高铬系列研磨介质热处理工艺研究

1 高铬系列研磨介质热处理工艺研究高铬系列研磨介质热处理工艺研究 宁国市 姚永茂 摘要 分析高铬系列研磨介质三种热处理工艺的优缺点 等温淬火和采用亚临界热处理 工艺可以达到相应技术指标要求 满足生产需要 Summary analyze the merit and defect for two kinds of heat treatment technology for grinding media in high chromium system and conclude that it can meet the requirement for the corresponding technical specification and production by adopting the sub critical 关键词 研磨介质 残余奥氏体 等温淬火 亚临界热处理 Key words Grinding media remaining austenite sub critical heat treatment 一一 高铬系列研磨介质目前生产状况高铬系列研磨介质目前生产状况 磨球和磨段统称为研磨介质或研磨体 广泛应用于水泥 矿山 火电 非金属加工及磁性 材料等行业的粉体工程 我国每年的消耗量据不完全统计在 200 万吨以上 为满足各行业 不同工况条件的要求 铸造研磨介质的材质是多种多样 但总的来讲还是以铬系材料为主 现在材料的发展趋势是以高铬代替低铬 高铬材质产量要占到总量的 40 以上 二二 高铬系统列研磨介质热处理工艺高铬系统列研磨介质热处理工艺 高铬合金白口铸铁铸态显微组织是过饱和的奥氏体 片状或块状含铬共晶碳化物 共晶 碳化物较粗大呈断续网状分布 为了充分发挥高铬合金白口铸铁的抗磨性能 必须通过热 处理来改变基体组织 将奥氏体转化成马氏体 以提高基体的硬度 从而提高耐磨性 目 前常用的高铬系列研磨介质热处理工艺有以下三种 1 高温淬火高温淬火 回火回火 为了提高高铬高铬系白口铸铁耐磨性能 目前各厂多采用高温淬火 回火工艺 以获得 马氏体基体 硬度一般在 HRC56 62 Ak 值一般在 6J cm2以上 淬火方法有风淬 雾淬 油淬和介质淬等 从技术角度来讲这种工艺应该是比较成熟的工艺 可以充分发挥高铬铸 铁的优良性能 由于钼铁价格不断上涨 国内耐磨材料厂基本都采取以锰代钼来提高淬透 性 锰含量控制在 1 5 以上 这样就增加了残留奥氏体含量 根据资料介绍 1 采用这种热处 理工艺的高铬材质残留奥氏体量一般都在 10 30 见表 1 而且随着淬火温度的提高 残余奥 氏体量也随之增加 见表 2 表 1 不同热处理工艺条件下残留奥氏体含量 Table 1 the content of remaining austenite in different heat treatment technology conditions 试验号热 处 状 态Ar 1980C0 2 5h 空冷 200 C0 2h 空冷34 2980C0 2 5h 空冷 5 C0 1h 200 C0 2h 空冷23 3980C0 2 5h 空冷 30C0 1h 200 C0 2h 空冷15 4980C0 2 5h 空冷 70C0 1h 200 C0 2h 空冷9 5980C0 2 5h 空冷 1960C0 1h 200 C0 2h 空冷2 6980C0 2 5h 油淬 250 C0 2h 空冷25 7 7980C0 2 5h 油淬 40C0 30min 250 C0 2h 空冷14 8 8980C0 2 5h 油淬 196C0 30min 250 C0 2h 空冷0 作者介绍 姚永茂 男 1940 年生 高级工程师 安徽省宁国市 2 注 该项试验化学成分 C 2 65 Cr 12 Si 1 4 Mn 0 62 表 2 不同淬火温度条件下残留奥氏体含量 3 Table 2 the content of remaining austenite in different quenching temperature conditions 3 淬火温度950 C0980 C01010 C01050 