提高20CrMnTi 560立式環(huán)模表面耐磨性的滲碳工藝研究

景奉國(guó) 趙玉剛 孫寧波 張 波 賈昌年 鄧曰明

（1.山東金格瑞機(jī)械有限公司，章丘 250200；2.山東理工大學(xué)，淄博 255000）

560立式環(huán)模是立式環(huán)模制粒機(jī)的關(guān)鍵部件，使用時(shí)要求其具有高耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。它的材料主要有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼熱處理硬度低、耐磨性和耐腐蝕性差，因此制造環(huán)模的材料極少選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼。不銹鋼材料熱處理后，剛度高，韌性好，耐磨性和耐腐蝕性高，但用作環(huán)模材料成本高。如20CrMnTi等合金結(jié)構(gòu)鋼，熱處理硬度高于HRC50，制造的零部件具有強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)，故環(huán)模材質(zhì)多選擇合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi。20CrMnTi是一種含碳量為0.17%～0.24%的低碳合金鋼，化學(xué)成分如表1所示。20CrMnTi具有加工性能良好、加工后變形小以及抗疲勞性能強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車輛、飛機(jī)的各種特殊零部件的制造[1-4]。

表1 化學(xué)成分

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已經(jīng)對(duì)低碳合金鋼20CrMnTi的滲碳工藝進(jìn)行了研究。石巨巖[5]等研究了20CrMnTi的超飽和滲碳工藝。結(jié)果表明，該工藝提高了20CrMnTi的耐磨損性能。郁靜[6]分析和排查了實(shí)際生產(chǎn)過程中20CrMnTi滲碳鋼磨削后產(chǎn)生的缺陷原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。李振鵬[7]等使用真空脈沖滲碳技術(shù)對(duì)低碳合金鋼20CrMnTi進(jìn)行處理，而后對(duì)強(qiáng)化后工件的表面耐磨性進(jìn)行了研究。上述研究均證明滲碳處理材質(zhì)為20CrMnTi的零部件可提高零件表面耐磨性和使用壽命。因此，為保證材質(zhì)為20CrMnTi的560立式環(huán)模的耐磨性，對(duì)其進(jìn)行滲碳處理，對(duì)提高模具使用性能、延長(zhǎng)制粒機(jī)使用壽命具有重要意義。

1 立式環(huán)模制粒機(jī)工作原理

對(duì)于山東金格瑞機(jī)械有限公司生產(chǎn)的立式環(huán)模制粒機(jī)，560立式環(huán)模是其關(guān)鍵部件。該設(shè)備壓制區(qū)分兩層，具有結(jié)構(gòu)合理獨(dú)特、制粒穩(wěn)定高效以及設(shè)備使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。該立式環(huán)模顆粒機(jī)適合壓制物料無油性和烘干的物料，并廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)顆粒加工廠、牧草顆粒加工廠、秸稈顆粒加工廠、生物質(zhì)燃料廠以及木材加工廠等。

立式環(huán)模制粒機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。以SZLH立式環(huán)模制粒機(jī)為例，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。制粒機(jī)工作時(shí)，物料經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入，落在架板上，而后架板旋轉(zhuǎn)，使物料均布在壓輥與模具的接觸立面。在壓輥的碾壓下，粉狀物料穿過均布在模具內(nèi)表面的通孔。該過程物料在模具中受到高壓、高溫的作用，促使粉狀物料在壓輥和在環(huán)模的擠壓下在環(huán)模腔內(nèi)形成不斷加長(zhǎng)的圓柱狀顆粒胚，物料被擠壓出模具腔的部分被模具四周的切刀切斷形成一定規(guī)格的顆粒。撥料齒將散落在模具四周的顆粒集中到出料口，而后顆粒在重力的作用下自由落入收集皿，完成顆粒的壓制。

表2 SZLH560立式環(huán)模制粒機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 滲碳工藝

