奧氏體化溫度對高鉻復合軋輥磨損性能的影響

李秀青,宋延沛

(河南科技大學材料科學與工程學院,河南洛陽 471003)

0 前言

軋輥是冶金軋機的重要部件之一,是軋鋼行業的大宗消耗件,其主要失效形式是磨損[1-3]。全國每年因磨損而消耗軋輥 100多萬 t,隨著我國工業的飛速發展,對軋輥的需求量日益增加。因此,對軋輥的磨損研究是很有必要的。

軋輥、鄂板、錘頭等這些耐磨件如果整體采用高硬度材料制備,不僅會提高生產成本,而且會增加對非工作面進行機械加工的難度,基于此雙金屬復合材料應運而生。耐磨件采用雙金屬復合材料,就是工作面采用高硬度高耐磨材料而非工作面采用高韌性或加工性能好的材料,這樣既經濟又合理安全[4]。國內外絕大多數軋輥已由整體單一材質軋輥改為輥芯和工作層具有不同材質的雙金屬復合軋輥,其芯部采用高韌性的材質,工作層采用高耐磨性的材質,采用一定的制備工藝將兩者有機地結合起來,使軋輥既具有高耐磨性又具有良好的抗沖擊性能[5]。以往雙金屬復合軋輥均需開動兩臺爐子來分別熔煉工作層和芯部鐵水,為進一步拓展能源節約空間和簡化制備程序,本文采用一臺爐子同時冶煉出復合軋輥所需鐵水,通過外加高碳鉻鐵顆粒的方法采用離心法先制備出高鉻鑄鐵環,然后通過二次沖芯,獲得高鉻鑄鐵/球墨鑄鐵雙金屬復合結構軋輥。為進一步提高其性能,對不同奧氏體溫度下處理的試樣進行高速磨損研究,以達到改善性能,提高試樣壽命的目的。

1 實驗材料和方法

所用實驗材料為生鐵,75Si-Fe,高碳鉻鐵粉,球化劑,孕育劑等。所設計雙金屬復合結構軋輥表面耐磨層即高鉻鑄鐵層的化學成分見表1。

表1 高鉻鑄鐵的化學成分 質量分數/%

在50 kg中頻感應爐中熔化爐料,待溫度達 1 680～1720℃時,出爐將一部分鐵水倒入一定量澆包中,同時啟動離心機將轉速調整至設計轉速。然后將 1600℃左右的鐵水澆入旋轉的離心機模具中,同時混入預熱的高碳鉻鐵顆粒,獲得高鉻復合鑄鐵環。在鑄環內表面基本凝固后(1 000～1100℃),將高鉻鑄鐵環從離心機上取出,與預先造好的輥芯和輥頸鑄型進行組裝。在澆注高鉻鑄鐵環的同時將感應爐中剩余的鐵水進行成分調整、包內球化處理和孕育處理,然后澆入組裝好的鑄型中。輥芯鐵水澆注溫度為1 350～1380℃,凝固后獲得外層為高鉻鑄鐵、芯部為球墨鑄鐵的復合結構軋輥鑄件。

在復合軋輥輥身外表面不同處選取試樣點,經機械加工成圓柱形銷試樣。配副摩擦盤采用3Cr2W8V模具鋼制成,其硬度為HRC51。摩擦磨損試驗在MMS-1G高速磨損試驗機上進行,銷盤接觸法向載荷為50N,滑動速度為40m/s,磨損時間為120 s。磨損量采用稱重法獲得,每次實驗前后銷試樣用丙酮清洗,用精度0.lmg的LP3200D電子分析天平稱重,測定出銷試樣磨損質量損失。采用JSM-5610LV型掃描電鏡觀察分析銷試樣磨面的形貌特征。

2 實驗結果與分析

2.1 復合軋輥表面工作層及界面的微觀組織

圖1顯示復合軋輥高鉻鑄鐵層及結合界面的微觀組織。從圖1a中可看出:碳化物比較細小,形貌呈菊花狀、條狀、塊狀等。根據化學成分,Cr元素的質量分數在 11%～27%范圍內,且鉻碳比大于 3.5,碳化物應為密排六方結構的Cr7C3型,即(Fe,Cr)7C3;從圖1b中可看出:高鉻鑄鐵與球鐵的結合界面清晰,表面兩種合金達到良好的冶金結合。

