（材料学专业论文）高碳铸钢丸热处理及欧文寿命的研究.pdf

山东大学硕士学位毕业论文 摘要 高碳铸钢丸是应用最为广泛的抛喷丸清理与强化用金属磨料，适用于汽车、 造船、铁路机车、飞机、桥梁、集装箱、机械制造、钢结构、压力容器、石材等 行业的金属表面抛喷丸清理及强化。本文将着重研究高碳铸钢丸的离心雾化凝固 过程、一次淬火+ 1 0 0 - - 7 0 0 回火、7 6 0 - - - - 9 0 0 二次淬火以及8 4 0 二次淬火 + 1 5 0 6 5 0 回火的热处理过程、粒度与热处理条件对欧文寿命的影响以及磨损 失效形式与失效过程；分别采用碳硫分析仪及硅锰磷分析仪、金相显微镜、维氏 显微硬度计、欧文寿命试验机、实验筛对高碳铸钢丸的化学成分、金相组织、硬 度、欧文寿命、粒度等技术指标进行测定，并用x 射线衍射仪、高温差热分析 仪、扫描电子显微镜分别进行物相分析、差热分析以及磨损失效形式的观察，利 用上述技术指标来表征高碳铸钢丸性能的变化。结果表明：铸态( 一次淬火) 高 碳铸钢丸金相组织为片状马氏体+ 残余奥氏体，存在严重树枝晶状成分偏析；当 对铸态高碳铸钢丸进行直接回火处理时，回火温度从1 0 0 升高至7 0 0 ，金相 组织逐渐转变为回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体，硬度从h r c 6 5 降到 h r c 2 5 ，且在3 5 0 - - 6 5 0 时出现沿原奥氏体树枝晶晶界分布的网状弥散细小碳 化物。对铸态高碳铸钢丸进行8 4 0 二次淬火可消除成分偏析得到细小的隐晶马 氏体+ 弥散分布的未溶碳化物+ 少量残余奥氏体，硬度为h r c 6 0 ，8 8 0 二次淬 火时，温度过高，淬火得到粗大马氏体+ 残余奥氏体。8 4 0 二次淬火+ 1 5 0 6 5 0 回火，金相组织逐渐转变为回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体，硬度降低， 韧性和抗冲击性提高，面积法表征的欧文寿命不断提高，据得到的硬度与回火温 度曲线可调节回火温度，以满足客户的硬度需要；欧文寿命也受颗粒尺寸的影响， 尺寸越小，欧文寿命越高。高碳铸钢丸磨损失效形式分为脆性断裂、表层剥落、 心部脱落以及大块开裂四种，用重量比g f f g t 来表征各磨损形式的比例并反映损 耗情况，建议将g f f g t 及欧文寿命技术指标加入到相关标准中，以利于用户更好 的选用合适的磨料和生产商改进生产工艺及提高磨料品质；高碳铸钢丸的磨损失 效过程可归纳为低周次循环下，发生表层剥落，颗粒重量损失较小；高周次循环 下，表层剥落逐渐演变为心部脱落，引起的质量损失大，高碳铸钢丸理想的磨损 山东大学硕士学位毕、i k 论文 失效形式应为表层剥落；但高碳铸钢丸的上述磨损形式的产生与诸多凶素有关， 包括热处理条件、抛打次数、组织缺陷、粒度、靶的硬度及抛喷速度与角度等。 关键词：高碳铸钢丸；凝固；热处理；欧文寿命；磨损失效； 山东大学硕士学位毕业论文 a b s t r a c t t h e h i g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o ti st h em o s tw i d e l yu s e dm e t a la b r a s i v ef o rb l a s t c l e a n i n ga n ds h o tp e e n i n ga tp r e s e n t ，a n da p p l i c a b l ef o rb l a s tc l e a n i n ga n ds h o t p e e n i n go ft h em e t a l l i cs u r f a c ei nt h ef i e l d sa b o u ta u t o i n d u s t r y , s h i p b u i l d i n g ，r o l l i n g s t o c k ，a e r o c r a f t ，b r i d g e ，c o n t a i n e lm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g ，s t e e ls t r u c t u r e ，p r e s s u r e r e s e r v o i r , s t o n ee t c i nt h i sp a p e r , t h eh i l g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o tw a ss t u d i e dm a i n l y a b o u tt h es o l i d f i c a t i o np r o c e s si nt h ec e n t r i f u g a la t o m i z a t i o n , t h eh e a tt r e a t m e n t s i n c l u d i n gf i r s tq u e c h i n g + 1 0 0 - - 一7 0 0 0 ct e m p e r i n g ，7 6 0 - - 。