耐磨鋼球模鍛與自由鍛工藝比較

汪有才，路 遠(yuǎn)，于 浩

（1.銅陵有色金神耐磨材料有限責(zé)任公司，安徽 銅陵 244000；2.北京科技大學(xué)材料學(xué)院，北京 100089）

耐磨鋼球作為自磨機(jī)中的磨損介質(zhì)，被廣泛用于冶金礦山、水泥建材、火力發(fā)電等重工業(yè)領(lǐng)域[1]。隨著生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，礦業(yè)行業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)磨球的年消耗總量也在不斷提高，保守估計(jì)為180-250萬(wàn)噸左右，其需求量還在不斷增加[2,3]。而目前，常見(jiàn)的耐磨鋼球成型工藝主要為鑄造、鍛造和軋制這三種。而針對(duì)大直徑的鋼球來(lái)說(shuō)，其主要的生產(chǎn)工藝多為鍛造和鑄造，其中鑄球的需求量最大，而鍛造磨球的前景最好。由于鍛造鋼球所采用的坯料為熱軋圓鋼，這要求有比較大的塑性變形量，且在冶煉過(guò)程中還需控制內(nèi)部夾雜物含量，這使得鍛球采用的棒坯內(nèi)部組織致密，且無(wú)顯微裂紋、縮孔、白點(diǎn)等缺陷。另外，鍛球成型過(guò)程中存在再次加熱和熱加工情況，因此與鑄球相比，鍛球有以下這些特點(diǎn)：首先，鍛造速度要比鑄球要快，產(chǎn)量高，且球型和表面質(zhì)量良好；其次鍛造磨球成型過(guò)程變形量較大，因此其內(nèi)部組織和晶粒尺寸更為均勻細(xì)小，使得鍛球的硬度高、韌性好，不易破碎；再次，鍛球取代低鉻、中鉻、高鉻系合金鑄球[4]，這會(huì)在很大程度上減少鉻礦的消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染，這也符合我國(guó)對(duì)工業(yè)環(huán)保的要求[5,6]；最后，從性能的角度考慮，鋼球的含鉻量對(duì)其耐磨性能有很大的影響，也就是說(shuō)，含鉻量越高耐磨性就越好，但鉻元素會(huì)增加鋼球的易腐蝕傾向，鉻含量越高也會(huì)使磨球越容易被腐蝕，特別是若礦石中硫的含量較高時(shí)，會(huì)進(jìn)一步提高這種傾向。故鑄造成型的鉻系磨球在濕磨工況下的使用壽命會(huì)在很大程度上受到限制，達(dá)不到預(yù)期效果[7]。

而鍛造磨球也存在兩種不同的成型工藝，即自由鍛和模鍛[8,9]。自由鍛是在工人憑經(jīng)驗(yàn)操縱自由錘，利用錘自上而下的沖擊力對(duì)坯料施加變形，使圓棒得到所需要的外部形狀及內(nèi)部性能的鍛造加工工藝；而模鍛是把將坯料固定于模鍛設(shè)備上的模具內(nèi)進(jìn)行一次成型的鍛造工藝。本文基于B3鋼材質(zhì)，采用自由鍛和模鍛的磨球成型工藝，得到直徑120mm的耐磨球，并對(duì)其組織和性能進(jìn)行比較分析，從而對(duì)今后的生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 成型工藝

模鍛工藝：將直徑為Φ80mm的棒坯，鋸切成長(zhǎng)度為175mm的圓柱棒材后，采用中頻爐加熱，再利用2T全自動(dòng)模鍛錘鍛打，最后在空氣中緩冷到室溫。

自由鍛工藝：將直徑為Φ80mm的棒坯，鋸切成長(zhǎng)度為175mm的圓柱棒材后，采用中頻爐加熱，再利用750kg空氣錘鍛打，鍛打次數(shù)為40錘，最后在空氣中緩冷到室溫。

兩種工藝生產(chǎn)的磨球試樣均為B3鋼材質(zhì)，表1為B3鋼的合金成分。

表1 B3鋼與B6鋼主要合金成分比較(wt%)

1.2 取樣

由于此次需要檢測(cè)的試樣來(lái)自于兩種不同的成型工藝，故將其分成兩組。為了保證檢測(cè)結(jié)果盡可能地全面可靠，在參考金屬流線實(shí)驗(yàn)的結(jié)果下，在這兩組中，各采用一個(gè)半球進(jìn)行試樣制備，取樣結(jié)果如圖1所示。

由于鋼球的直徑為120mm，故在耐磨球的縱向從上到下每間隔5mm依次取一個(gè)10×10×20的試樣，而在45°方向上和橫向上的半徑1/2處以及邊緣處各取兩個(gè)10×10×20的試樣。

圖1 磨球取樣位置分布

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

金相組織分析：對(duì)兩組試樣采用不同目數(shù)SiC砂紙進(jìn)行研磨后，在拋光布上拋光，然后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕后，最后在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織，并對(duì)模鍛和自由鍛工藝下組織形貌進(jìn)行對(duì)比分析。

