B3和60Mn耐磨合金鍛球的組織結構及性能分析

王浩祥，徐金鑫，徐 斌

（銅陵有色金神耐磨材料有限責任公司，安徽 銅陵 244000）

球磨機是廣泛使用于礦山行業(yè)的典型破碎物料設備，磨球是球磨機中最重要的研磨介質，也是破碎、磨粉行業(yè)中使用的各種易磨損件中消耗量最大的零件，在礦山、水泥、電廠、冶金及化工等行業(yè)廣泛應用[1]。1883年德國FAG制造出世界上第一臺磨球即，它的誕生開創(chuàng)了耐磨球制造的先河。20世紀80年代以來，國外耐磨球生產(chǎn)企業(yè)逐步形成了主要品牌一枝獨秀、壟斷水平較高的局面，主要廠商包括比利時馬克托、印度VEGA和日本東洋鐵球等。常用的磨球根據(jù)制造方法不同可以分為鑄造磨球和鍛造磨球兩大類。

九十年代以來，鉻系耐磨鑄球在市場上逐漸占據(jù)主導，形成低鉻、中鉻、高鉻球系列合金產(chǎn)品，規(guī)格齊全。在耐磨技術的研究上，我國也取得了較為明顯的突破和進展，比如合金成分的優(yōu)化、熱處理工藝技術的改進、材料變質孕育的研究以及鑄造用砂的再生技術等，這都表明我搞耐磨球行業(yè)技術水平的提升和進步[2-5]。張德生、張得亮[6]通過對已有工藝的分析，改進了鑄造耐磨球所用的消失模的型料，采用鉻鐵礦砂代替了原有的石英砂，既細化了組織，又改善了碳化物的分布，極大提高了磨球的性能。孫挺[7]通過研究了鑄造和熱處理工藝對球墨鑄鐵組織和性能的影響，通過沖擊實驗和磨損實驗等一系列性能測試，檢驗了石墨分布對磨球力學性能的影響，確定了下貝氏體球墨鑄鐵磨球的最佳處理工藝。Stalinskii D.V.和Rudyuk A.S.等[8]研究了低合金70KhG鉻錳鋼，對于直徑為20mm～60mm的耐磨球做了適當?shù)臒崽幚硌芯?，獲得了性能良好的耐磨球。

高鉻鑄球因其高含鉻量，成本較高，脆性大，使用過程中具有較高的破碎率，尤其在要求一定沖擊韌性的礦物研磨中應用受限。另外鑄造過程中的高能耗也是該產(chǎn)品進一步發(fā)展的一大掣肘。

近年來，隨著特大型球磨機在礦山機械中的應用，大直徑磨球出現(xiàn)在人們視野之中，鍛球具有良好的力學性能和缺陷消除能力，是將大直徑磨球硬度和韌性有機結合的良好方法[9]。孫浩、蔣業(yè)華等[10]人在原有鍛球的基礎上對成分進行了調整，設計出了新的大直徑鍛球成分，并實現(xiàn)了在硬度差、韌性和耐磨性能上的提高。孫志鵬、艾云龍等[11]對成分為40Mn2的鍛球進行了失效分析，在進行了組織分析和化學成分分析之后，他們發(fā)現(xiàn)鍛球的失效主要是其中產(chǎn)生魏氏組織造成的，并對其熱處理工藝進行了調整。胡建文、陰文行等[12]對大規(guī)格的60Mn鍛球進行了熱處理工藝的研究，在進行了不同工藝的熱處理后，對比后確定了最為合理的熱處理工藝。

耐磨鍛球，工藝相對簡單，根據(jù)材料材質的不同可獲得具有不同心部及表面硬度的耐磨球，并且具有較高的沖擊韌性，球體破碎率相比鑄球大大降低。較低的成本及低的破碎率使得鍛球具有較高的性價比，從而在近些年發(fā)展迅速，在很多領域已逐漸開始取代高鉻鑄球成為耐磨球的主導。

本論文針對目前市場上常見B3和60Mn兩種合金鍛球不同狀態(tài)下的組織結構及力學性能進行對比分析，根據(jù)各自的成分及結構特點，對鍛球的生產(chǎn)工藝改進提出建議方案。

