耐磨钢球模锻与自由锻工艺比较

2019-04-26汪有才

中国金属通报 2019年12期

汪有才，路远，于浩

（1.铜陵有色金神耐磨材料有限责任公司，安徽铜陵 244000；2.北京科技大学材料学院，北京 100089）

耐磨钢球作为自磨机中的磨损介质，被广泛用于冶金矿山、水泥建材、火力发电等重工业领域[1]。随着生产力的不断进步，矿业行业的发展，国内磨球的年消耗总量也在不断提高，保守估计为180-250万吨左右，其需求量还在不断增加[2,3]。而目前，常见的耐磨钢球成型工艺主要为铸造、锻造和轧制这三种。而针对大直径的钢球来说，其主要的生产工艺多为锻造和铸造，其中铸球的需求量最大，而锻造磨球的前景最好。由于锻造钢球所采用的坯料为热轧圆钢，这要求有比较大的塑性变形量，且在冶炼过程中还需控制内部夹杂物含量，这使得锻球采用的棒坯内部组织致密，且无显微裂纹、缩孔、白点等缺陷。另外，锻球成型过程中存在再次加热和热加工情况，因此与铸球相比，锻球有以下这些特点：首先，锻造速度要比铸球要快，产量高，且球型和表面质量良好；其次锻造磨球成型过程变形量较大，因此其内部组织和晶粒尺寸更为均匀细小，使得锻球的硬度高、韧性好，不易破碎；再次，锻球取代低铬、中铬、高铬系合金铸球[4]，这会在很大程度上减少铬矿的消耗，降低对环境的污染，这也符合我国对工业环保的要求[5,6]；最后，从性能的角度考虑，钢球的含铬量对其耐磨性能有很大的影响，也就是说，含铬量越高耐磨性就越好，但铬元素会增加钢球的易腐蚀倾向，铬含量越高也会使磨球越容易被腐蚀，特别是若矿石中硫的含量较高时，会进一步提高这种倾向。故铸造成型的铬系磨球在湿磨工况下的使用寿命会在很大程度上受到限制，达不到预期效果[7]。

而锻造磨球也存在两种不同的成型工艺，即自由锻和模锻[8,9]。自由锻是在工人凭经验操纵自由锤，利用锤自上而下的冲击力对坯料施加变形，使圆棒得到所需要的外部形状及内部性能的锻造加工工艺；而模锻是把将坯料固定于模锻设备上的模具内进行一次成型的锻造工艺。本文基于B3钢材质，采用自由锻和模锻的磨球成型工艺，得到直径120mm的耐磨球，并对其组织和性能进行比较分析，从而对今后的生产提供指导作用。

1 实验方案

1.1 成型工艺

模锻工艺：将直径为Φ80mm的棒坯，锯切成长度为175mm的圆柱棒材后，采用中频炉加热，再利用2T全自动模锻锤锻打，最后在空气中缓冷到室温。

自由锻工艺：将直径为Φ80mm的棒坯，锯切成长度为175mm的圆柱棒材后，采用中频炉加热，再利用750kg空气锤锻打，锻打次数为40锤，最后在空气中缓冷到室温。

两种工艺生产的磨球试样均为B3钢材质，表1为B3钢的合金成分。

表1 B3钢与B6钢主要合金成分比较(wt%)

1.2 取样

由于此次需要检测的试样来自于两种不同的成型工艺，故将其分成两组。为了保证检测结果尽可能地全面可靠，在参考金属流线实验的结果下，在这两组中，各采用一个半球进行试样制备，取样结果如图1所示。

由于钢球的直径为120mm，故在耐磨球的纵向从上到下每间隔5mm依次取一个10×10×20的试样，而在45°方向上和横向上的半径1/2处以及边缘处各取两个10×10×20的试样。

图1 磨球取样位置分布

1.3 实验过程

金相组织分析：对两组试样采用不同目数SiC砂纸进行研磨后，在抛光布上抛光，然后用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀后，最后在光学显微镜下观察显微组织，并对模锻和自由锻工艺下组织形貌进行对比分析。

显微硬度测试：对模锻和自由锻磨球不同位置试样进行显微硬度测试，记录两种工艺下磨球不同位置的硬度值，了解钢球的硬度分布情况。

金属流线实验：沿着纵向对试样取整个圆面或者半个圆面，将表面磨光后使用1：1盐酸水溶液加热到60℃～80℃腐蚀一段时间，即可看到试样纵切面的金属流线。比较模锻和自由锻流线差异，并分析流线对磨球性能的影响。

常温冲击功测试：根据金属流线布，分别在流线密集的中心区域以及无明显流线的边部区切取10mm×10mm×55mm的冲击试样，比较分析不同工艺之间冲击性能的差异以及流线对冲击韧性的影响。

