宝钢厚板厂双边剪耐磨衬板研究结题报告1

1、 宝钢厚板厂双边剪耐磨衬板研究结题报告华东理工大学程军2009.101项目概述本课题来源于宝山钢铁公司厚板厂，针对厚板剪切线上的双边剪衬板因磨损以及磨损减薄量不均匀，产生剪刃水平间隙偏差，进而影响钢板的剪切质量的问题，通过金相分析、摩擦试验、表面处理等手段，研究产生问题的原因，找出解决问题的方法，研制出符合要求的双边剪衬板。课题标的为：研制的新衬板的使用寿命由原来的4个月左右，延长至12个月。双边剪是厚板剪切线上的重要设备。双边剪可以将一块很长的钢板通过步进式送进, 连续对钢板的两个侧边进行剪切。其特点是, 连续剪切, 生产效率高, 切边质量高。其机组主体是一台滚切式双边剪, 同时配有前后运输

2、辊道、激光划线装置、磁力对中装置和切边收集等辅助设备。宝钢厚板厂剪切线的双边剪由德国SMSD公司设计，国内合作制造。在双边剪的后板入口侧和出口侧各有一块钢衬板，而在双边剪刀架的入口侧和出口侧的对应位置上设置有铜衬板。在双边剪剪切过程中，钢衬板和铜衬板会相互运动和摩擦，形成两对钢铜摩擦副。入口侧和出口侧两对摩擦副之间的不均匀磨损导致的剪刃水平间隙偏差直接影响着钢板的剪切质量。厚板厂投产以来的实践表明，双边剪的衬板在使用约45个月后，即发生严重磨损且入口侧和出口侧的衬板副磨损不一样，需要调整和更换。更换衬板不仅施工难度大，而且需要约4天的施工时间，因此一年至少要停机2次。频繁的长时间停机检修不仅严

3、重制约着双边剪产能的发挥，还大大增加了设备检修费用和备件费用。现有的衬板使用周期无法满足厚板厂以后一年一次年修周期的需要。2磨损现象分析钢衬板材料DIN1.8719是合金结构钢，焊接性能良好，成分如表2.1所示。可以调质使用，图纸要求的冲击功31J，硬度为HB360。表2.1 钢衬板化学成分 (wt%)元素最小最大C 0.1000 0.2000 Si 0.1500 0.3500 Mn 0.6000 1.0000 P 0.0250 S 0.0250 Cr 0.4000 0.6500 Mo 0.4000 0.6000 Ni 0.7000 1.0000 V 0.0300 0.0800 B 0.000

4、5 Cu 0.1500 0.5000 铜衬板材料CuSn12-C-GC，抗拉强度325MPa，屈服强度248MPa，延伸率7%，硬度为HB90，成分如表2.2所示。表2.2 铜衬板化学成分（wt%）元素百分比（wt%）Cu86.5Sn12Pb0.5Ni2.0 max以上述两种材料制造的双边剪衬板在使用过程中，发生的主要故障如下：铜衬板不均匀磨损严重，造成铜衬板面由平面变成具有一定角度的楔形面，导致双边剪刃口错开，严重影响剪边质量。需要频繁调整。铜衬板磨损减薄严重，三到四个月左右，铜衬板的减薄量可达23mm，不得不调换衬板，造成停工损失。钢衬板出现局部磨损，其磨损面呈扇面状，其弧形面为铜衬板在其

5、上滑动时最外点运动轨迹的包络线，包络线内磨损减薄严重。实际使用的钢、铜衬板磨损情况如图2.1、图2.2所示。图2.1 钢衬板及其上磨痕图2.2 铜衬板及减薄量测量钢衬板的磨痕十分清楚，其上的弧形磨痕与衬板副相对滑动时，铜衬板在钢衬板上的运动接触面相符合，清晰地显示出其运动的轨迹。磨损面磨损减薄均匀，采用图2.2中所示测量方法可以测得，磨损减薄量在整个平面基本均匀分布，约为1.9mm。铜衬板的磨损，通过观测，整个磨损面上没有刮擦的痕迹，油沟形状清晰，没有表面材料的滑移现象。铜衬板整体厚度减薄明显，取其中一块如图2.2所示进行测量，铜衬板原始厚度为20mm，使用后因磨损，起测点厚度为18.84，整