C01100 C0 Ar 11 518 831 761 478 7 奥氏体具有强烈的加工硬化性能 磨球在使用中不断受到冲击 会使奥氏体向马氏体转 变 同时伴随着体积增大而带来相变应力 马氏体与奥氏体不共格 在介面处很容易位错 塞积或形成位错墙等 在应力作用下 这些薄弱部位和其它缺陷处形成应力集中而容易形 成裂纹源 裂纹沿切向扩展产生表层剥落 据资料介绍 1 不同冲击能量对相对失重与残 留奥氏体含量关系如图 1 所示 相对失重 A 1 24J cm2 1 1 1 0 0 9 1 2 1 1 1 0 1 3 1 2 1 1 1 0 0 9 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ar 图 1 不同冲击能量对相对失重与残余奥氏体关系 Fig 1 Influence of different impact energy on relative weight loss and remaining austenite contents 由图可见在小能量冲击时 直线 A 残留奥氏体含量高时磨损量还有降低的趋势 中等能 量冲击时 直线 B 随着残留奥氏体含量增大 磨损量也随之增加 当冲击能量更大时 直线 C 随着残留奥氏体含量增大 磨损失重更加明显增大 这说明在高能量冲击时 随着残留奥氏体 含量的增加磨损量也随之增大 而一般磨机内研磨介质冲击功远大于试验的冲击功 见图 2 在干法磨机中磨内温度一般在 100 200C0 研磨介质在磨机中又经反复冲击 双重因素 加速研磨介质表层一定深度范围内发生殘余奥氏体形变并向马氏体转化 随深度增加转变 量降低 局部地方产生体积膨胀 据资料介绍 2 这种组织转变体积膨胀可达到 6 形成组 织应力 当应力超过基体强度时就会产生块状剥落 造成研磨介质失园 在风扫磨中这种 现象由其明显 在湿法磨中虽然温度不高 但在反复冲击磨损情况下 也会产生殘余奥氏体形变并向马 氏体转化 具资料介绍 2 经过 5000 次冲击后 残余奥氏体转变量为 70 经 10000 次冲 击后残余奥氏体转变量为 90 对不同状态的高铬铸铁磨球进行检验 经过热处理未使 用的磨球中 残余奥氏体量多在 14 20 之间 经 3 个多月使用而未破碎磨球的残余奥氏体 量小于 7 12 而由于大块剥落后又经磨损形成多角形磨球的残余奥氏体量在 28 左右 B3 7J cm2 C6 2J cm2 3 剥落下来的较大块残片的残余奥氏体量小于 2 这些数据足以说明残余奥氏体量高时 磨球易产生块状剥落 造成磨球失园 球径 图 2 冲击能量与磨机直径和球径的关系 Fig 2 the relationship between the impact energy and the mill diameter ball diameter 从上述分析中可知通过高温淬火 回火的高铬系列的研磨介质为什么产生失园的机理 由 于有失园现象存在 产生非正常的磨损 增加了研磨介质的磨耗 当然可以提高回火温度来减 少残余奥氏体 在 500C0回火可以将残余奥氏体降到 2 以下 但要牺牲硬度 3 回火温 度从 350C0升到 500C0 硬度从 HRC63 4 降到 HRC54 6 下降幅度达到 14 见表 3 和图 2 4 表 3 Cr13 高铬铸铁经 950C0淬火和不同温度回火后的 HRC ak Ar 的变化 3 Table 3 The change of HRC ak Ar of Cr13 cast iron after quenching at 950 and in different tempering temperature HRC热处理工艺 akAr 950C0油淬63 462 90 211 5 950C0油淬 350C0回火59 959 20 489 24 950C0油淬 400C0回火59 356 90 410 7 950C0油淬 450C0回火58 655 90 358 54 950C0油淬 500C0回火54 651 80 221 9 950C0 600C0回火43 10 30 注 此项试验化学成分 C 1 91 Cr 13 16 Mn 0 68 2 