9 0 0 0 cs e c o n d a r yq u e n c h i n g a n d8 4 0 0 cs e c o n d a r yq u e n c h i n g + 15 0 - - 。6 5 0 0 ct e m p e r i n g ，t h ei n f l u e n c eo ft h es i z e a n dh e a tt r e a t m e n to nt h ee r v i nl i f ea n dt h ew e a rf a l i u r em o d ea n dw e a rp r o c e s s ， w h e r e a st h ec s a n a l y s e r a n ds i m n - pa n a l y s e r , m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ， m i c r o h a r d n e s st e s t e r , e r v i nt e s tm a c h i n ea n dt e s ts i e v ew e r ea p p l i e dt ot e s tt h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n ，m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，e r v i n l i f ea n ds i z e d i s t r i b u t i o nr e s p e c t i v e l y , a n dx r a yd i f f r a c t o m e t e r , d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y z e ra n d s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p ew e r ea p p l i e dt oa n a l y s e p h a s et r a n s f o r m a t i o na n d t h e r m a la n a l y s i sa n do b s e r v et h ew e a rf a i l u r em o d e ；a f t e r w a r d st h ep e r f o r m a n c eo f t h eh i g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o ts a m p l ew a sc h a r a c t e r i z e db yt h ea b o v ep a r a m e t e r s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo ft h ea s - c a s t ( f i r s tq u e n c h i n g ) h i g h c a r b o nc a s ts t e e ls h o ti sp l a t em a r t e n s i t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t ew i t hs e r i o u sd e n d r i t i c c o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o n w h e nt e m p e r i n gt h ea s c a s th i g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o t ，a s t h et e m p e r a t r u ei n c r e a s e sf r o m10 0 0 ct o7 0 0 0 c ，t h em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r et r a n s f o r m s f r o mt h et e m p e r i n gm a r t e n s i t et ot r o o s i t ea n ds o r b i t e ，t h eh a r d n e s sd e c r e a s e sf r o m h r c 6 5t oh r c 2 5a n da t3 5 0 6 5 0 0 c ，t h en e tc a r b i d ei sp r e c i p i t a t e da tt h eo r i g i n a l d e n d r i t i ca u s t e n i t eb o u n d a r y w h e nt h ea s - c a s th i g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o ti ss e c o n