顯微硬度測(cè)試：對(duì)模鍛和自由鍛磨球不同位置試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，記錄兩種工藝下磨球不同位置的硬度值，了解鋼球的硬度分布情況。

金屬流線實(shí)驗(yàn)：沿著縱向?qū)υ嚇尤≌麄€(gè)圓面或者半個(gè)圓面，將表面磨光后使用1：1鹽酸水溶液加熱到60℃～80℃腐蝕一段時(shí)間，即可看到試樣縱切面的金屬流線。比較模鍛和自由鍛流線差異，并分析流線對(duì)磨球性能的影響。

常溫沖擊功測(cè)試：根據(jù)金屬流線布，分別在流線密集的中心區(qū)域以及無(wú)明顯流線的邊部區(qū)切取10mm×10mm×55mm的沖擊試樣，比較分析不同工藝之間沖擊性能的差異以及流線對(duì)沖擊韌性的影響。

高溫共聚焦實(shí)驗(yàn)：由于試樣的顯微組織在光學(xué)顯微鏡下難以分辨晶界，為了比較分析不同工藝之間的晶粒度差異，采用高溫共聚焦實(shí)驗(yàn)，在晶粒度差異最大的邊部位置分別取Φ7×2.5mm的圓柱樣各數(shù)個(gè)，經(jīng)研磨拋光后，將表面質(zhì)量最好的兩組試樣置于共聚焦顯微鏡下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將試樣加熱到奧氏體化溫度以上，在高溫下，進(jìn)行對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時(shí)、原位以及高清晰觀察與分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

從圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，試樣的顯微組織是由索氏體和少量的白色珠光體組織構(gòu)成的。而具有清晰片層結(jié)構(gòu)的珠光體的數(shù)量從表面到心部呈上升趨勢(shì)。分析原因，在鋼球在鍛造后的空冷過(guò)程中，由于其尺寸較大，使得鋼球內(nèi)部溫度要遠(yuǎn)大于表層，轉(zhuǎn)變溫度較高，導(dǎo)致中心位置形成了更多片層間距較粗的珠光體組織，而表層由于轉(zhuǎn)變溫度低，因此在表面位置產(chǎn)生了更多片層間距較細(xì)的索氏體組織，這兩者均為鐵素體和滲碳體的兩相混合物，只有粗細(xì)之分，并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。

2.2 顯微硬度實(shí)驗(yàn)分析

圖3 模鍛與自由鍛縱向硬度對(duì)比

對(duì)兩組試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，如上圖3所示，為兩種工藝下鋼球沿縱向的硬度分布，其中橫坐標(biāo)的0刻度線為鋼球的上表面，120刻度線為鋼球的下表面。由圖可知，模鍛試樣在各個(gè)位置的硬度值要明顯高于自由鍛的數(shù)值，兩者在中心處及接近中心處的硬度值相差不大，但自由鍛試樣沿縱向的硬度分布更加均勻，沒(méi)有較為劇烈的起伏波動(dòng)。

下圖4、5所示，為模鍛和自由鍛試樣不同位置，從表面到中心的硬度分布從中心到表面的硬度分布。其中1#為橫向，2#為縱向，3#為沿45°方向。從圖上可以看出，兩者在這各個(gè)方向上的硬度值相差不大，而模鍛硬度相對(duì)較高一些，但模鍛試樣各方向上的最大硬度差值為86.1HV，而自由鍛試樣僅為40.4HV，這進(jìn)一步說(shuō)明了自由鍛在各個(gè)方向上的硬度分布更加均勻。

圖4 模鍛鋼球不同位置硬度分布

圖5 自由鍛不同位置硬度分布

2.3 金屬流線實(shí)驗(yàn)

為了分析不同成型工藝下，磨球的金屬流動(dòng)規(guī)律，對(duì)兩組鋼球制樣后進(jìn)行金屬流線實(shí)驗(yàn)。下圖6是四種試樣的金屬流線圖，試樣是沿著縱向切下來(lái)的半徑為3mm的圓片，經(jīng)鹽酸腐蝕后的結(jié)果?？梢钥闯?，相對(duì)于模鍛試樣，自由鍛試樣的流線線條更加細(xì)致。這是由于自由鍛試樣鍛打錘數(shù)更多，與模鍛相比，沿各個(gè)方向的變形量上下波動(dòng)較小，使得有間雜物、偏析等形成的金屬流線分布也更均勻。

從橫向上的分布來(lái)看，模鍛的流線模糊且較較為稀疏，經(jīng)測(cè)量，其流線距試樣邊部距離約30mm，而自由鍛試樣的流線距邊部約35mm。這樣會(huì)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中，在表面淬硬層被磨掉之后，模鍛試樣由于鍛造流線粗糙且范圍大，更加容易磨損失效。

圖6 模鍛和自由鍛金屬流線分布

2.4 高溫共聚焦實(shí)驗(yàn)