6、个平面上减薄量分布如图2.3所示。图2.3 铜衬板磨损减薄量分布由图2.3可知，铜衬板最大减薄处减薄量为1.46mm。综上所述，采用原设计材料制造的钢、铜衬板摩擦副，不能满足实际生产的要求。钢衬板采用的是合金结构钢，磨损减薄达1.9mm，甚至超过铜衬板的磨损减薄量1.46mm。导致这一结果的原因，可能是因为由于钢衬板的尺寸要大于铜衬板，所以在工作时，铜衬板始终与钢衬板的局部接触，造成钢衬板的局部接触应力较大，导致磨损减薄严重；同时，所选择的材料是普通结构钢，耐磨性能较差也是可以理解的。由图2.3可以看出，铜衬板的磨损并非均匀分布，而是沿铜衬板的对角线向两个长边逐渐增大，在平面上产生了一个倾角。

7、这一磨损现象对生产造成的危害远远大于磨损减薄，使得在日常的检修时，调整日益困难，最终不得不彻底更换。因此，提高铜衬板的整体耐磨性能，使其磨损尽量均匀，是本次课题需要解决的主要问题。3磨损的原因分析由上节测量所得可知，双边剪钢-铜摩擦副的磨损及失效主要表现为：钢衬板不耐磨，存在较大的平均磨损减薄；铜衬板耐磨性较钢衬板好，但仍显不足，存在不均匀的磨损减薄，减薄量分布表现为入口减薄大，并向中间逐渐减小，在经过铜衬板中心附近后，随着向出口方向的逼近，磨损减薄有增大的趋势；由于钢衬板的均与磨损减薄和铜衬板的不均匀磨损减薄，摩擦副间形成一个楔角，使得双边剪的刃口错开，剪边质量下降而失效。3.1.铜衬板不均

8、匀磨损原因分析为了进一步明确衬板摩擦副的磨损原因，对铜衬板进行了微观分析。如图3.1所示，在铜衬板入口段密集取样，制成金相试件，并在400倍金相显微镜下观察磨损面的显微组织。图3.1 铜衬板入口段取样图经显微观察，在整个磨损面上，摩擦表面的显微形态基本一致：磨擦面没有发现塑性流变现象，在观察的所有位置，磨擦面均表现为930um的白层和其下保持完整显微组织的铜衬板基体，如图3.2所示。其中，（a）为图3.1中的.5位置，（b）为图3.1中的9.9位置，（c）为图3.1中的19.12位置，（d）为图3.1中的28.16位置。（a）（b）（c）（d）图3.2 铜衬板入口段摩擦面显微图片（400）图3

9、.2所示的显微金相及完整的表面晶粒变形层表明：在整个磨擦过程中，摩擦副处于良好的润滑状态下，摩擦副间的摩擦系数较小，铜衬板的磨损及其减薄对于所选择的铜衬板材料来说是正常发生的。同时，由于选用的铜衬板材料的强度和硬度均较低，在变动的载荷下，受载大的地方的磨损减薄也就比较大。因此，如果要提高铜衬板的使用寿命，需要采用耐磨性更好的材料；同时，这种铜合金材料强度和硬度都应更高，以避免铜衬板发生不均匀减薄的现象。3.2.钢衬板磨损原因分析钢衬板选用材料为DIN1.8719，是一种低碳低合金钢材，从材料化学成分分析（表2.1），与耐寒高强钢15MnCrNiMo完全一致。图纸要求硬度为360HB，经在宝钢现