d a r y q u e n c h e da t8 4 0 0 c ，t h es t r u c t u r ei sf i n ec r y p t o c r y s t a l l i n em a r t e n s i t ea n dd i s p e r s e d u n d i s s o l v e dc a r b i d e ，w i t ht h eh a r d n e s si sa b o u th r c 6 0 ；w h e nt h et e m p e r a t u r e i n c r e a s e st o8 8 0 0 c ，t h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ei st o oh i g ha n dt h es t r u c t u r ei s c o a r s e n e dm a r t e n s i t ea n d r e m a i n i n g a u s t e n i t e a f t e r8 4 0 d c s e c o n d a r y 1 1 i 山东大学硕士学位毕业论文 q u e n c h i n g + 15 0 - - 6 5 0 。ct e m p e r i n g ，t h es t r u c t u r eg r a d u a l l yt r a n s f o r m st ot e m p e r i n g m a r t e n s i t e ，t r o o s i t ea n ds o r b i t e ，t h eh a r d n e s sd e c r e a s e sa n dt h et o u g h n e s sa n ds h o c k r e s i s t a n c ei si m p r o v e d ，t h ee r v i nl i f ee x p r e s s e db yt h eb r e a k d o w nc u r v ei n c r e a s e s g r a d u a l l y ；b a s e do nt h eh a r d n e s s - t e m p e r a t u r e c u r v ec a nr e g u l a t et h et e m p e r i n g t e m p a t u r es o a st og e tt h e u s e r sh a r d n e s sr e q u i r e m e n t t h ee r v i nl i f ei sa l s o i n f l u e n c e db yt h ep a r t i c l es i z e ，t h es m a l l e rt h ep a r t i c l es i z ei s ，t h eh i g h e rt h ee r v i nl i f e i s 。t h ew e a rf a i l u r em o d eo fh i g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o ti n c l u d e st h eb r i t t l ef r a c t u r e ， s u r f a c ep e e l i n g ，c o r es p a l la n dm a s s i v es p l i t ；t h ew e i g h tr a t i og f g ti sd e f i n e dt o r e p r e s e n tt h ew e a rf a i l u r em o d er a t i o g f g tc a nr e f l e c tt h ew e a rp r o p e r t yo ft h e a b r a s i v e ，a n dg f g ta sw e l la st h ee r v i nl i f ei ss u g g e s t e dt ob ea d d e di nt h er e l e v a n t s t a n d a r d s ，w h i c hc a np r o v i d ec o n v e n i e n c ef o rt h ee n du s e r st oc h o o s et h es u i t a b l e a b r a s i v ea n de n c o u r a g et h em a n u f a c t u r e r st oi m p r o v et h e i rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n d t h ea b r a s i v eq u a l i t y t h ew e a rp r o c e s so ft h eh i 幽c a r b o nc a s ts t e e ls h o tc a nb e c o n c l u d e dt h a ta tt