雙液淬火對(duì)9Cr2Mo鋼輥皮組織與硬度的影響

孫國進(jìn)，郜志文，崔效炎，郜可坤，孫 力

(1.河南工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南精誠汽車零部件有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

壓球機(jī)是用于粉體壓球成型的重要設(shè)備，主要用于煤粉、合金粉、鐵精粉、鋁灰粉、礦粉等粉體的壓球成形，其主要功能是將粉碎后的煤粉、礦粉、鎂礦粉等擠壓成形為形狀統(tǒng)一的球體，達(dá)到減小污染和便于運(yùn)輸?shù)男Ч鸞1-2]。輥皮作為壓球機(jī)的關(guān)鍵零部件，直接與粉末接觸，并完成粉末的壓球成形，其質(zhì)量好壞決定了壓球機(jī)的使用壽命[3-4]。目前，國產(chǎn)輥皮常用合金材料已經(jīng)形成規(guī)范，煤粉、粘土等細(xì)膩粉末，對(duì)輥皮材料要求相對(duì)較低，可以選用65Mn合金鋼；鎂礦粉、金屬礦粉、細(xì)渣粉則采用9Cr2Mo合金鋼、GCr15SiMnG軸承鋼等[5]。然而，經(jīng)常規(guī)熱處理工藝處理后的輥皮經(jīng)常發(fā)生表面材料崩落(又稱刷邊失效)，特別是輥皮兩端尤為明顯。以9Cr2Mo鋼輥皮為例，因刷邊而不能使用的輥皮占所有失效形式的80%以上，甚至個(gè)別輥皮安裝后成形粉體僅在10 t就產(chǎn)生了刷邊失效，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)口輥皮8000～10000 t的加工能力[6-7]。刷邊失效大多發(fā)生在邊角位置，研究表明，這是因?yàn)檩伷ぴ诔尚畏垠w的過程中，其表面受力并不均勻，且邊角處應(yīng)力更不均勻，在擠壓粉末的過程中處于不對(duì)稱的受力狀態(tài)，因此在相同的材料性能下，邊角位置更容易形成刷邊崩落失效。表面硬度檢測(cè)結(jié)果顯示，邊部硬度稍高于或者等于中間硬度。另外，刷邊崩落的傾向隨著硬度的提高而增加。由此可見，輥皮邊部硬度是影響其使用壽命的關(guān)鍵控制因素[8]。

如何進(jìn)一步提高國產(chǎn)輥皮的使用壽命并替代進(jìn)口產(chǎn)品，已經(jīng)成為我國壓球機(jī)生產(chǎn)企業(yè)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文結(jié)合輥皮材料特性、工作過程的受力特點(diǎn)，對(duì)比了單液淬火冷卻和雙液淬火冷卻對(duì)9Cr2Mo鋼輥皮組織性能的影響，深入討論了雙液淬火工藝參數(shù)對(duì)9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度和微觀組織的影響，為提高其使用壽命提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文研究的9Cr2Mo鋼輥皮外徑為φ750 mm，實(shí)物如圖1所示。9Cr2Mo鋼屬于高碳高鉻合金鋼，較高的碳含量可以提高鋼的硬度和耐磨性。此外，Cr不但可以與C形成合金碳化物提高耐磨性，還能有效提高鋼的淬透性。9Cr2Mo鋼的主要元素含量如表1所示。

圖1 9Cr2Mo鋼輥皮圖片

表1 9Cr2Mo鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用RQ-110-9型井式爐進(jìn)行淬火加熱，淬火溫度870 ℃，保溫時(shí)間3 h；分別采用水單液冷卻和水油雙液冷卻后，均在200 ℃回火3 h，對(duì)比兩種冷卻方式對(duì)9Cr2Mo鋼輥皮組織和性能的影響。單液淬火工藝下，輥皮加熱后，直接出爐淬火；雙液淬火工藝如圖2所示，輥皮完成加熱需要進(jìn)行入水前爐外預(yù)冷和水冷-油冷之間預(yù)冷。水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間確定為120 s，分析入水前爐外預(yù)冷時(shí)間分別為60、180、300和480 s時(shí)對(duì)輥皮性能影響；入水前爐外預(yù)冷時(shí)間選擇為300 s，分析水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間分別取60、120、180和300 s時(shí)對(duì)輥皮性能的影響。所有輥皮試樣經(jīng)200 ℃回火3 h后，采用便攜式硬度計(jì)檢測(cè)輥皮表面靠近兩側(cè)邊部位置和中間位置的硬度，采用光學(xué)顯微鏡觀察輥皮邊部和中間位置的微觀組織。

圖2 雙液淬火工藝流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 單液淬火對(duì)硬度的影響

單液淬回火處理后，表面硬度在62～63 HRC之間，輥皮的表面硬度分布如表2所示。常規(guī)單液淬火處理后有80%的輥皮產(chǎn)生了刷邊失效，特別是在輥皮表面靠近邊部位置，如圖3所示。

表2 單液淬火處理9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度

圖3 單液淬火處理9Cr2Mo鋼輥皮刷邊失效

從表2可以看出，輥皮表面邊部硬度與中心硬度基本一致，但均勻的硬度分布并不意味著輥皮使用壽命的提高，刷邊失效的傾向反而提高了，這是因?yàn)樵诜垠w成形的過程中，輥皮的表面受力并不均勻，其中又以輥皮端面邊角處更為嚴(yán)重，且在擠壓粉末的過程中處于不對(duì)稱的受力狀態(tài)。因此輥皮表面均勻的硬度分布，更容易形成刷邊崩落失效。

