淬火方式對(duì)壓球機(jī)輥皮硬度的影響

孫國進(jìn)，崔效炎，康 恩，郜可坤，郜志文，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； 3.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450008)

煤粉、合金粉、鐵精粉、鋁灰粉、礦粉等是冶金行業(yè)常用的原料輔料，如果采用粉末狀態(tài)直接使用，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的粉塵污染隱患[1-3]。目前主要采用壓球機(jī)將相應(yīng)的粉料壓成球形或者橢球形，可以減少粉塵污染和便于運(yùn)輸，也可以提高粉體的使用率。輥皮與粉料直接接觸，是壓球機(jī)的關(guān)鍵零件，因此材料的選擇和熱處理工藝的優(yōu)化尤為重要。金屬粉和冶煉廢渣粉，要求輥皮具有較高硬度和耐磨性能，多采用合金鋼輥皮，如9Cr2Mo合金鋼等[4-5]。煤粉、粘土等細(xì)膩粉末，對(duì)輥皮材料要求相對(duì)較低，可選用65Mn鋼[6]。壓球機(jī)輥皮在與硬質(zhì)粉體接觸成型的過程中，除正常磨損外，表面經(jīng)常發(fā)生材料崩落(又稱刷邊失效)，特別是輥皮兩端尤為明顯。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因刷邊失效而不能使用的輥皮是造成壓球機(jī)停機(jī)、檢修的主要因素。個(gè)別國產(chǎn)輥皮在安裝后，成型粉體僅在10余噸就產(chǎn)生了刷邊失效，遠(yuǎn)小于進(jìn)口輥皮8000～10000 t的加工能力[7]。如何進(jìn)一步提高國產(chǎn)輥皮的使用壽命來替代進(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)。

熱處理技術(shù)是提高輥皮使用性能的關(guān)鍵技術(shù)，常規(guī)單液淬火工藝處理的輥皮，可以得到表面均勻的硬度分布[8]；但是輥皮在成型粉體的過程中，表面中間位置和邊部位置的受力不均勻，邊角位置擠壓粉末的過程中處于不對(duì)稱的受力狀態(tài)，更容易產(chǎn)生刷邊失效[9-11]。此外，單液淬火處理的輥皮還會(huì)產(chǎn)生較大的熱處理變形。由于壓球機(jī)的輥皮是成對(duì)使用的，熱處理后的形變量必然會(huì)影響裝配精度，最終降低壓球機(jī)的使用壽命。雙液淬火作為處理大型零件的熱處理方法[12-15]，可以有效降低熱處理淬火過程中的組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力、改善冷卻條件，已經(jīng)在傳動(dòng)軸、齒輪上應(yīng)用，并取得了良好地效果。為提高壓球機(jī)使用壽命，本文以9Cr2Mo鋼輥皮為研究對(duì)象，采用雙液淬火工藝對(duì)輥皮進(jìn)行熱處理，討論雙液淬火工藝參數(shù)對(duì)輥皮組織和表面硬度的影響，最后統(tǒng)計(jì)了雙液淬火后輥皮的熱處理形變量，為提高9Cr2Mo鋼國產(chǎn)輥皮使用壽命提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文研究對(duì)象為外徑φ750 mm的9Cr2Mo輥皮，壓球機(jī)和9Cr2Mo鋼輥皮如圖1所示。9Cr2Mo鋼輥皮主要化學(xué)成分含量如表1所示。此鋼屬于Cr合金化高碳合金鋼，熱處理后Cr元素與C元素形成合金碳化物，從而大幅度提高輥皮表面硬度和耐磨性能。

圖1 (a)壓球機(jī)和(b)9Cr2Mo輥皮Fig.1 (a)twinroller machine and (b)9Cr2Mo roller sheet

表1 9Cr2Mo鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) Table 1 Chemical composition of 9Cr2Mo steel(mass fraction,%)

采用RQ-110-9型井式爐進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)，奧氏化加熱工藝為870 ℃保溫3 h。奧氏體化后，分別采用淬火油單液淬火和水油雙液淬火兩種淬火冷卻工藝，單淬火入液方式為軸線垂直于液面，雙液淬火入液方式為軸線平行于液面。淬火后輥皮回火工藝為200 ℃保溫3 h。9Cr2Mo輥皮熱處理工藝過程如圖2所示。為確定最佳雙液淬火冷卻工藝，爐外預(yù)冷時(shí)間分別取1、3、5和8 min，雙液淬火預(yù)冷時(shí)間取1、2、3和5 min；單液淬火無預(yù)冷時(shí)間，出爐后直接完成淬火冷卻?；鼗鸷蟮妮伷?，使用便攜式硬度計(jì)檢測(cè)表面硬度，采用雙目倒置金相顯微鏡觀察表面金相組織。