h el o w e re r v i nc y c l e ，t h es a m p l eo c c u r ss u r f a c ep e e l i n gl e a dt oa s m a l lw e i g h tl o s s ；a tt h eh i g h e re r v i nc y c l e ，s u r f a c ep e e l i n gg r a d u a l l yd e v e l o p si n t o c o r es p a l ll e a dt oal a r g ew e i g h tl o s s ，s of o rt h eh i g hc a r b o ne a s ts t e e ls h o t ，t h es u r f a c e p e e l i n g i st h ei d e a lw e a rf a i l u r em o d e b u tt h ew e a rf a i d u r em o d e so ft h eh i g hc a r b o n e a s ts t e e ls h o ta r ea f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st h eh e a tt r e a t m e n t ，e r v i nc y c l e ， m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea n df l a w s ，p a r t i c l es i z e ，t a r g e th a r d n e s s ，i m p a c tv e l o c i t ya n d i m p a c ta n g l e k e y w o r d s ：h i g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o t ；s o l i d i f i c a t i o n ；h e a tt r e a t m e n t ；e r v i nl i f e ； w e a rf a i l u r e ； i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蕉堑垒 e t 期：垫! 篷复旦丑曰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 、 论文作者签名：邀盘良导师签名：掣日 期：珥要l 7 山东大学硕士学位毕、i k 论文 1 1高碳铸钢丸简介 1 1 1 定义及应用 第一章 引言 高碳铸钢丸是一种将熔化钢液通过雾化而成的丸粒形抛喷丸清理及强化用 的金属磨料i ，通过破碎各种尺寸的高碳铸钢丸而成的尖锐边缘的棱角形颗粒称 为高碳铸钢砂。我国二十世纪六十年代开始出现高碳铸铸钢丸，它具有回火马氏 体或屈氏体组织，硬度适中h r c 4 0 5 0 ，脆性小，破碎率低，使用寿命比铸铁 丸长等特点，逐步取代铸铁丸，由于当时的钢丝切丸是用新的冷拔钢丝切割制成， 成本是铸钢丸的2 倍，钢丝切丸也被高碳铸铸钢丸替代。抛喷丸清理及强化用 金属磨料现已广泛应用于汽车、造船、铁路机车、飞机、桥梁、集装箱、石油 天然气管道、工程机械、道路、钢结构、压力容器、石材等行业中，主要是钢 材及黑色及有色金属铸件、锻件、冲压件、热处理件、焊接件及钢材的抛 喷丸清理及强化，2 0 0 8 年我国金属磨料的总产量已占全球总产量的4 0 ， 达到年产4 5 万吨，其中高碳铸钢丸及高碳铸钢砂达到年产3 5 万吨，其质 量的好坏对被清理处理工件的清洁度、粗糙度及喷丸强度产生重大影响。 1 1 2 性能指标 目前美国汽车工程师学会标准s a ej8 2 7 2 0 0 5 2 1 、美国铸钢协会标准s f s a 2 0 6 6 1 3 1 、美国军标m i l s 8 5 1 4 1 、国际标准i s 0 11 1 2 4 3 1 9 9 3 1 5 1 、中华人民共和国 黑色冶金行业标准y b 厂r5 1 4 9 1 9 9 3 6 】和中华人民共和国标准g b t1 8 8 3 8 3 ，2 0 0 8 t 1 】 等标准规定了高碳铸钢丸的各项性能的参数，包括化学成分、金相组织、硬度、 粒度、表观密度、形状及各类缺陷，其中2 0 0 8 年新颁布的g b t1 8 8 3 8 3 2 0 0 8 涂覆涂料前钢材表面处理喷射清理用金属磨料的技术要求一第3 部分：高碳铸钢 丸和砂【1 】中要求高碳铸钢丸的化学成分( 叭) 为：o 8 1 2 c ，o 3 5 1 2 m n ，2 0 4 s i ， 5 0 0 5 s ，5 0 0 5 p ，其中锰含量应足够高，使所有颗粒的切面硬度达到要求；金相 组织应该为均匀的马氏体或圄火马氏体、回火屈氏体，热处理到与硬度范围一致 的程度，具有细而均匀分布的碳化物，另外因高温转变形成的珠光体部分脱碳、 网状碳化物和枝状晶界偏析是不希望出现的；硬度要求9 0 被测颗粒的硬度在 山东大学硕七学位毕、j p 论文 h v3 9 0 5 3 0 ；粒度分布要根据相应的筛分等级规格表来检验；表规律i 度是用排 无水乙醇法测得，要求7 0 70 3k g m 3 ；丸粒主要形状为圆形的，其长度不大于 最大颗粒宽度两倍，并目无棱边、破碎断面和其他尖锐表面缺陷；各缺陷中非球 形颗粒不能超过5 ，空穴和缩孔不超过1 0 ，裂纹不超过1 5 ，缺陷总量不超 过2 0 。 