滲碳作為一種表面強(qiáng)化方法，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及軸承齒輪行業(yè)[8-9]，目的是在低碳鋼或低碳合金鋼零件表面得到高的含碳量，后經(jīng)一系列工藝得到具有高硬度和高耐磨性的滲碳層，而零件心部具有高的韌性。滲碳工藝有氣體滲碳、液體滲碳和固體滲碳[10]。當(dāng)前氣體滲碳因其優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，本文560立式環(huán)模所用材質(zhì)20CrMnTi也是氣體滲碳。

2.1 氣體滲碳

氣體滲碳是當(dāng)前主要的滲碳方法，是從外界氣氛中獲得碳原子，并通過熱擴(kuò)散原理使碳滲入工件內(nèi)部的一種滲碳方法，具有碳勢(shì)可控、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。常見的滲碳設(shè)備包括井式氣體滲碳爐、密封箱式爐以及連續(xù)爐等，選取CO、CH4等作為氣體碳源。滲碳過程由排氣、強(qiáng)滲、擴(kuò)散和降溫等階段組成。排氣階段的目的在于排出爐內(nèi)具有氧化性的空氣并且達(dá)到需要的滲碳溫度和升高碳勢(shì)。排氣結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為爐內(nèi)CO2含量小于0.5%或是CO和H2O量相對(duì)平衡。不同的排氣方法中，甲醇與煤油效果最好。強(qiáng)滲階段須保持高碳勢(shì)，以加快擴(kuò)散。強(qiáng)滲時(shí)間由所需滲碳層深度決定。若煤油滴量太少或滲碳時(shí)間太短，滲碳速度會(huì)減慢，不形成碳化物；反之，則會(huì)使工件在表面形成大量碳化物聚集導(dǎo)致含碳量過高，影響滲碳效果。擴(kuò)散階段要求爐內(nèi)的碳勢(shì)較低，通常采用降低滲劑滴量的方法，使得碳濃度較高的表層會(huì)向內(nèi)部擴(kuò)散碳原子。一般來說，擴(kuò)散時(shí)間與強(qiáng)滲時(shí)間保持一致便可得到合適的表面碳濃度和滲層深度。降溫時(shí)，滲劑滴量須與擴(kuò)散階段保持一致，隨后降溫到淬火溫度或是降至室溫再重新加熱淬火。

2.2 液體滲碳

液體滲碳工藝是指待處理工件在液態(tài)滲碳介質(zhì)中均勻加熱、快速滲碳的方法，適用于處理極其精密零件或要求耐磨極高的零件。滲碳液體一般由加熱介質(zhì)、滲碳介質(zhì)和催化劑組成。加熱介質(zhì)通常使用氯化鈉和氯化鋇或氯化鋇和氯化鉀的混合鹽。滲碳介質(zhì)通常有氯化鈉、木炭、無毒滲碳鹽等，并以常用的碳酸鋇、碳酸鈉等碳酸鹽作為催化劑。液體滲碳工藝操作方便，處理溫度低，滲碳件質(zhì)量穩(wěn)定，變形較少，所以適合精密零件的滲碳。但是，由于其成本高，鹽浴大多有毒性，加上難以掌握其成分變化，要實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)比較困難。

2.3 固體滲碳

固體滲碳工藝是將待處理工件放在填滿粒狀滲碳劑的密封箱內(nèi)，隨后將其置于熱處理爐內(nèi)加熱保溫，并在滲碳鋼表面發(fā)生界面反應(yīng)而進(jìn)行滲碳的過程。滲碳溫度一般在900～950 ℃。固體滲碳劑常由木炭和碳酸鋇均勻混合而成。木炭作為供碳劑負(fù)責(zé)提供活性炭原子，約占滲碳劑的90%。碳酸鋇作為催化（滲）劑，負(fù)責(zé)與供碳劑反應(yīng)，從而促進(jìn)產(chǎn)生活性炭原子，縮短滲碳時(shí)間。為改善滲碳的不均勻性，減少滲碳箱內(nèi)的溫度差，固體滲碳通常會(huì)先加熱到800～850 ℃并保溫一段時(shí)間。