10、场实物上测量，硬度为31HRC（约294HB）。从材料的机械性能角度分析，该种材料的特点是极好的低温机械性能，但由于其为低碳钢，碳含量小于含碳量低于25%，不足以形成板条状马氏体。如图3.3所示，在910保温水淬，680空冷回火的显微组织，为回火索氏体，表明该材料具有良好的综合机械性能，但并不具备优秀的耐磨性能。图3.3 钢衬板调质后显微组织 400为获得良好的耐磨性能，必须从显微组织开始设计。铁素体、奥氏体都有很好的塑性、韧性，珠光体有较高的综合机械性能，索氏体较珠光体有更高的综合机械性能，马氏体分2种：低碳M有很高的强韧性，高碳M有更高的耐磨性。因此，应选择在调质处理后，即具备显微马氏体组

11、织，有能够保证一定比例的低碳马氏体的存在，以综合机械性能与耐磨性的要求。为实现上述技术目标，选择了2种材料进行磨擦对比。一种为3Cr13，经1000淬火后400回火，硬度为35.6HRC，显微组织为回火马氏体；一种为ZG35CrMoSi，热处理后硬度为38.7HRC，显微组织为回火马氏体+下贝氏体；冲击功均40J，满足设计要求。其中，ZG35CrMoSi的等温处理工艺曲线见图3.4。图3.4 ZG35CrMoSi的等温处理工艺曲线磨擦实验在环块式磨擦试验机上进行，对磨件为淬火处理的45钢，硬度为42HRC，水润滑。实验机如图3.5所示。图3.5 环块式磨擦试验机表3.1 ZG35CrMoSi和

12、其他材料与45#做对磨试验硬度表序号材料硬度HRC对磨件备注1#DIN1.871931.145#钢宝钢实物2#3Cr1335.645#钢3#ZG35CrMoSi38.745#钢表3.1中是使用的几种材料的硬度。试验载荷为400N，转速300rpm，水润滑。磨损情况见图3.6。（a）1#（b）2#（c）3#图3.6 水润滑下不同钢材料磨擦实验磨痕经测量，3# ZG35CrMoSi的平均磨痕长度为5.3mm，2#3Cr13的平均磨痕长度为8.9mm，1# DIN1.8719的磨痕长度为13mm。由此可见，选择3Cr13或者ZG35CrMoSi均可作为DIN1.8719的替代材料，获得更加优秀的耐磨

13、性能。4铜衬板材料的选择和工艺确定为提高铜衬板的耐磨性，主要是采用渗硅的方法，对铜衬板进行表面化学热处理，提高表面硬度。针对铜衬板抗拉强度、硬度较低的情况，选择高强度铜合金作为铜衬板基体，希望能够达到提高耐磨性的目的。所谓渗硅，是对铜合金材料进行的一种表面化学热处理的技术方法：通过热处理，在铜材料中渗入一定量的硅，在表层形成1mm左右的渗硅层。渗硅层由于硅的渗入，改变了化学组成，形成一种硬度很高的铜硅间复杂的金属化合物，并分布在相对较软的铜基体组织中。这种结构具备较为理想的耐磨结构：较硬的铜硅金属化合物成为摩擦副的运动支点，提供了较高的耐磨性以及良好的减磨性，由于该渗硅层的存在，极大地扩展了作

14、为摩擦副的铜合金的选材范围：在选择作为磨擦副的材料时，可以不考虑这种铜材料的摩擦学性能，最少可以不考虑减磨性能，因为铜材料参加摩擦副的接触面将被渗硅，摩擦学性能主要取决于渗硅层的性能。材料选用ZCuZn26Al4Fe3Mn3（材料商业名称为WZ-60），其化学成分及机械性能见表4.1及表4.2。表4.1 铜衬板用铜合金化学成分合金牌号合金名称化学成分（%）锡锌铅镍铝铁锰硅铜ZCuZn26Al4Fe3Mn3WZ-600.20.23.02.5-5.01.5-4.01.5-4.060.0-66.0表4.2 铜衬板用铜合金机械性能合金牌号合金名称机械性能抗拉强度(N/mm2)屈服强度(N/mm2)延伸