高碳铸钢丸的化学成分一般用只读光谱分析仪、碳硫分析仪及红外碳硫分析 仪来测定。控制碳在o 8 - - - 1 2 ，如果在生产中半炉检测时碳含量偏低，将使 高碳铸钢丸的硬度偏低，要通过添加增碳剂( 银灰色至银黑色坚硬多孔固体，含 碳9 6 以上 来提高碳含量，如果碳含量过高，使高碳铸钢丸的脆性增大，要通 过添加废钢来降低过剩的碳；控制硫和磷的含量小于0 0 5 ，硫、磷在钢中属于 有害元素。高碳铸钢丸的硬度范围各标准要求不同，但均在h r c 4 0 - - 一，5 2 。硬度 除随碳含量的增加而增加外，还受热处理工艺条件的影响，金相组织也随之变化。 高碳铸钢丸的粒度分布通过一系列实验筛的筛分来表征，可以从两个层面来 理解。首先是在离心雾化工艺中，得到的全部颗粒粒度大小与雾化工艺参数即离 心机转速、浇注流速、冷却水温等有关。粒度分布的另一层面是指某一规格成品 的粒度分布，主要是在产品质量检测环节。高碳铸钢丸的缺陷包括空心、裂纹、 疏松及夹杂，其中以空心和裂纹影响最大。高碳铸钢丸的空心率是一般通过锤击 的方法来检测的。裂纹主要是在离心雾化水急冷过程中淬火生成的淬火裂纹。高 碳铸钢丸中的夹杂包括外来夹杂和内生夹杂，所谓外来夹杂是指在离心雾化时落 入钢液里的炉渣、耐火材料和异金属块等杂物被包裹在颗粒内部，通常外来夹杂 较粗大，将破坏高碳铸钢丸内部的连续性；所谓内生夹杂是指高碳铸钢丸在冷却 凝固过程中析出的硫化物、硅酸盐、氧化物等。降低高碳铸钢丸中夹杂需要控制 钢液质量和成分以及清洁浇注，防止外来夹杂污染与异金属进入。 1 1 3 抛喷丸清理过程 以高速旋转的叶轮推动磨料颗粒，使其获得相当高的速度后冲击工件表面， 达到清理或强化工件表面，通常称此工艺为抛丸清理或抛丸强化：用压缩空气使 磨料颗粒加速到很高的速度后清理或强化工件表面，称此工艺为喷丸( 喷砂) 清 理或喷丸强化。在抛喷丸过程中，动能由离心轮或压缩空气传递给磨料颗粒，高 速的磨料颗粒冲击到受喷工件，引起工件表面的塑性和弹性形变。工件表层不能 2 山东大学硕士学位毕、l k 论文 回复的压缩导致有利的残余压应力残留在受喷件最表面层，并延伸到表层下一定 深度；由于所有的疲劳破坏都有表层拉应力引起的，通常由于循环载荷的存在， 表面层的残余压应力有效的延缓了工件疲劳破坏【_ 7 1 。抛丸设备工作时，一方面要 求磨料颗粒具有较大的质量，以便于产生足够大的冲击力使铸件的粘砂层破坏脱 落，另一方面也要求有足够数目的磨料颗粒抛射到铸件上，充分的被清理1 8 j 。 经过抛喷丸处理后的工件，通常用于净度、粗糙度、覆盖率、喷丸强度等来 表征其表层性能变化。干净度 9 j o 分为四个等级：s a l 一轻度的喷射或抛射除锈， 钢材表面应无可见的油脂和污垢。并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈和涂层等附 着物；s a 2 一彻底的喷射或抛射除锈，钢材表面应无可见的油脂和污垢，并且氧化 皮、铁锈和旧涂层等附着物已基本清除，其残留物应是牢固附着的；s a 2 5 一非常 彻底的喷射或抛射除锈，钢材表面应无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和旧涂 层等附着物，任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑：s a 3 一使钢材表观 洁净的喷射或抛射除锈，钢材表面应无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和旧涂 层等附着物，该表面应显示均匀的金属色泽。 粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度，一般表示为表面轮 廓的最高峰相对于最低谷的高度【1 1 , 1 2 】，通过触针法测定轮廓算术平均偏差r a 和 微观不平度十点高度r z 来表征；表面粗糙度越小，则表面越光滑。覆盖率是指 被喷丸零件表面规定部位上弹痕占据的面积与应喷丸强化的面积之比，但超过 1 0 0 就无法测定，因此，规定9 8 覆盖时就定义为1 0 0 覆盖率【1 3 ，1 4 1 。喷丸强 度是指弧高度试片在磨料颗粒冲击下，表面层发生塑性变形，由此导致弧高度试 片向抛喷丸面呈球面状弯曲，特定基准面至球面最高点之间的距离【1 3 , 1 4 。 选择磨料种类、颗粒尺寸及形状时，要根据零件的外形曲率、表面硬度和表 面粗糙度、用途等要求。因为同等硬度条件下铸钢砂的侵入性大于铸钢丸，铸钢 丸的耐久性大于铸钢砂，铸钢丸( 砂) 硬度越高侵入性越大，耐久性( 寿命) 越 低；磨料硬度越高抵抗自身变形的能力越大，侵入性亦越大。在同等重量下，小 规格的磨料个数多，覆盖率高，单个的冲击力小，大规格的磨料个数少，覆盖率 低，单个的冲击力大【1 5 】。 