高铬系列研磨介质热处理工艺研究

1、 PAGE 5 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到达相应技术指标要求，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 speci

2、fication and production by adopting the sub-critical 关键词：研磨介质 剩余奥氏体 等温淬火 亚临界热处理Key words: Grinding media, remaining austenite, sub-critical heat-treatment.一 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，现在材料的开展趋势是

3、以高铬代替低铬，高铬材质产量要占到总量的40%以上。二 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+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拟成

4、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，国内耐磨材料厂根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,剩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%1980C02.5h空冷+200 C0

5、2h空冷342980C02.5h空冷+ 5 C01h+200 C02h空冷233980C02.5h空冷+ 30C01h+200 C02h空冷154980C02.5h空冷+ 70C01h+200 C02h空冷95980C02.5h空冷+ 1960C01h+200 C02h空冷26980C02.5h油淬+250 C02h空冷25.77980C02.5h+油淬 40C030min+250 C02h空冷14.88980C02.5h油淬+ 196C030min+250 C02h空冷0作者介绍：姚永茂 男 1940年生，高级工程师，安徽省宁国市注：该项试验化学成分：C 2.65 Cr 12 Si 1.4

6、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 C0Ar%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

7、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/cm2B3.7J/cm2C6.2J/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剩余奥氏体关系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) ,

8、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到达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，

9、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，剩余奥氏体转变量为70%，经10000次冲击后剩余奥氏体转变量为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，剩余奥氏体量多在14-20%之间，经3个多月使用而未破碎磨球的剩余奥氏体量小于7-12%，而由于大块剥落后又经磨损形成多角形磨球的剩余奥氏体量在28%左右，剥落下来的较大块残片的剩余奥氏体量小于2%，这些数据足以说明剩余奥氏体量高时，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

10、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剩余奥氏体，在500C0回火可以将剩余奥氏体降到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,下降幅度到达14%.见表3表3 Cr13高铬铸铁经950C0淬火和不同温度回火后的HRC，ak，Ar

11、%，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.热处理工艺HRCakAr%950C0油淬63.462.90.211.5950C0油淬+350C0回火59.959.20.489.24950C0油淬+400C0回火59.356.90.410.7950C0油淬+450C0回火58.655.90.358.54950C0油淬+500C0回火54.651.80.221.9950C0+600C0回火43.10.3

12、0注:此项试验化学成分:C 1.91 Cr 13.16 Mn 0.682 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、环境温度的上下、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外表温度，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

13、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

14、的金相组织为马氏体+贝氏体3 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 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，剩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

15、保温时间的延长而不断增加，剩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亚临界处理温度与剩余奥氏体含量和马氏体含量有以下关系图4、图55。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 0.028Ar %H 图4 回火温度与剩余奥氏体含量关系 Fig.4 The relationship between tempering tempe

16、rature and remaining austenite. M% 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,而马氏体含量可到达70%以上。亚临界处理温度在500-550C0，经过8-10小时保温，硬度、冲击值和耐磨性到达最正确值。3.7 经济效益分析表5能耗比拟Table 7 The comparison of the energy consumption温度 C0电能 KW费用 元/T600C0201120.61000 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、屡次起吊能耗和人工费用，采用亚临界工艺本钱比高温淬火+回火工艺降低70%以上。4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,选择不同热处理工艺方