2.2 入水前爐外預(yù)冷時(shí)間對(duì)硬度的影響

針對(duì)φ750 mm尺寸9Cr2Mo鋼輥皮，研究了雙液淬火工藝入水前爐外預(yù)冷時(shí)間(60、180、300、480 s)對(duì)輥皮表面硬度的影響，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯陔p液淬火工藝條件下，隨著入水前爐外預(yù)冷時(shí)間的增加，輥皮表面整體硬度呈下降趨勢(shì)，并逐漸呈現(xiàn)出中間硬度高、邊部硬度低的分布。從圖4可以看出，當(dāng)入水前爐外預(yù)冷時(shí)間為60 s時(shí)，輥皮表面硬度約為65 HRC；當(dāng)預(yù)冷時(shí)間增加至300 s時(shí)，輥皮表面硬度降至60～63 HRC范圍，且形成了邊部硬度低、中間硬度高的硬度分布；進(jìn)一步增加入水前爐外預(yù)冷時(shí)間至480 s時(shí)，輥皮表面硬度進(jìn)一步降低至50～55 HRC范圍，并保持邊部硬度低、中間硬度高的硬度分布。隨著入水前爐外預(yù)冷時(shí)間的增加，輥皮表面硬度下降的原因，可能是由于輥皮預(yù)冷過程中冷卻速度降低，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w所致。

圖4 雙液淬火入水前爐外預(yù)冷時(shí)間對(duì)9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度影響

從圖4的硬度分布結(jié)果還可以看出，當(dāng)入水前爐外預(yù)冷時(shí)間從60 s增加至300 s的過程，輥皮表層硬度呈現(xiàn)出了中間部位高于兩端的現(xiàn)象，這對(duì)于提高輥皮的使用壽命是有利的。因?yàn)檫m當(dāng)降低輥皮兩端位置的硬度可以提高端部的韌性，有效減小輥皮刷邊崩落失效，但是當(dāng)預(yù)冷時(shí)間延長至480 s時(shí)，輥皮硬度急劇下降，這對(duì)于提高材料表面耐磨性又是不利的。本文雙液淬火處理的目的是在不明顯降低輥皮表面硬度的條件下，形成中間硬度高、表面硬度低的硬度分布，結(jié)合預(yù)冷時(shí)間對(duì)輥皮表面硬度的影響結(jié)果，最終確定雙液淬火最佳入水前爐外預(yù)冷時(shí)間為300 s。

2.3 水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間對(duì)硬度的影響

在入水前爐外預(yù)冷時(shí)間為300 s條件下，分析了不同水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間對(duì)輥皮表面硬度的影響，如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間在60～180 s范圍時(shí)，輥皮表面形成了中間硬度高、邊部硬度低的硬度分布；當(dāng)預(yù)冷時(shí)間從180 s延長至300 s時(shí)，輥皮表面硬度分布逐漸趨于均勻，這是由于隨著預(yù)冷等待時(shí)間的增加，輥皮在自身余熱作用下的自回火程度增加，輥皮表面硬度也隨著自回火程度的增加而趨于一致。因此，為了得到呈梯度的硬度分布，水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間應(yīng)該控制在60～180 s范圍內(nèi)。

圖5 水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間對(duì)雙液淬火后9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度的影響

2.4 雙液淬火后的微觀組織分析

采用雙液淬火工藝處理后的9Cr2Mo鋼輥皮，表層邊部位置和中間位置的微觀組織如圖6(a，b)所示。單液淬火工藝處理下輥皮表面組織為粗大的回火馬氏體組織，如圖6(c)所示。雙液淬火工藝處理所得組織是回火馬氏體+少量貝氏體+少量殘留奧氏體，回火馬氏體具有較高的硬度可以保證輥皮的耐磨性能。雙液淬火工藝處理輥皮邊部組織與中間組織類似，但貝氏體含量有所提高。這是由于輥皮在淬火過程中入水前爐外預(yù)冷和水冷-油冷之間預(yù)冷所致，這也是造成輥皮邊部硬度低于中間硬度的原因。輥皮使用壽命的統(tǒng)計(jì)如圖7所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，傳統(tǒng)單液淬火工藝處理的輥皮能夠成形的礦粉量在2000～4000 t，部分輥皮成形量更是在1000 t以下，而雙液淬火工藝處理輥皮成形礦粉能力高達(dá)9000 t，成形能力可以達(dá)到進(jìn)口件的80%，具備了替代進(jìn)口輥皮的條件。

圖6 不同熱處理后9Cr2Mo鋼輥皮的表面顯微組織

圖7 9Cr2Mo鋼輥皮熱處理后的使用壽命

3 結(jié)論

本文以9Cr2Mo鋼輥皮為研究對(duì)象，對(duì)比分析了水冷單液淬火和水-油雙液淬火工藝對(duì)輥皮表面硬度和微觀組織的影響。結(jié)果顯示，雖然單液淬回火后輥皮表面硬度分布均勻，但并沒有提高9Cr2Mo鋼輥皮的使用壽命，而雙液淬回火后輥皮表面形成的中間硬度高、邊部硬度低的硬度分布，則使輥皮壽命明顯提高，具體結(jié)論如下：

1)單液淬回火處理后9Cr2Mo鋼輥皮表面為粗大的回火馬氏體，雙液淬回火后的組織為細(xì)小的回火馬氏體，并有少量貝氏體和殘留奧氏體，輥皮表面韌性得到改善。

2)單液淬火后9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度分布均勻，在62～63 HRC之間，通過調(diào)整水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間，可在輥皮表面形成中間位置硬度高、端部位置硬度低的硬度分布，使輥皮使用壽命顯著提高。

3)直徑φ750 mm的9Cr2Mo鋼輥皮雙液淬火最佳工藝為入水前爐外預(yù)冷時(shí)間300 s，水冷-油冷之間預(yù)冷時(shí)間控制在60～180 s內(nèi)。