由于試樣常溫在光學(xué)顯微鏡下金相組織的晶界并不明顯，對(duì)晶粒度的統(tǒng)計(jì)測(cè)量較為困難。為了對(duì)比分析B3鋼模鍛與自由鍛之間晶粒度的差異，故進(jìn)行高溫共聚焦實(shí)驗(yàn)。由于鋼球在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其受力磨損主要體現(xiàn)在表面，故在其邊部取直徑7mm，厚度為2.5mm的圓片試樣，將其加熱到鋼球的出爐溫度1150℃，為了避免晶粒長(zhǎng)大，保溫時(shí)間設(shè)定為2min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拍攝的組織照片，運(yùn)用ProImaging軟件分別對(duì)兩種鋼球的晶粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下表2所示。

表2 模鍛和自由鍛晶粒尺寸比較

從上表中可以看出，模鍛試樣的晶粒度尺寸較大，約為74um，平均晶粒度等級(jí)為4.5，而自由鍛試樣的晶粒度尺寸較小，約為41um，平均晶粒度等級(jí)為6。且從兩者的晶粒尺寸結(jié)果上分析，可以發(fā)現(xiàn)，模鍛試樣的晶粒尺寸大小波動(dòng)較大，最大差值為49um，而自由鍛試樣波動(dòng)范圍小，最大差值僅為3um。從下圖7中也可以看出，自由鍛試樣的晶粒更為均勻，而模鍛試樣的晶粒存在異常長(zhǎng)大現(xiàn)象。分析原因，一方面是由于自由鍛的成型時(shí)間較長(zhǎng)，磨球的變形程度更大，且在各個(gè)方向上所承受的鍛打力較為均勻。而模鍛由于成型時(shí)間有限，所以變形并不均勻；另一方面自由鍛所測(cè)試樣的出爐溫度較低，僅為1026℃，而模鍛試樣的出爐溫度為1160℃，這極易導(dǎo)致晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。

2.5 常溫沖擊實(shí)驗(yàn)

根據(jù)金屬流線實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，分別對(duì)兩組試樣流線密集的心部和無(wú)明顯流線分布的邊部取10mm×10mm×55mm的試樣，進(jìn)行常溫沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表3所示。從表中可以看出，自由鍛試樣在心部和邊部處的沖擊功均大于模鍛，這可能是由于自由鍛試樣鍛打次數(shù)較多，沿各個(gè)方向上的應(yīng)變量波動(dòng)較小，其金屬流線分布較為均勻，且其熱加工過(guò)程較長(zhǎng)，磨球在變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)回復(fù)所引起的軟化作用更為明顯，導(dǎo)致其殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中程度較小，試樣的韌性更好。

表3 三組試樣不同位置沖擊功結(jié)果(J)

3 結(jié)論

我們針對(duì)模鍛和自由鍛成型磨球的工藝特點(diǎn)，從實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐的角度出發(fā)，從金相組織、硬度分析、金屬流線檢測(cè)、高溫顯微組織觀察以及沖擊性能分析這幾個(gè)方面著手，綜合比較了這兩種工藝對(duì)成型磨球的使用性能上的差異，并得出如下結(jié)論：

（1）從金相組織的角度來(lái)看，在檢測(cè)的三組試樣方面，采用不同成型工藝得到的B3鋼磨球，空冷后的顯微組織均為索氏體與珠光體的混合結(jié)構(gòu)，且由于磨球直徑較大，內(nèi)外溫度差異較大，使得內(nèi)部的珠光體含量較高。

（2）從硬度檢測(cè)結(jié)果分析，自由鍛試樣的硬度分布要比模鍛的更加均勻，但模鍛的硬度值較高。結(jié)合塑性變形規(guī)律，我們認(rèn)為可能是成形溫度低以及變形程度大使得材料加工硬化程度高，從而表征在硬度方面。

（3）通過(guò)對(duì)兩組試樣的金屬流線檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)模鍛試樣的流線較為粗糙，分布范圍較大，這會(huì)導(dǎo)致其在使用過(guò)程中更加容易磨損失效。

（4）通過(guò)對(duì)模鍛和自由鍛高溫組織比對(duì)觀察發(fā)現(xiàn)，自由鍛試樣的晶粒尺寸要比模鍛的細(xì)小一些，且排列更為均勻。這一方面是由于自由鍛成型過(guò)程變形更均勻。另一方面，也與自由鍛試樣的出爐溫度較低有關(guān)。

（5）通過(guò)常溫沖擊實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)自由鍛試樣的沖擊韌性要優(yōu)于模鍛試樣，這是由于模鍛成型過(guò)程中磨球在各個(gè)位置上的變形量不一致，且變形過(guò)程較短，動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制所引起的軟化作用并不明顯，使得模鍛試樣的沖擊結(jié)果并不理想。

綜上所述，通過(guò)對(duì)兩種試樣各種性能指標(biāo)的檢測(cè)，我們不難發(fā)現(xiàn)，兩種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)：自由鍛工藝生產(chǎn)效率較低，但鋼球在鍛造時(shí)的變形更均勻，使用性能更好，而模鍛工藝的優(yōu)點(diǎn)則是生產(chǎn)效率高。