圖2 熱處理工藝流程圖Fig.2 Schematic of heat treatment processes

2 結(jié)果與討論

2.1 單液淬火對(duì)輥皮表面硬度的影響

輥皮奧氏體化后采用常規(guī)單液淬火工藝處理后，表面硬度分布如圖3所示。從圖3可以看出，單液淬火、回火處理后，輥皮表面硬度為62～63 HRC，且表面硬度分布均勻。企業(yè)使用效果反饋可知，采用常規(guī)單液淬火、回火處理后，輥皮失效率較高，尤其是刷邊失效達(dá)到80%以上。究其原因，作者分析認(rèn)為單液淬火過程中，輥皮出爐后直接轉(zhuǎn)移到淬火槽中完成淬火，輥皮表面形成了均勻的淬火組織，在回火之后最終形成了均勻的表面硬度分布。

從圖3可知，輥皮表面硬度波動(dòng)在±0.5 HRC。但是單液淬火工藝下所得到表面硬度均勻的輥皮，使用壽命并不高。這是由于輥皮在工作過程中，表面中間位置和邊部位置的受力狀態(tài)不均勻，輥皮表面應(yīng)力狀態(tài)不同，則輥皮表面力學(xué)性能也隨之改變。輥皮中間位置的應(yīng)力狀態(tài)近似于三向受壓狀態(tài)，而邊部位置的應(yīng)力狀態(tài)近似于兩向受壓、一向受拉。由于輥皮表面靠近兩端位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力狀態(tài)，為保證輥皮整體使用壽命，就需適當(dāng)降低端部位置的硬度，從而提高韌性以改善輥皮整體壽命。

圖3 單液淬火表面硬度分布Fig.3 Hardness distribution after single liquid quenching

2.2 雙液淬火參數(shù)對(duì)輥皮表面硬度的影響

圖4為奧氏體化后采用雙液淬火工藝，輥皮爐外預(yù)冷1、3、5和8 min后表面硬度的變化。從圖4可以看出，隨著雙液淬火爐外預(yù)冷時(shí)間的變化，在輥皮表面形成了不同的硬度分布。當(dāng)爐外預(yù)冷時(shí)間小于3 min時(shí)，輥皮表面形成了與單液淬火類似的硬度分布結(jié)果，即中間硬度與兩端硬度相對(duì)一致；當(dāng)爐外預(yù)冷時(shí)間增加到5 min時(shí)，輥皮表面形成了中間硬度高于兩端硬度的梯度分布，且隨著爐外預(yù)冷時(shí)間的增加，輥皮整體硬度呈下降趨勢(shì)；當(dāng)預(yù)冷時(shí)間增加至8 min時(shí)，輥皮表面硬度降低至55 HRC。

圖4 不同爐外預(yù)冷時(shí)間下輥皮表面硬度分布Fig.4 Surface hardness distribution under different precooling time

形成上述硬度分布的主要原因是爐外預(yù)冷過程中，在空氣介質(zhì)的冷卻作用下，發(fā)生了貝氏體、珠光體等非馬氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)預(yù)冷時(shí)間較短時(shí)，非馬氏體轉(zhuǎn)變數(shù)量較小，因此不同位置處的表面硬度沒有明顯差別；隨著爐外預(yù)冷時(shí)間的增加，爐外預(yù)冷時(shí)間達(dá)到3 min以上時(shí)，輥皮兩端部位置由于冷卻速度高于中間位置表面的冷卻速度，非馬氏轉(zhuǎn)變的程度加大。在隨后的淬火冷卻過程中，與兩端部位置相比，中間位置將會(huì)形成更多的馬氏體，最終得到中間硬度高于兩端硬度的梯度硬度分布。綜合考慮硬度對(duì)9Cr2Mo輥皮耐磨性的影響，當(dāng)表面硬度低于50 HRC時(shí)材料表面耐磨性降低，因此選用5 min作為雙液淬火爐外預(yù)冷時(shí)間。

爐外預(yù)冷時(shí)間為5 min，不同雙液淬火預(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，雙液淬火工藝下，輥皮表面形成了預(yù)期的梯度硬度分布。隨著雙液淬火預(yù)冷時(shí)間的增加，梯度分布趨勢(shì)減弱。當(dāng)雙液淬火預(yù)冷時(shí)間小于3 min時(shí)，輥皮表面可以得到明顯的中間硬度高邊部硬度低的梯度硬度分布；隨著雙液淬火預(yù)冷時(shí)間的繼續(xù)增加，當(dāng)預(yù)冷時(shí)間超過3 min時(shí)，輥皮表面硬度分布逐漸趨于均勻；雙液淬火預(yù)冷時(shí)間為5 min，輥皮表面梯度硬度分布消失。

圖5 不同雙液淬火預(yù)冷時(shí)間下輥皮表面硬度分布Fig.5 Surface hardness distribution under different precooling time of dual liquid quenching

