立式磨机用高铬铸铁螺旋衬板热处理工艺研究

2019-01-17

大型铸锻件 2019年1期

(1.中信重工机械股份有限公司，河南471039；2.矿山重型装备国家重点实验室；河南471039)

长期以来，立式磨机因其占地面积小、效率高、电耗低等特点，在现代水泥、化工、煤炭、电力等行业中得到广泛应用。作为设备的主要易损配件，高铬铸铁螺旋衬板发挥着不可替代的重要作用，但其在使用过程中也存在脆性大、易开裂等问题，在一定程度上阻碍了推广和发展。本文对立式磨用高铬铸铁螺旋衬板的热处理工艺进行了探索和研究，合理的热处理工艺可以改善高铬铸铁中碳化物的分布和形态，实现高铬铸铁硬度和韧性的最优化配合。高铬铸铁螺旋衬板技术要求如表1所示。

表1 高铬铸铁螺旋衬板技术要求Table 1 Technical requirements of high-chromium cast iron spiral lining sheet

1 试验材料及方法

1.1 试验材料制备

本文研究的Cr15高铬铸铁化学成分如表2所示。

采用50 kg中频感应炉冶炼浇注22 mm×22mm×130 mm试样若干。炉料选用优质专用生铁，为避免熔化过程中合金大量氧化，导致铁液中夹杂物增多，根据与氧亲和力的强弱，钼铁、镍板和铜屑可随炉配入，待铁液熔清后，按0.05%插入Al线，造稀薄渣。预脱氧结束后，调整合金成分，出铁温度1560℃，出铁时将稀土压至包底，采用冲入法变质处理，试样浇注温度为1450℃。

表2 试验材料的化学成分(质量分数，%)Table 2 Chemical compositions of testing material (mass fraction, %)

1.2 试验方法

冶炼浇注完成后，对试样进行编号以便后续热处理工艺的探索与研究。图1所示为高铬铸铁试样的热处理工艺，主要采用高温淬火+时效处理(回火)的方式对亚共晶Cr15高铬铸铁进行热处理工艺试验。

图1 Cr15高铬铸铁试块热处理工艺Figure 1 Heat treatment technique of Cr15 high-chromium cast iron block

(a)宏观硬度(b)冲击韧性图2 不同温度淬火后高铬铸铁的宏观硬度和冲击韧性Figure 2 Macro-hardness and impact toughness of high-chromium cast iron after different quenching temperatures

图1中T1、T2分别为热处理试验时选择的高温淬火和时效处理温度，t1、t2则为相应的保温时间。根据Cr15高铬铸铁相图以及参考热处理工艺[1-2]，取淬火温度为920℃、960℃、1000℃、1040℃和1080℃。有资料[3]指出，高铬铸铁淬火保温时间不能低于2 h，考虑到试样的尺寸规格较小，且形状规则，保温时间t1定为2 h。淬火保温结束后，将试样出炉并置于钢制平面上用强风冷却。时效处理的温度范围则定在200～600℃之间，按照温度间隔为50℃设定，保温时间t2取4 h进行试验。

热处理试验完成后，对高温淬火和高温淬火+时效处理的试样分别进行宏观硬度和金相组织检测，同时加工出10 mm×10 mm×55 mm的无缺口标准试样，在JB-50型一次摆锤式冲击试验机上测试其冲击韧性。

2 试验结果及分析

2.1 淬火温度对力学性能的影响

在不同淬火温度下，当保温时间为2 h时，淬火温度与Cr15高铬铸铁宏观硬度以及冲击韧性之间的关系如图2所示。

从图2(a)可以看出，Cr15高铬铸铁的宏观硬度随着淬火温度的提高呈先上升后下降的趋势，在1000℃时其硬度达到了最高值，为59.2HRC。

二次碳化物沉淀析出的温度决定了在奥氏体中溶解的C以及合金元素含量，进而显著地影响Ms点的温度和淬火硬度。当奥氏体化温度较低时，析出的二次碳化物数量多、颗粒小、分布均匀，奥氏体中C及合金元素含量少，空冷后马氏体硬度较低；但是如果奥氏体化温度过高，析出的二次碳化物数量少、颗粒大、分布不均匀，奥氏体中C及合金元素含量多，奥氏体稳定性高、Ms点降低，导致淬火后残留奥氏体多、马氏体少，硬度就会降低。

从图2(b)可以看出，Cr15高铬铸铁的冲击韧性是首先随着淬火温度的提高而略微的缓慢下降，然后反向上升，并在1040℃时达到了其冲击韧性的最高值，但当淬火温度超过1040℃后，其冲击韧性开始急剧下降。

可见，随着淬火温度的提高，由于部分碳化物出现了局部的固溶，引起某些碳化物棱角因为回溶而使碳化物颗粒变得相对圆钝，而且适当的提高淬火温度有助于基体组织中的局部富集元素充分扩散，有助于组织的均匀，从而提高冲击韧性。然而，当淬火温度过高时，则容易引起碳化物固溶过多，对晶界钉扎的作用出现减弱，最终导致其基体组织粗化，大幅度恶化材料的性能。

综合以上因素，在本文设定的热处理工艺下，试块的宏观硬度在1000℃淬火时达到最高，冲击韧性则在淬火温度为1040℃时性能最好。因此，结合图2数据，综合考虑宏观硬度与冲击韧性，Cr15高铬铸铁获得较佳力学性能的淬火温度为1000℃。