1 實驗

表1 實驗原材料及耗材

本實驗所使用的樣品是直徑為125mm的鍛球和直徑為80 mm的棒狀原材料，如表1所示。鍛球的鍛造溫度為1080℃，鍛后空冷至常溫。最終熱處理采用淬火+低溫回火工藝，淬火溫度800℃保溫20 min，水冷；低溫回火溫度為220℃，保溫時間為4h。

選擇鍛球的任意一條直徑，在與之平行的方向上線切割尺寸為10mm×10mm的條狀試樣，以保證獲得從心部到表面的性能。

從條狀試樣上中心，1/2R處和表面處截取尺寸為10mm×10mm×10mm的金相樣品，獲得平整的表面，用金相砂紙將試樣進行精磨，拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕。腐蝕完成后，用去離子水沖洗掉表面殘留的腐蝕試劑，然后用無水乙醇沖掉表面的水分，吹干后留作金相組織觀察。硬度測試在磨平的金相試樣上進行，采用HR-150A型洛式硬度計分別對鍛球中心，1/2R處和表面處的硬度進行測試。

每種試樣截取中間部分，制成規(guī)格為10mm×10mm×55mm的標準沖擊試樣，根據(jù)材料的特性采取不開缺口的沖擊方式，在NT300C型全自動擺鐘沖擊試驗臺上進行沖擊韌性測試。并對采用Hitachi SU型掃描電子顯微鏡進行斷口形貌分析。

2 結果與分析

2.1 成分及組織結構

表2 B3和60Mn鍛球成分分析

表2所示為直讀光譜儀測試的B3和60Mn兩種材料的成分，兩種材質的鍛球實測成分基本復合該鋼種的設計成分要求。從兩種材料的成分對比上看，B3材料在60Mn的基礎上含碳量增加至0.77%，同時增加了Si和Cr的含量。

圖1所示為B3鋼原材料（i，ii）、鍛球鍛后空冷（iii）及最終熱處理狀態(tài)（iv，v，vi）下的金相組織。經(jīng)過熱軋后空冷的B3鋼棒，從截面上觀察無宏觀上的帶狀偏析，顯微鏡下100×和500×倍數(shù)下觀察均無明顯帶狀偏析存在，熱軋空冷的組織主要為珠光體組織，晶粒比較細小。鍛后空冷的B3鋼球仍為珠光體組織，但珠光體的晶粒尺寸存在不均勻現(xiàn)象，這種晶粒尺寸的不均勻與鍛球成型過程中的非均勻變形有關。經(jīng)淬火+低溫回火工藝后，鍛球從心部到表面組織均為回火馬氏體，表明淬火過程中鍛球完全淬透。相比較而言，表面的回火馬氏體比心部的回火馬氏體晶粒更加細小。

圖1 B3樣品不同狀態(tài)下的金相組織，（i，ii）棒材，

圖2 60 Mn樣品不同狀態(tài)下的金相組織，（i，ii）棒材，

表3 B3鍛球不同狀態(tài)下的硬度

表4 60Mn鍛球不同狀態(tài)下的硬度

表5 B3和60 Mn鍛球分別在鍛后空冷和成品狀態(tài)下的沖擊韌性

圖2所示為60Mn鋼原材料（i，ii）、鍛球鍛后空冷（iii）及最終熱處理狀態(tài)（iv，v，vi）下的金相組織。熱軋空冷的60Mn鋼棒為鐵素體加珠光體組織，空冷過程中先析的鐵素體沿奧氏體晶界析出生長，從鐵素體的分布情況看60Mn的晶粒比較均勻、細小，未發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸不均勻的帶狀組織。圖2（iii）所示的鍛后空冷組織仍然為鐵素體+珠光體組織，但鐵素體的含量明顯減少，珠光體團的尺寸明顯增大。珠光體團尺寸的增大源于高溫奧氏體晶粒的長大，鐵素體含量的減少源于奧氏體狀態(tài)下大量塑性變形增加了奧氏體的穩(wěn)定性，抑制了隨后降溫過程中的鐵素體析出，從而導致偽共析珠光體含量的增加。經(jīng)淬火+低溫回火的鍛球從心部到表面的金相照片示于圖2（iv，v，vi）中，表面組織為細小的回火馬氏體組織，而心部和1/2R處為細片狀的珠光體與少量板條狀回火馬氏體的混合組織，表明該處淬火的時候未能淬透。

