離心復(fù)合輥壓輥套差溫淬火熱處理研究

冀鑫剛 ，白思諾 ，杜旭景 ，楊立閣 ，王保宏 ，王國菊 ，王滟偉

（1.軋輥復(fù)合材料國家重點實驗室，河北邢臺 054025；2.邢臺軋輥異型輥有限公司，河北邢臺 054025；3.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北邢臺 054025）

輥壓機是一種用于礦石、粉磨水泥生料或水泥熟料及其他建筑、化工、陶瓷、鋼鐵等工業(yè)原料的粉磨設(shè)備，由于具有體積小、重量輕、占地少、節(jié)能等優(yōu)點，特別是實施“碧海藍天”工程、淘汰落后產(chǎn)能以來，該技術(shù)發(fā)展應(yīng)用很快。

輥壓輥是輥壓機的主要工作部件，屬破碎粉磨的消耗工具。一般一臺輥壓機有2個輥，外層硬度大于HRC60，以圓柱形為主[1]。目前，國內(nèi)應(yīng)用的輥壓輥套，主要是采用鍛造中碳鋼調(diào)質(zhì)處理后在外層堆焊耐磨層。但該工藝工序復(fù)雜，工期長，補焊修復(fù)周期長，堆焊層存有無法去掉的微裂紋，在使用過程中由于變動載荷的沖擊，經(jīng)常出現(xiàn)堆焊層剝落、掉塊等現(xiàn)象，影響粉磨效果。為此，我公司研發(fā)了離心復(fù)合鑄造并帶有咬入花紋輥壓輥的技術(shù)。

1 熱處理工藝的制定

1.1 熱處理工藝面臨的問題

在常規(guī)熱處理生產(chǎn)中耐磨輥壓輥套采用整體加熱的方法，即內(nèi)外層同時加熱。我公司生產(chǎn)的耐磨輥壓輥套系列產(chǎn)品工作層為50～100mm，并要求外表面保留花紋形狀的鑄造狀態(tài)，同時其工作溫度小于80℃。因此，耐磨輥壓輥套在經(jīng)過高溫后極易氧化，氧化后耐磨性能極差。同時此系列耐磨輥壓輥套為復(fù)合材質(zhì)產(chǎn)品：外層為高合金材質(zhì)、內(nèi)層為低碳鋼材質(zhì)。外層需要高的耐磨性能以提高其使用壽命，為使其達到全奧氏體化，需要很高的加熱溫度，遠遠高于低碳鋼所能承受的溫度，在高溫下內(nèi)層低碳鋼組織粗化，晶粒度級別會達到0～1級，導(dǎo)致韌性急劇下降，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)沒有屈服強度，吸收功為2～3J，產(chǎn)品極易開裂。

1.2 熱處理工藝的選擇

為了解決復(fù)合耐磨輥壓輥套熱處理后存在的不足，我公司采用了差溫淬火的方法，解決了產(chǎn)品內(nèi)層韌性差的現(xiàn)狀，使耐磨輥壓輥套具有更優(yōu)良的使用性能。

差溫淬火的技術(shù)方案是：采用無氧化高溫預(yù)熱，因輥套內(nèi)層在鑄造后組織粗大，韌性差，需要經(jīng)過正火過程以使其達到細化晶粒，提高韌性的目的，特將輥套預(yù)熱至低碳鋼奧氏體化溫度，以達到正火之目的。同時因差溫?zé)崽幚磉^程外層溫度急劇升高，若從室溫下升溫則熱應(yīng)力大容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，需要將輥套進行預(yù)熱。

此外，輥套外圓為一字花紋狀，在高溫加熱時極易氧化將導(dǎo)致輥套外圓失去原有的耐磨性能，特將輥套放置于無氧氣氛的爐內(nèi)加熱，確保外花紋不被氧化。然后轉(zhuǎn)到雙工頻淬火機床進行表面加熱，工件旋轉(zhuǎn)使表面均勻加熱，使其外層達到其自身奧氏體化溫度，而此時內(nèi)層溫度仍小于900℃。

由于奧氏體內(nèi)合金含量高，在隨后的冷卻中，形成馬氏體和部分過冷奧氏體；因此隨后進行高溫回火，將部分過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體（部分貝氏體），同時基體中彌散析出細小的合金碳化物，提高硬度；采用多次高溫回火，降低殘余奧氏體量，并同時出現(xiàn)二次硬化，提高基體的耐磨性[2]。

2 輥壓輥套熱處理試驗與數(shù)據(jù)分析

2.1 熱處理試驗過程

耐磨輥壓輥套產(chǎn)品規(guī)格：外圓直徑?1800mm，一字花紋深度5 mm，中心孔為?1295 mm，高度為1220mm；工作層硬度HRC57~63，工作層厚度≥50mm。熱處理工程如下：

（1）高溫?zé)o氧化預(yù)熱：將耐磨輥壓輥套放入還原氣氛爐中，以一定的升溫速度升至750~800℃，保溫10~15小時。

（2）轉(zhuǎn)爐：輥套進行高溫預(yù)熱后采用專用吊具將輥套安裝固定于雙工頻淬火機床。

（3）差溫快速加熱：采用電磁加熱方法加熱使輥套外層以300℃/h的加熱速度加熱至1050~1100℃，保溫1小時（工作層50mm厚，1h能夠使輥套工作層達到全奧氏體化）。只對外表面進行快速加熱，輥套進行旋轉(zhuǎn)使四周表面均勻加熱，使外層奧氏體化，而此時內(nèi)層低合金鋼溫度在900℃以下。

圖1 熱處理工藝曲線

（4）回火：冷卻結(jié)束后及時進行裝爐回火，進行520~560℃三次回火。

2.2 熱處理結(jié)果檢測

2.2.1 金相組織及性能檢測

對輥套的外層、內(nèi)層進行了金相檢測和硬度檢測。結(jié)果如下：

外層組織為：碳化物+馬氏體+少量殘奧（小于6%）；

過渡層組織為：碳化物+珠光體→珠光體→珠光體+鐵素體；

內(nèi)層基體為：珠光體+鐵素體（晶粒度7級）。

2.2.2 硬度與機械性能檢測

硬度檢測：外層HRC58~64,內(nèi)層HB180~200。

圖3 過渡層金相組織

圖4 內(nèi)層金相組織（100×）

機械性能檢測：外層抗拉強度750MPa、沖擊功3J；內(nèi)層抗拉強度715MPa，屈服強度440MPa，沖擊功16.5J，斷面收縮率9%。

2.2.3 檢驗結(jié)果評價

檢驗結(jié)果達到預(yù)期目的，上機使用后表現(xiàn)很好，壽命遠遠超過國內(nèi)其他制作方法產(chǎn)品，是堆焊產(chǎn)品壽命的3倍，是高Cr產(chǎn)品壽命的2倍，具有很高的性價比。

3 結(jié)論

復(fù)合鑄造輥壓輥套采用“差溫?zé)o氧化”加熱的“高淬+多次高回”熱處理工藝具有以下優(yōu)點：（1）保證了產(chǎn)品外層鑄造花紋形貌，提高咬入性；（2）鈍化共晶碳化物，減小其割裂作用；（3）在提高外層耐磨性的同時，增強外層基體的抗沖擊性能；（4）提高了芯部韌性。