2.2 时效处理温度对力学性能的影响

以1000℃淬火+时效处理的试样为例，在时效保温时间为4 h时，时效处理温度与Cr15高铬铸铁宏观硬度以及冲击韧性之间的关系如图3所示。

(a)宏观硬度

(b)冲击韧性图3 不同温度时效处理后高铬铸铁的宏观硬度和冲击韧性Figure 3 Macro-hardness and impact toughness of high-chromium cast iron after different aging treatment temperatures

从图3(a)可以看出，当时效处理温度在200～300℃之间时，Cr15高铬铸铁的宏观硬度随着加热温度的提高而略有下降；在300～500℃之间时，其宏观硬度开始逐渐上升，并在500℃时达到了硬度的最高值(62.5HRC)；但当时效处理温度超过500℃后，Cr15高铬铸铁的宏观硬度开始急剧下降，其中600℃时达到了最低，仅为47.2HRC。

从图3(b)可以看出，在300℃以下时效处理时，Cr15高铬铸铁的冲击韧性几乎没有变化；在300～500℃之间时，材料的冲击韧性有略微的下降，但当时效处理温度超过500℃后，其冲击韧性又开始反向上升。

这是因为试样在低温回火(200～300℃)时，由于组织中存在一定量的奥氏体，且碳化物的析出量不多，所以其冲击韧性和硬度基本不变；当回火温度超过300℃后，由于奥氏体的转变和二次碳化物析出量的增加使得组织中的硬脆相的成分增加，所以其硬度逐渐上升，冲击韧性有略微的下降；当回火温度超过500℃后，由于基体中马氏体的正方度降低，奥氏体分解为共析组织，使得硬质相成分减少，所以其硬度下降，冲击韧性上升。

Cr15高铬铸铁试块在经1000℃高温淬火后，其显微组织由共晶碳化物+马氏体+二次碳化物+一定数量的残余奥氏体组成。当时效温度较低(200～300℃)时，过饱和溶解于残余奥氏体中的铬、碳原子的运动速度较慢，不易聚集在一起，很难析出新的碳化物，但马氏体中过饱和的碳会以碳化物形式析出，使马氏体的晶格畸变减少，导致硬度略有降低，此时Cr15高铬铸铁的显微组织由共晶碳化物+回火马氏体+二次碳化物+一定数量残余奥氏体组成，如图4(a)和图4(b)；当时效温度较高(300～500℃)时，溶解于残余奥氏体中的铬、碳原子的运动速度加快，容易聚集在一起，因此从基体中析出大量细小的二次碳化物，由于残余奥氏体中碳化物的析出，使得奥氏体中的C含量下降，Ms点上升，残余奥氏体进一步向马氏体转变，高铬铸铁的硬度得到提高，此时Cr15高铬铸铁的显微组织由共晶碳化物+回火马氏体+二次碳化物+少量的残余奥氏体组成，如图4(c)和图4(d)；但当时效温度进一步提高(500～600℃)时，马氏体则完全分解为回火马氏体，导致硬度显著降低，此时Cr15高铬铸铁的显微组织为共晶碳化物+回火马氏体+二次碳化物组成，如图4(e)和图4(f)。

图4 不同温度时效处理后高铬铸铁的的金相组织(1000×)Figure 4 Metallographic microstructures of high-chromium cast iron at different aging treatment temperatures (1000×)

图5 铸态螺旋衬板及SK100标准试块Figure 5 Spiral lining sheet as cast condition and SK100 standard block

图6 1000℃淬火+500℃回火后SK100等效试块的金相组织(1000×)Figure 6 Metallographic microstructures of SK100 equivalent block after 1000℃ quenching + 500℃ tempering (1000×)

综合以上因素，在本文设定的热处理工艺下，试块的宏观硬度在500℃时效处理时达到最高，冲击韧性则在时效温度为600℃时性能最好。因此，结合图3数据，综合考虑宏观硬度与冲击韧性，Cr15高铬铸铁获得较佳力学性能的时效处理温度为500℃。

3 生产实践验证

由上述试验可知，在尺寸规格较小且形状规则时，高铬铸铁试样的宏观硬度和冲击韧性均能满足技术要求。为了确保试验结果的重复性和可靠性，依据探索出的最佳热处理工艺(1000℃淬火+500℃回火)，选用图5所示的铸态螺旋衬板和SK100等效试块进行了实际生产验证。

表3 螺旋衬板装配面表面硬度检测结果Table 3 Inspection results of mounting surface hardness for spiral lining sheet

表4 SK100等效试块的硬度梯度和冲击韧性Table 4 Hardness gradient and impact roughness of SK100 equivalent block

性能热处理后，按图5所示的位置对螺旋衬板进行宏观硬度检测，并对SK100等效试块进行线切割解剖，检测其硬度梯度、冲击韧性和金相组织，结果如表3、表4和图6所示。可以看出，螺旋衬板的表面硬度最高达61.9HRC，最低为60.3HRC；SK100等效试块的硬度分布均匀，衰减较小，其表面硬度为62.3HRC，距表面深度50mm时为59.5HRC，冲击韧性平均为7.85 J/cm2，试块的金相组织与22 mm×22 mm×130 mm试样的基本一致，由共晶碳化物+回火马氏体+二次碳化物+少量的残余奥氏体组成。虽然各项性能指标较中频炉冶炼浇注的试样有略微下降，但均能满足技术要求，与前述试验结果吻合。