3 20CrMnTi 560立式環(huán)模

3.1 20CrMnTi立式環(huán)模滲碳工藝

560立式環(huán)模結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。該立式環(huán)模外圓Φ690+0.1-0.1，內(nèi)圓Φ5480+0.12。環(huán)模分為兩層，每層具有5排呈等腰三角形排列的每周120個(gè)孔。更換模具時(shí)，拆卸壓塊，將模具吊起，更換新的模具或者反轉(zhuǎn)模具使用二層。為使環(huán)模具有較好的強(qiáng)度和耐磨性，560立式環(huán)模材料選取20CrMnTi，設(shè)計(jì)使用壽命1 000～1 200 h。

環(huán)模毛坯硬度控制在170～220 HB，需對(duì)每個(gè)毛坯內(nèi)部進(jìn)行探傷，以避免成品毛坯中存在裂紋、氣孔以及夾砂等缺陷。

使用整體滲碳工藝處理560立式環(huán)模，一般滲碳厚度在1.5 mm左右，滲碳工藝如圖4所示。工件在爐升溫至工作溫度時(shí)裝爐，而后打開風(fēng)扇及閥門，首先使用甲醇，滴入爐內(nèi)速度為180滴/分鐘，而后使用煤油以160滴/分鐘的速度滴入爐內(nèi)進(jìn)行排氣。打開試樣孔和排氣管的同時(shí)點(diǎn)燃排氣火焰，排氣時(shí)間為0.5 h左右。強(qiáng)滲階段爐內(nèi)溫度為920 ℃，為保持高碳勢(shì)，煤油滴入速度為140滴/分鐘，因所需滲碳層深度約為1.5 mm，故控制強(qiáng)滲時(shí)間為1.5 h。擴(kuò)散階段保持爐內(nèi)溫度，要求爐內(nèi)的碳勢(shì)較低，煤油滴入速度降為100滴/分鐘，控制擴(kuò)散階段時(shí)間為1.5 h。預(yù)冷階段停止滴入煤油，并取試棒進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后進(jìn)入降溫階段，降溫到850 ℃保溫0.5 h后出爐油冷。處理后硬度為56～60 HRC。

3.2 560立式環(huán)模壽命分析

560立式環(huán)模設(shè)計(jì)使用壽命為1 000～1 200 h，每層壽命500～600 h。圖5和圖6分別為環(huán)模工作500 h和200 h后環(huán)模磨損情況。環(huán)模工作500 h后，環(huán)模孔間材料因受到壓輥碾壓粉狀物料的高壓、高溫作用，磨損嚴(yán)重，但仍具有工作能力；環(huán)模工作200 h后，環(huán)?？组g材料有輕微磨損。對(duì)于環(huán)模的磨損原因，除加工過程中壓輥碾壓物料帶來的高溫高壓作用外，原料的純凈度也占一部分原因。比較純凈的物料，沙土雜質(zhì)量在3%以內(nèi)，但在實(shí)際秸稈收儲(chǔ)運(yùn)過程中多處與土地接觸，造成雜質(zhì)含量在15%～20%。在造粒過程中，摩擦力較大，磨損較快。因此，除了對(duì)環(huán)模進(jìn)行滲碳處理外，對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，去除沙土等雜質(zhì)也是延長(zhǎng)環(huán)模使用壽命的方法。

4 結(jié)語

綜上所述，使用整體滲碳工藝對(duì)材質(zhì)為20CrMnTi的560立式環(huán)模進(jìn)行滲碳處理，提高表面硬度，使模具達(dá)到了設(shè)計(jì)使用壽命。因此，滲碳工藝是提高環(huán)模耐磨性的主要方法。除此之外，在使用過程中對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)先處理去除沙土等雜質(zhì)、調(diào)節(jié)物料含水率、定期停機(jī)清理異物也是延長(zhǎng)其使用壽命的方法。