2.2 力學性能分析

對不同狀態(tài)下的鍛球進行了洛氏硬度的測試，B3鍛球鍛后空冷和成品狀態(tài)下不同位置的硬度值如表3所示，每個樣品測三個硬度，取其平均值。鍛后空冷樣品的心部和表面硬度差別不大，心部平均硬度為HRC35，表面平均硬度為HRC37。經(jīng)過淬火+低溫回火后，心部和表面顯示出整體的高硬度，實測心部硬度平均為HRC60，表面硬度為HRC61。整體高硬度源自B3鋼良好的淬透性，在現(xiàn)有的淬火工藝下，能夠獲得全部的馬氏體組織，使得成品鍛球具有較低的心表硬度差。

表4所示為60Mn鋼不同狀態(tài)下的硬度值。鍛后空冷樣品的整體硬度均勻，為HRC24左右。成品鍛球的心部和表面存在明顯的硬度差，斷球表面硬度為HRC56，而心部硬度僅為HRC38。在現(xiàn)有淬火條件下60Mn未能淬透，心部保留了細片狀的珠光體組織，從而導致硬度偏低。

表5所示為B3和60Mn鍛球分別在鍛后空冷和成品狀態(tài)下的沖擊韌性。沖擊韌性樣品選擇均取自鍛球心部，因此沖擊韌性只反應樣品心部的狀態(tài)。鍛后空冷樣品的平均沖擊值為26.0J?cm-2，而60Mn的沖擊韌性較高為44.5J?cm-2。60Mn的高沖擊韌性來源于其鐵素體加珠光體的組織特性。兩種樣品的沖擊韌性隨著最終熱處理的進行都有明顯的降低。組織為回火馬氏體的B3鋼的沖擊韌性僅為15.1J?cm-2，而心部為細片狀珠光體組織的60 Mn的沖擊韌性為36.8J?cm-2。

圖3 B3和60 Mn鍛球分別在鍛后空冷和成品狀態(tài)下的斷口掃描照片

圖3所示為B3和60 Mn鍛球分別在鍛后空冷和成品狀態(tài)下的斷口掃描照片。鍛后空冷的B3球沖擊端口顯示混合斷口形態(tài)，局部區(qū)域存在穿晶現(xiàn)象，大部分區(qū)域表現(xiàn)為沿晶斷裂，無明顯韌窩。成品態(tài)的B3鋼球斷口平整，基本為脆性斷裂。兩種狀態(tài)的60Mn鍛球的斷口都比較粗糙，為沿晶斷裂，存在明顯的韌窩，與其較高的沖擊韌性相對應。

通過對不同狀態(tài)的B3和60Mn合金鍛球的顯微組織、力學性能及斷口形貌分析，可以發(fā)現(xiàn)B3鋼球含碳量較高，其表面硬度高于60Mn鋼球；由于B3鋼球在Mn含量保持不變的基礎上增加了Cr和Si的含量，明顯提高了鋼球的淬透性，使得B3的淬透性明顯高于60Mn，在現(xiàn)有淬火條件下能夠完全淬透，獲得心表均勻的整體高硬度。整體高硬度的同時也使得B3鋼的沖擊韌性相比較60Mn有明顯的降低，尤其是成品鍛球的心部沖擊韌性偏低，對于高沖擊場合的應用有所限制。通過熱處理工藝的優(yōu)化，在保持B3鋼球整體高硬度的基礎上進一步提高其沖擊韌性是目前工程技術人員及科研人員關注的熱點。

3 結論

本文從成分、顯微組織、力學性能及沖擊斷口形貌幾個方面對比分析了市場上兩種常見的B3和60Mn合金鍛球，主要結論如下：

（1）成品態(tài)的B3鋼球為完全均一的回火馬氏體組織，而60Mn鋼球表面為回火馬氏體組織，心部為少量回火馬氏體與細片狀珠光體的混合組織；

（2）成品態(tài)的B3鋼球具有整體的高硬度，表面硬度為HRC61，心表硬度差僅為HRC 1；60Mn鋼球未淬透，表面硬度為HRC 56，心部硬度僅為HRC38。

（3）60Mn鋼球具有更高的沖擊韌性，B3鋼球沖擊人韌性整體較低，尤其成品態(tài)B3鋼球沖擊韌性僅為15.0J?cm-2，斷口平整顯示為脆性斷裂。