山东大学硕士学位毕、i k 论文 1 2 高碳铸钢丸的研究现状及存在问题 1 2 1 研究现状 经查阅大量高碳铸钢丸有关文献，发现目前对高碳铸钢丸的研究主要集中在 应用方面，即用高碳铸钢丸抛喷丸清理与强化后的工件表面特性方面，另外也有 少量部分文献涉及铸钢丸雾化工艺、热处理以及磨损失效的研究。 1 ) 离心雾化： 高碳铸钢丸的雾化成九机理是将一定比例的废钢及辅助材料熔化后，利用一 定形式和大小的能量，在最适当的情况下，击碎具有内聚力的钢液，使击碎后的 钢液滴在降温凝固过程中，靠自身的表面张力，白收缩成丸，落入冷却剂内( 通 常为水) 冷却成丸的过程，这整个过程中尽量避免受氧化【1 6 1 。根据外力方式的不 同，常用雾化方法的有【1 7 】：( 1 ) 滚筒法是将液体金属浇注到旋转的滚筒上，造成 液体金属的飞溅，而后落入水中成丸；( 2 ) 气流吹射法【1 8 j 是利用压缩空气或蒸 汽将液体金属吹散后落入水中成丸；( 3 ) 离心法【1 9 , 2 0 , 2 1 】是将液体金属装入高速旋 转的周围开设一系列小孔的离心砖中，液体金属在离心力作用下，从离心砖周围 小孔飞出落入水中成丸；( 4 ) 水射流冲击法【1 7 ，2 2 】是利用水射流将液体金属击散落 入水中成丸。 离心雾化法生产高碳铸钢丸的工艺流程为：中频感应炉熔炼一钢液离心雾化 成丸一钢丸的脱水与烘干一粗筛一淬火一烘干一回火一筛分1 1 9 1 。离心雾化制取高 碳铸钢丸的关键生产设备是离心雾化装置【1 9 1 ，主要由底漏式限流浇杯、旋转造粒 杯( 离心砖) 、电机或油压马达带动的旋转机构组成，另外配套离心雾化装置的 还有移取钢液用的小钢包( 容量一般为1 0 0 公斤，内衬需要配比石英和水玻璃 干燥成型) 、冷却用的离心水池( 直径为1 5 米，深为2 米) 以及熔炼用的中频感 应炉。 为使高碳铸钢丸的成分、组织、硬度、强度、粒径、粒度分布、圆度、颜色、 防锈等指标符合要求，裂纹、空心、疏松、异形等缺陷减少，则必须选定合理的 工艺参数，主要的工艺参数为钢液的化学成分、温度( 粘度) 、表面张力、中间 包液面高度、离心砖转速、结构尺寸、材质、恒温冷却水池的水温、水位及直径 等【2 0 1 。但实际生产中有些参数均比较固定，只有离心雾化造粒的离心砖转速、移 4 山东大学硕士学位毕业论文 取钢液小钢包的容量以及浇注速度可调。若离心砖由液压马达驱动，动力来自工 频炉倾炉机构中的高压油泵，油路中设有截止阀和单向调速阀，可以方便地控制 油流量，从改变液压马达和造粒杯的转速，进油量调大，马达转速增高，丸粒变 细，进油量调小，马达转速降低，丸粒变粗【1 9 2 3 】；同样若采用变频调速电机带动 离心砖旋转，可通过电机来调整离心砖的转速，转速可控制在3 0 0 , - - - , 2 0 0 0 转分。 离心雾化时，高温钢液急冷凝固到室温，由于表面和内部冷却或收缩的不均 一性，会产生组织疏松，疏松有时会成为淬火裂纹源，另外淬火时剧烈的马氏体 相变，硬而脆的高碳马氏体相撞是产生显微淬火裂纹的主要原因【2 4 1 。 2 ) 热处理： 1 9 8 0 年，美国铸钢工作者协会铸钢丸磨料标准规范s f s a 2 0 6 6 1 3 1 规定允许的 金相组织为回火马氏体或均匀的回火马氏体和贝氏体( 图1 1a ) 和b ) ) ，但含过量 碳化物的回火马氏体组织、回火马氏体及沿颗粒边界分布的贝氏体组织、马氏体 轻微回火及残余奥氏体仅部分转变组织或铁素体基体上分布着球状渗碳体组织 是不允许的，见图1 1c ) 、d ) 、e ) 和f ) ，也不能含有游离石墨或游离铁氧体。回 火马氏体组织是目前高碳铸钢丸市场上最能抗疲劳的金相组织，另外金相组织中 不能含有脆性的渗碳体，它将过早的引起丸粒破裂和高的磨损速度【7 1 。高碳铸钢 丸的显微及宏观显微组织也影响其抗破碎性及耐磨性【2 5 1 。 铸态高碳铸钢丸一般不直接使用，而是要经过直接回火或再次淬火+ 回火处 理，再次淬火目的是细化晶粒和消除网状碳化物【2 6 1 。从离心池中取出的高碳铸 钢丸经烘干炉烘干时，相当于进行了一次低温回火；为了加热均匀，一般淬火加 热炉和回火加热炉采用滚筒式加热，炉管进料端有密封盖，其上设有能随铸钢丸 进入量可调节大小的进料口。炉管壁开设有落料口，转动一周落料一次。为防止 加热过程中铸钢丸粘结在炉管内壁及铸钢丸脱碳，从炉管两端滴入煤油或加入电 极石墨进行保护 2 6 , 2 7 】。淬火加热温度为8 0 0 8 4 0 ，水淬后烘干并回火，回火 温度视所要求的硬度而定，通常为3 6 0 - - 4 0 0o c t 8 2 9 】或4 5 0 - 5 5 0 c 2 8 1 。