等温淬火工艺等温淬火工艺 等温淬火工艺在钢和奥贝球铁等材质上应用很普遍 也取得显著成效 目前有很多耐磨材 料技术人员开始将等温淬火这一工艺应用到高铬铸铁的热处理生产上 在不增加合金的情况 下 使研磨介质的性能提高 30 以上 充份挖掘现有材质的潜在能力 高铬铸铁等温淬火就是将铸件加热到 940 1050C0 然后快速冷却到了 280 330C0 在这个温 度下等温 2 5 小时出炉空冷 根据不同的含铬量 球径的大小 环境温度的高低 淬火介质 温度 确定铸件在介质里的冷却时间和出介质时的表面温度 以及等温时间的长短 这些 工艺参数必须在生产实践中摸索后确定 据资料介绍 4 普通高铬铸铁经等温淬火处理后 其性能有较大幅度提高 试验化学成 分如下 C 3 11 Si 1 19 Mn0 77 Cr 13 65 S 0 011 P 0 042 Cu 0 66 Ni 0 073 MO0 18 4 经常规淬火 回火 1 及 280C0 2 320C0 3 350C0 4 不同温度等温处理后的性能如下 表 4 高铬白口铸铁的硬度和冲击值 试样编号1234 硬度 HRC57 664 765 264 8 冲击韧度 J cm26 17 08 46 7 由上表可知经等温淬火处理后硬度可提高 12 以上 冲击值可提高 37 而耐磨性能可提 高 13 33 经等温处理后的高铬白口铸铁的金相组织为马氏体 贝氏体 3 亚临界处理工艺亚临界处理工艺 所谓亚临界处理就是在 Ac3 临界温度以下进行热处理来获得较好的综合力学性能的热处 理工艺 高铬系列研磨介质采用亚临界处理工艺其机械性能略低于高温淬火 回火工艺 但其使用性能却能和高温淬火 回火工艺比美 3 1 亚临界处理工艺的分析亚临界处理工艺的分析 高铬系列研磨介质在生产时多采用金属型激冷工艺 其铸态显微组织是由奥氏体 马氏体 和 M7C3 型碳化物组成 在亚临界处理过程中 基体中过饱和的碳和合金元素铬 锰会由 于原子扩散而以二次碳化物形式析出 使基体中碳和合金元素减少 导致 MS点升高 在 冷却过程中 残余奥氏体就会转变成马氏体 并且由于 MS点升高 马氏体量随着亚临界 处理温度提高和保温时间的延长而不断增加 残余奥氏体会随着保温时间的延长而不断减 少 据资料介绍 7 奥氏体显微硬度 HV340 450 马氏体的显微硬度 HV670 1200 马氏 体的显微硬度比奥氏体显微硬度高得多 随着奥氏体量的减少和马氏体量的增多 基体的 硬度也随之提高 出现了二次硬化现象 3 2 亚临界处理温度与残余奥氏体含量和马氏体含量有以下关系亚临界处理温度与残余奥氏体含量和马氏体含量有以下关系 图 4 图 5 5 试验 用高铬铸铁化学成分 C 2 16 Si 0 61 Mn1 38 Cr 13 13 P 0 036 S 0 028 Ar H 图 4 回火温度与残余奥氏体含量关系 Fig 4 The relationship between tempering temperature and remaining austenite M 5 h 图 5 回火温度与马氏体含量关系 Fig 5 The relationship between tempering temperature and martensite content 由图可知 在 525C0时通过 8 10 小时高温回火后 残留奥氏体量可降到 5 以下 而马 氏体含量可达到 70 以上 亚临界处理温度在 500 550C0 经过 8 10 小时保温 硬度 冲 击值和耐磨性达到最佳值 3 7 经济效益分析经济效益分析 表 5 能耗比较 Table 7 The comparison of the energy consumption 温度 C0电能 KW费用 元 T 600C0201120 6 1000 C0401241 从上表可知采用亚临界工艺处理的能源消耗比采用高温淬火 回火工艺处理的低 50 以 上 再加上高温工装消耗 降温风机能耗 多次起吊能耗和人工费用 采用亚临界工艺成本 比高温淬火 回火工艺降低 70 以上 4 结论结论 高铬合金白口铸铁研磨介质常用的三种热处理工艺各有各的特点 要根据不同的工况条 件和使用要求 选择不同热处理