由于在預(yù)冷過程中，輥皮在自身余熱的作用下會(huì)產(chǎn)生自回火。隨著雙液淬火預(yù)冷時(shí)間的增加，輥皮在自身余熱作用下自回火程度也在增加，輥皮表面硬度在保持梯度分布的狀態(tài)并呈下降趨勢(shì)。當(dāng)雙液淬火預(yù)冷時(shí)間增加到5 min時(shí)，自回火程度也進(jìn)一步地增加，最終形成了均勻分布的表面硬度。在相同的輥皮表面硬度前提下，為了形成梯度的硬度分布，建議雙液淬火預(yù)冷時(shí)間控制在1～3 min范圍內(nèi)。

2.3 雙液淬火輥皮使用效果分析

分別采用常規(guī)單液淬火工藝和雙液淬火工藝分批次處理部分輥皮，其中單液淬火方式為軸線垂直于液面淬火；雙液淬火方式為軸線平行于液面淬火，爐外預(yù)冷時(shí)間5 min，雙液淬火預(yù)冷時(shí)間2 min。以壓球機(jī)成型粉體重量為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比了單液淬火和雙液淬火對(duì)輥皮使用壽命的影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，采用常規(guī)單液淬火工藝處理的輥皮，可成型2000～4000 t粉體，少部分輥皮可成型粉體重量更是在1000 t以下。雙液淬火工藝處理的輥皮成型粉體重量一般在9000 t以上，達(dá)到進(jìn)口輥皮的80%，可以用于替代進(jìn)口輥皮。

圖6 輥皮使用壽命統(tǒng)計(jì)Fig.6 Service life statistics of 9Cr2Mo roller sheet

采用雙液淬火工藝處理后的輥皮，使用壽命得到了明顯的改善和提高。這是因?yàn)殡p液淬火處理在輥皮表面形成了中間硬度高、兩邊硬度低的梯度硬度分布，通過適當(dāng)降低端部硬度達(dá)到提高韌性的效果，降低了輥皮表面邊緣位置刷邊失效的數(shù)量。其次，雙液淬火過程中采用了爐外預(yù)冷、雙液淬火預(yù)冷等方法，緩和了淬火過程中的組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力和熱應(yīng)力，輥皮的熱處理變形傾向明顯降低。

以輥皮內(nèi)外孔直徑差的絕對(duì)值(|φ1-φ2|)表征了熱處理變形程度，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，采用常規(guī)單液淬火處理時(shí)，輥皮平均錐度變形量高達(dá)2～3 mm；而采用雙液淬火處理后，輥皮變形量僅為0.5～0.8 mm，熱處理變形顯著降低。保證了輥皮的裝配精度和運(yùn)行精度，從而提高了壓球機(jī)的使用壽命。不同淬火方式下輥皮金相組織如圖8所示。雙液淬火后輥皮表面組織是細(xì)小的回火馬氏體基體，其中分布有少量貝氏體和殘余奧氏體，而且雙液淬火后輥皮表面晶粒得到了明顯的細(xì)化，如圖8(a)所示；常規(guī)單液淬火后的表面組織由粗大的板條馬氏體和少量殘余奧氏體組成，如圖8(b)所示。對(duì)比看出，采用雙液淬火工藝處理的輥皮，在表面形成了梯度硬度分布、微觀組織細(xì)化、熱處理變形減小，綜合使用壽命得到了顯著提高。

圖7 不同淬火方式熱處理變形對(duì)比Fig.7 Comparison of heat treatment deformation under different quenching methods

(a)雙液淬火；(b)單液淬火圖8 不同淬火方式下輥皮金相組織(a) dual liquid quenching; (b) single liquid quenchingFig.8 Microstructures of roller sheet under different quenching methods

3 結(jié)論

以壓球機(jī)用9Cr2Mo輥皮為研究對(duì)象，討論了雙液淬火工藝對(duì)輥皮組織和性能的影響，雙液淬火可以在輥皮表面形成硬度梯度分布，熱處理變形量明顯小于常規(guī)單液淬火，輥皮整體使用壽命得到明顯的提高，使用壽命達(dá)到進(jìn)口件的80%以上。具體研究結(jié)論如下：

1)隨著雙液淬火工藝爐外預(yù)冷時(shí)間的增加，輥皮整體硬度呈下降趨勢(shì)，并且在表面形成了中間部位硬度高于端部硬度的硬度梯度分布；

2)隨著雙液淬火預(yù)冷時(shí)間的增加，輥皮表面硬度總體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)預(yù)冷時(shí)間達(dá)到5 min時(shí)，輥皮表面所形成的硬度梯度分布消失；

3)確定了9Cr2Mo輥皮雙液淬火最佳淬火冷卻工藝為：5 min爐外預(yù)冷；1～3 min雙液淬火預(yù)冷。