也可采用 等温淬火( 8 2 0 2 5 分钟+ 31 0 6 0 分钟+ 水冷，等温淬火槽式盐炉) 取代淬火+ 回火热处理，此种热处理工艺的特点是：热处理后的组织为贝氏体+ 马氏体+ 粒状 碳化物或贝氏体+ 托氏体+ 马氏体+ 粒状碳化物，两者都具有较高的硬度、强度和 东大学砸上学俺毕、硷文 e ) m a r t e n s l t eo n l ys l i 曲t l yt e m p e r e dr e l a i n e d a u s t e n i t eo n l yp a n i a l l yt r a n s f r o m e d ( u n s a t i s f a c t o r y ) os p h e r o i d so f c e m e n l i t e i na m a t r i x o f f e r r l t e ( u n s a t i s f a c t o r y ) 图i - i 高碳铸钢的相关金相组织( 5 0 0 ) f i g u r e l 1m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea b o u t t h eh i g hc a r b o nc a s ts t e e ls h o t ( 5 0 0 ) l 韧性；等温淬火后的铸钢丸，不需再经过回火处理，节省了一台回火炉，简化了 生产工序，且淬火处理后的制丸，外表呈蓝黑色，蓝黑色的氧化膜对铜丸有保护 山东大学硕士学位毕业论文 作用，不需要对铸钢丸再进行防锈处理1 2 0 1 。高碳铸钢丸二次淬火的冷却介质一般 为水，油淬硬度不均，有时存在非马氏体组织【2 9 l ，而且油易燃，比较危险。 s v g r a c h e v t 2 7 1 将钢丸经过回火和二次淬火+ 回火处理，淬火时，加热到 9 0 0 ，放入有电极石墨和铸铁屑组成的渗碳器中( 为避免脱碳) ，在水中冷却， 淬火样品和原始样品经1 5 0 。c 回火3 0 分钟，3 5 0 和4 0 0 回火3 0 分和6 0 分。 铸态组织有粗大马氏体结构，含有大量残余奥氏体( 超过2 0 ) ，导致硬度降低， 在低抗压载荷下发生破碎。二次淬火+ 3 5 0 4 0 0 回火后，铸钢丸的组织为均匀 的细晶粒铁素体+ 碳化物混合体，确保了较高的性能和低的试验数据离散度，二 次热处理的积极影响不仅限于确保高的硬度和抗压试验破碎载荷，在多次冲击清 理件表面时，由于高的动载荷抵抗，循环强度也提高，因此同一个铸钢丸在抛喷 丸铸件和工件的表面时可以重复使用1 2 7 。 铸态高碳铸钢丸中存在疏松和显微裂纹等缺陷一般难免，但在二次淬火热处 理后仍然存在上述缺陷，表明工艺不当，若仍然出现粗大马氏体，二次淬火温度 明显偏高。高碳铸钢丸采用滚筒式加热炉，其加热温度不仅与炉温有关，两且同 滚筒的旋转速度和加热时间等参数有关【2 6 1 。严格的工序控制将能减少含缺陷丸粒 的数量【7 j ，如气孔颗粒可以在回火后的流化床吹空工艺中除去，异形颗粒可以在 螺旋滚筒选圆工艺中除去，严格控制此工艺可有效降低成品的气孔率和异形率。 3 ) 磨损失效： 高碳铸钢丸在对工件进行抛喷丸清理与强化时，本身也要磨损失效，颗粒形 状由球形变为多面体球形，颗粒尺寸降低，产生大量碎屑，而由于单个颗粒的动 能即冲击功大小为1 2 m v 2 ，其中m 为颗粒质量，v 为颗粒抛射速度【1 4 1 ，颗粒尺 寸降低使得单个颗粒质量降低，进而单个颗粒的冲击功降低，将影响高碳铸钢丸 的抛喷丸效果，即磨损太快，将达不到良好的抛喷丸效果。因此高碳铸钢丸的磨 损速度及磨损失效形式决定着抛喷丸工艺的效率和成本。 高碳铸钢丸的磨损失效过程【”1 可分为两个过程：一是在叶片入口处磨料相对 叶片作滑动与滚动，当到叶片出口处时，在离心力的作用下高碳铸钢丸受压力最 大，磨料加速到6 0 - 8 0m s 被抛出，此过程中低硬度钢丸受压力作用发生局部 形变，并被叶片及砂砾微切削使其材质剥落，高硬度钢丸受压力，可使在生产凝 7 山东大学硕士学位毕、l k 沦文 固冷却过程中形成的微裂纹进一步扩展，导致材质脆性开裂或剥落；二是当高碳 铸钢丸高速冲击工件时，铸钢丸的动能( 冲击功) ，一部分被工件吸收，使工件 表面杂质脱落或发生变形，另一部分被铸钢丸自身吸收，即低硬度铸钢丸与工件 接触的瞬间发生形变加工硬化，同时工件表面的砂砾亦对钢丸产生微切削作用， 使其材质剥落，高硬度铸钢丸与工件接触的瞬间，亦可使其表层的微裂纹扩展， 导致材质脆性开裂或剥落。疲劳寿命或耐用性是钢丸冲击工件时抵制变形和破碎 的能力。如果高碳铸钢丸有传递足够能量来清理或喷丸的能力，耐久性最大的丸 粒将是最经济的磨料【3 0 】。 高碳铸钢丸在抛喷丸设备内使用过程中明显的变化是重量和粒度的减少以 及形状的变化，通过分析磨料重量、粒度和形状的变化可以分析磨损消耗的过程， 而这些变化与磨料本身的性能有直接关系，如化学成分、金相组织、硬度、粒度 及密度、破坏寿命、圆整度、均一性和物理缺陷以及传递能量等【2 8 , 3 0 , 3 1 】。经一段 时间破碎后，硬度较低的高碳铸钢丸成扁球形，破碎的粉末为大片状，硬度稍高 的高碳铸钢丸仍为球形，表面有砸痕，破碎的粉末为细片状，硬度较高的高碳铸 钢丸为球形和碎粒，粉末量最多【2 0 1 。在两个物体相撞时，不硬的或软的物体将吸 收大部分的能量和功，这是推荐磨料硬度要与受喷件硬度一样或稍大的原因f 3 2 】。 如果磨料丸粒太软，可用动能的大部分被磨料颗粒在冲击工件表层时吸收，这部 分能量就失去了，而且不可用来喷丸了，引起慢的覆盖速度和低的弧高。较硬的 磨料丸粒破损速度快，使用寿命降低，且较硬的磨料在机械内制造更多的磨损， 增加了维修成本【3 0 1 。 山东大学硕士学位毕、i k 论文 1 2 2 存在问题及研究意义 目前国内外高碳铸钢丸普遍存在的主要问题包括 1 ) 粒度偏粗且与实际用户需求粒度有较大差距，细粒度高碳铸钢丸销售价 格较高且不能满足市场需求，而且目前尚没有对离心雾化时铸态高碳铸钢丸的粒 度分布有初步的研究和分析。 