15、率ZCuZn26Al4Fe3Mn3WZ-6060030018由表4.2可知，WZ-60材料的机械性能大幅提高，在延伸率远远优于原衬板材料ZCuSn12的同时，抗拉强度提升为原来的2倍。为考察WZ-60材料的摩擦学性能，在环块式摩擦试验机上，进行了对比摩擦实验。摩擦实验采用的试样材料如下：ZCuSn12、ZCuZn26Al4Fe3Mn3以及对ZCuZn26Al4Fe3Mn3进行表面渗硅处理的试样。渗硅试样尺寸为201515，图4.1是渗硅铜试样的截面图。图4.1 渗硅试样断面图渗硅层的不同显微金相分布厚度分布与硬度关系如表4.3所示。表4.3 渗硅层分布由表及里的相区厚度（mm）硬度（HV100

16、）相0.27539.59过度区I0.19482.42+相0.90329.68过度区II0.29216.72基体226.40总厚度1.65由表4.3可知，渗硅层主要包含5个区，其中，以+相区厚度最大，为0.9mm，硬度为329HV，约为33HRC；而该材料未受渗硅影响的基体硬度为226HV，约为220HB。可见，渗硅对铜合金表面的改变是明显的，在表面覆盖了超过1mm厚的渗层，渗层的组织为分布在相的硬质点分布在较软且机械性能良好的相中，形成利于耐磨的一种结构。为对比不同条件的磨损情况，按表4.4中的条件进行了磨擦试验。其中对磨件材料为40Cr，硬度HRC4245。表4.4 试验条件序号铜试样润滑条

17、件正压力（N）试验时间（min）1ZCuSn12干摩擦400202ZCuZn26Al4Fe3Mn3干摩擦400203ZCuZn26Al4Fe3Mn3渗硅处理干摩擦400204ZCuSn1210号润滑油4003005ZCuZn26Al4Fe3Mn310号润滑油4003006ZCuZn26Al4Fe3Mn3渗硅处理10号润滑油400300图4.2示出了ZCuZn26Al4Fe3Mn3及其渗硅层在干摩擦下的磨痕。图4.3示出了ZCuSn12在干摩擦下的磨痕。（a）渗硅表面 （b）未渗硅表面图4.2 ZCuZn26Al4Fe3Mn3及其渗硅层的磨痕图4.3 ZCuSn12干摩擦下的磨痕表4.4列出了干

18、摩擦下的磨擦系数及磨损率。表4.4干摩擦下磨擦系数及磨损率序号名称摩擦系数磨痕宽度（mm）磨损率(mm3/min)1ZCuSn120.153175.06372ZCuZn26Al4Fe3Mn3未渗硅面0.25121.73663ZCuZn26Al4Fe3Mn3渗硅面0.175.80.1845图4.4为ZCuZn26Al4Fe3Mn3及其渗硅层在含油润滑摩擦下的磨痕。左边为渗硅层的磨痕，右边为未渗硅的磨痕。图4.5为ZCuSn12在含油润滑摩擦下的磨痕。图4.4 ZCuZn26Al4Fe3Mn3及其渗硅层在含油润滑摩擦下的磨痕图4.5 ZCuSn12在含油润滑摩擦下的磨痕表4.5列出了干摩擦下的磨擦系数及磨损率。表4.5含油润滑摩擦下磨擦系数及磨损率序号名称摩擦系数磨痕宽度（mm）磨损率(10-4mm3/min)1ZCuSn120.071117.112ZCuZn26Al4Fe3Mn3未渗硅面0.085137.863ZCuZn26Al4Fe3Mn3渗硅面0.07743.64由