高温共聚焦实验：由于试样的显微组织在光学显微镜下难以分辨晶界，为了比较分析不同工艺之间的晶粒度差异，采用高温共聚焦实验，在晶粒度差异最大的边部位置分别取Φ7×2.5mm的圆柱样各数个，经研磨抛光后，将表面质量最好的两组试样置于共聚焦显微镜下进行实验。将试样加热到奥氏体化温度以上，在高温下，进行对材料组织结构变化的实时、原位以及高清晰观察与分析。

2 实验结果与分析

2.1 金相组织分析

从图中，我们可以发现，试样的显微组织是由索氏体和少量的白色珠光体组织构成的。而具有清晰片层结构的珠光体的数量从表面到心部呈上升趋势。分析原因，在钢球在锻造后的空冷过程中，由于其尺寸较大，使得钢球内部温度要远大于表层，转变温度较高，导致中心位置形成了更多片层间距较粗的珠光体组织，而表层由于转变温度低，因此在表面位置产生了更多片层间距较细的索氏体组织，这两者均为铁素体和渗碳体的两相混合物，只有粗细之分，并无本质区别。

2.2 显微硬度实验分析

图3 模锻与自由锻纵向硬度对比

对两组试样进行显微硬度测试，如上图3所示，为两种工艺下钢球沿纵向的硬度分布，其中横坐标的0刻度线为钢球的上表面，120刻度线为钢球的下表面。由图可知，模锻试样在各个位置的硬度值要明显高于自由锻的数值，两者在中心处及接近中心处的硬度值相差不大，但自由锻试样沿纵向的硬度分布更加均匀，没有较为剧烈的起伏波动。

下图4、5所示，为模锻和自由锻试样不同位置，从表面到中心的硬度分布从中心到表面的硬度分布。其中1#为横向，2#为纵向，3#为沿45°方向。从图上可以看出，两者在这各个方向上的硬度值相差不大，而模锻硬度相对较高一些，但模锻试样各方向上的最大硬度差值为86.1HV，而自由锻试样仅为40.4HV，这进一步说明了自由锻在各个方向上的硬度分布更加均匀。

图4 模锻钢球不同位置硬度分布

图5 自由锻不同位置硬度分布

2.3 金属流线实验

为了分析不同成型工艺下，磨球的金属流动规律，对两组钢球制样后进行金属流线实验。下图6是四种试样的金属流线图，试样是沿着纵向切下来的半径为3mm的圆片，经盐酸腐蚀后的结果。可以看出，相对于模锻试样，自由锻试样的流线线条更加细致。这是由于自由锻试样锻打锤数更多，与模锻相比，沿各个方向的变形量上下波动较小，使得有间杂物、偏析等形成的金属流线分布也更均匀。

从横向上的分布来看，模锻的流线模糊且较较为稀疏，经测量，其流线距试样边部距离约30mm，而自由锻试样的流线距边部约35mm。这样会导致实际应用中，在表面淬硬层被磨掉之后，模锻试样由于锻造流线粗糙且范围大，更加容易磨损失效。

图6 模锻和自由锻金属流线分布

2.4 高温共聚焦实验

由于试样常温在光学显微镜下金相组织的晶界并不明显，对晶粒度的统计测量较为困难。为了对比分析B3钢模锻与自由锻之间晶粒度的差异，故进行高温共聚焦实验。由于钢球在实际应用过程中，其受力磨损主要体现在表面，故在其边部取直径7mm，厚度为2.5mm的圆片试样，将其加热到钢球的出炉温度1150℃，为了避免晶粒长大，保温时间设定为2min。根据实验过程中拍摄的组织照片，运用ProImaging软件分别对两种钢球的晶粒度进行统计，结果如下表2所示。

表2 模锻和自由锻晶粒尺寸比较

从上表中可以看出，模锻试样的晶粒度尺寸较大，约为74um，平均晶粒度等级为4.5，而自由锻试样的晶粒度尺寸较小，约为41um，平均晶粒度等级为6。且从两者的晶粒尺寸结果上分析，可以发现，模锻试样的晶粒尺寸大小波动较大，最大差值为49um，而自由锻试样波动范围小，最大差值仅为3um。从下图7中也可以看出，自由锻试样的晶粒更为均匀，而模锻试样的晶粒存在异常长大现象。分析原因，一方面是由于自由锻的成型时间较长，磨球的变形程度更大，且在各个方向上所承受的锻打力较为均匀。而模锻由于成型时间有限，所以变形并不均匀；另一方面自由锻所测试样的出炉温度较低，仅为1026℃，而模锻试样的出炉温度为1160℃，这极易导致晶粒进一步长大。

2.5 常温冲击实验

根据金属流线实验的结果，分别对两组试样流线密集的心部和无明显流线分布的边部取10mm×10mm×55mm的试样，进行常温冲击实验，实验结果如下表3所示。从表中可以看出，自由锻试样在心部和边部处的冲击功均大于模锻，这可能是由于自由锻试样锻打次数较多，沿各个方向上的应变量波动较小，其金属流线分布较为均匀，且其热加工过程较长，磨球在变形过程中动态回复所引起的软化作用更为明显，导致其残余应力和应力集中程度较小，试样的韧性更好。