2 ) 离心雾化时形成粗大树枝晶组织和严重的成分偏析，而- 月因急冷发生剧 烈的马氏体相变，导致高碳铸钢丸内部产生微裂纹，微裂纹会扩展为宏观裂纹， 且马氏体本身脆性大，而且进而严重影响高碳铸钢丸的使用寿命，所以有必要研 究离心雾化凝固过程，了解树枝晶组织和成分偏析的形成机理。高碳铸钢丸的疏 松和气孔等缺陷也比较严重，严重影响高碳铸钢丸的寿命，需要研究缺陷形成机 理并寻找合适的消除办法。 3 ) 热处理工艺不合理，铸钢丸中就会出现粗大的针状马氏体和网状碳化物， 存在粗大针状马氏体的钢丸在使用过程中裂纹扩展，晶界处偏析形成的网状碳化 物的存在极大地削弱晶间强度，倘若开裂，裂纹会沿晶界扩展，这极大的缩短了 高碳铸钢丸的使用寿命，因此需要系统研究高碳铸钢丸的热处理工艺，包括二次 淬火与回火，以确定合理的热处理工艺。 4 ) 欧文寿命是评价高碳铸钢丸耐磨性的重要技术指标，受到离心雾化工艺、 化学成分以及硬度等参数的影响，但目前欧文寿命并没有被磨料生产商及使用者 所重视；此外通过对高碳铸钢丸的磨损失效后形貌的观察发现了不同磨损失效形 式，但是尚没有研究人员对磨损形式作比较详细的分类及分析。 针对上述问题，查阅大量相关文献资料，未见有对高碳铸钢丸凝固过程研究 的报道；也没有系统全面的研究淬火和回火工艺及其与硬度的关系；另外欧文寿 命表征高碳铸钢丸的使用性能的重要指标，通过欧文寿命的测定也可以了解高碳 铸钢丸的磨损失效过程，但很少有涉及影响欧文寿命因素及磨损机理的研究。所 以本文将针对上述问题做以下几方面研究探讨工作： 1 ) 通过离心雾化时凝固过程的研究，得出高碳铸钢丸组织粗大、严重成分 偏析以及形成缩孔、疏松等缺陷的原因，为离心雾化生产组织细小均匀的高碳铸 钢丸奠定理论基础，也可指导后续热处理进一步改善高碳铸钢丸的组织；根据使 9 山东大学硕士学位毕、i k 论文 用者需求，研究离心雾化因素对粒度的影响，为准确控制颗粒粒度，提高某一粒 度的高碳铸钢丸比例做前期工作。 2 ) 通过对高碳铸钢丸凝固组织的分析，实验设计系列淬火和回火热处理工 艺，以研究巧 6 3 ) 上而变形，呈多面的球形， 表层也变亮，另有部分如含有气孔和显微裂纹等缺陷的颗粒受力后破碎，且破碎 粒会再被磨圆，可见为韧性断裂。从图3 2 2c ) 至i ) 可以看出大颗粒不断破碎，小 颗粒也会再破碎，碎粒也会逐渐磨圆，但一些缺陷少的颗粒经过4 0 0 0 次磨损仍 然没有破碎而只是尺寸减小，说明其组织致密均匀。从图3 - 2 2 j ) q o6 m m 孔径 筛的筛下物可以看出细小的碎粒也称球形。但尺寸小，冲击功低，己失去冲击清 理能力l “j 。 d ) 15 0 0c y c l e s 东大学顺士学位毕业论史 j ) p o w d e r u n d e rs i e v e 罔3 2 2 二次淬火+ 5 5 0 c 回火后整体磨损形貌 f i g u r e 3 2 2 t o t a l m m o r p h o l o g yc h a n g ea r e rs e c o n d a r yq u e n c h l n g + 5 5 0 。c t e m p e r i n g 山东大学硕士学位毕、i k 论文 3 4 2 粒度 1 ) 粒度分布图： 高碳铸钢丸在离心雾化时，由于离心机转速、小钢包浇注速度等原因，使得 钢液流在分散时形成的液滴，大小不一。随即选取一个批次的铸态高碳铸钢丸， 为充分显示整体粒度分布，沿离心池半径方向取样，至少1 0 k g ，同时发现在距 离离心砖一定距离处，钢丸的产量达到最大，经观察离心砖距离越远的地方，颗 粒直径越细小。将所取4 i 5 ( 化学成分( 叭) 为：0 8 4 c ，0 6 1 s i ，0 6 9 m n ，0 0 2 1 p ， o 0 2 4 s ，硬度为h r c 6 0 7 ) 铸态高碳铸钢丸样品混合均匀后，随即称取3 k g ，用 7 目一- - 5 0 目共1 3 个筛子，依次少量多批筛分，然后将各个粒度的颗粒综合称重， 用重量百分比来制作整体粒度分布图【4 9 1 ，见图3 2 3 ，分布图中出现一个峰值， 粒度对应为1 0 目 - 1 8 目，重量百分比均占到1 0 以上，这也是通常选用较多的 粒度；但3 0 目 - 4 5 目的颗粒较少；7 目与8 目的颗粒超大，会被粉碎成高碳铸 钢砂，而5 0 目的颗粒里面大部分为氧化皮，还有些杂质等。图3 2 4 为粒度筛分 的累计重量分析，磨料尺寸也可用中值直径、几何平均直径与统计直径来反映【4 9 】， 其中本样品的中值粒径d 5 0 - - 1 2 m m 。 图3 2 3 一次淬火后整体粒度分布 f i g u r e 3 - 2 3t o t a ls i z ed i s t r i b u t i o na f t e rf i r s tq u e n c h i n g 4 3 侣 他 侄 竹 8 6 4 2 o 摹一兰曲一o 山东大学硕士学位毕、i k 沦文 = 与 霎 口 旦 旦 e 云 篙 图3 2 4 一次淬火后累计重量分千斤 f i g u r e 3 2 4 a c c u m u l a t e dw e i g h ta n a l y s i sa