(zhǔn)試塊Figure 5 Spiral lining sheet as cast condition and SK100 standard block

圖6 1000℃淬火+500℃回火后SK100等效試塊的金相組織(1000×)Figure 6 Metallographic microstructures of SK100 equivalent block after 1000℃ quenching + 500℃ tempering (1000×)

綜合以上因素，在本文設(shè)定的熱處理工藝下，試塊的宏觀硬度在500℃時(shí)效處理時(shí)達(dá)到最高，沖擊韌性則在時(shí)效溫度為600℃時(shí)性能最好。因此，結(jié)合圖3數(shù)據(jù)，綜合考慮宏觀硬度與沖擊韌性，Cr15高鉻鑄鐵獲得較佳力學(xué)性能的時(shí)效處理溫度為500℃。

3 生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證

由上述試驗(yàn)可知，在尺寸規(guī)格較小且形狀規(guī)則時(shí)，高鉻鑄鐵試樣的宏觀硬度和沖擊韌性均能滿足技術(shù)要求。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和可靠性，依據(jù)探索出的最佳熱處理工藝(1000℃淬火+500℃回火)，選用圖5所示的鑄態(tài)螺旋襯板和SK100等效試塊進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。

表3 螺旋襯板裝配面表面硬度檢測(cè)結(jié)果Table 3 Inspection results of mounting surface hardness for spiral lining sheet

表4 SK100等效試塊的硬度梯度和沖擊韌性Table 4 Hardness gradient and impact roughness of SK100 equivalent block

性能熱處理后，按圖5所示的位置對(duì)螺旋襯板進(jìn)行宏觀硬度檢測(cè)，并對(duì)SK100等效試塊進(jìn)行線切割解剖，檢測(cè)其硬度梯度、沖擊韌性和金相組織，結(jié)果如表3、表4和圖6所示?？梢钥闯?，螺旋襯板的表面硬度最高達(dá)61.9HRC，最低為60.3HRC；SK100等效試塊的硬度分布均勻，衰減較小，其表面硬度為62.3HRC，距表面深度50mm時(shí)為59.5HRC，沖擊韌性平均為7.85 J/cm2，試塊的金相組織與22 mm×22 mm×130 mm試樣的基本一致，由共晶碳化物+回火馬氏體+二次碳化物+少量的殘余奧氏體組成。雖然各項(xiàng)性能指標(biāo)較中頻爐冶煉澆注的試樣有略微下降，但均能滿足技術(shù)要求，與前述試驗(yàn)結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

(1)在不同淬火溫度下，Cr15高鉻鑄鐵在1000℃時(shí)硬度最高，在1040℃時(shí)沖擊韌性最好。

(2)在相同淬火、不同時(shí)效溫度下，Cr15高鉻鑄鐵在500℃時(shí)硬度最高，在600℃時(shí)沖擊韌性最好。

(3)采用1000℃淬火+500℃回火的熱處理工藝可以獲得較佳綜合力學(xué)性能。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，立式磨機(jī)用高鉻鑄鐵螺旋襯板的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足技術(shù)要求。