圖1 復合軋輥高鉻鑄鐵層及界面的微觀組織

2.2 奧氏體化溫度對硬度和磨損量的影響

表2列出了奧氏體化溫度對硬度和磨損量的影響結果。在實驗溫度范圍內,隨著奧氏體化溫度的升高,硬度先升高后下降,在950℃時出現峰值。隨奧氏體化溫度升高,奧氏體中溶入的碳和鉻量增加,淬火轉變后馬氏體內碳和鉻的過飽和度增加,固溶強化增強,引起硬度的提高;當奧氏體化溫度過高時,奧氏體中固溶碳量過高,引起 Ms點的下降,殘余奧氏體量大量增加,基體的硬度降低,引起材料的硬度有所下降。

表2 奧氏體化溫度對硬度和磨損量的影響結果

在高速動載摩擦磨損條件下,試樣的磨損量在 950℃奧氏體化時磨損量較小?？梢?奧氏體化溫度對試樣高速動載摩擦磨損性能具有顯著影響,有一最佳奧氏體化溫度,此時耐磨性最好。摩擦面在微觀上只是微凸峰之間的緊密接觸,摩擦面的實際接觸面積是微凸峰直接接觸面積的總和。在法向載荷作用下,微凸峰發生變形,使摩擦面實際接觸面積增大。不同奧氏體化溫度下,形成了不同硬度的試樣,950℃奧氏體化時,銷試樣表面的硬度最高,相應摩擦盤表面突出峰壓入銷試樣表面的深度較淺,相互切削時的微小接觸面積較小,減薄了切削層及變形層厚度,從而減少磨損,耐磨性提高[6-7]。當化學成分一定時,奧氏體化溫度越高,奧氏體中固溶碳量越多,淬火后試樣中的殘余奧氏體量越多,900℃和 950℃奧氏體化時,銷試樣中少量的殘余奧氏體量可增加馬氏體的退讓性而降低磨損[8-9]。上述幾方面的共同作用體現為試樣的磨損量隨奧氏體化溫度的變化呈曲線態勢。

2.3 磨損表面形貌分析

磨損實驗時,銷試樣與勻速旋轉的摩擦盤相摩擦,兩者之間相對滑動,主要是滑動磨損。高鉻白口鑄鐵中碳化物的硬度遠高于基體組織,在摩擦過程中,較軟的基體被優先磨損或發生塑性變形,碳化物突出于表面,在摩擦副接觸應力作用下,碳化物相被壓碎而脫落,脫落的碳化物顆粒在摩擦副中形成磨粒磨損。圖2為不同奧氏體化溫度下試樣磨面的掃描電鏡照片。由圖2可知:磨損表面均存在有顯微切削磨痕,是較典型的磨粒磨損。這可能是由于銷試樣和摩擦盤存在的微凸體、微小硬質點和脫落的磨屑相互之間產生微切削的結果。900℃和 1000℃奧氏體化時,磨損表面存在塑性變形,并存在較深的犁溝,這可能是由于此時基體的硬度相對較低,抗壓變形能力較弱引起的。950℃奧氏體化時,磨損表面存在少量“粘著”,這是由于一方面此時基體的硬度相對較高,磨損面的實際接觸面積較小,壓應力相對大,以致表面出現一些“點焊合”現象,另一方面試樣摩擦初期產生的磨屑在摩擦應力的作用下發生碾壓變形,貼合于摩擦表面。

圖2 不同奧氏體化溫度下磨損表面磨損形貌

3 結論

(1)采用單爐熔煉鐵液,可制備高鉻鑄鐵/球墨鑄鐵復合軋輥,兩種合金達到良好的冶金結合。

(2)復合軋輥的硬度受奧氏體化溫度控制,并對材料的耐磨性有顯著影響。

(3)奧氏體化溫度對高鉻復合軋輥的耐磨性有顯著影響,950℃奧氏體化時磨損量最小,900℃和1000℃奧氏體化時,磨損表面存在塑性變形,并存在較深的犁溝,950℃奧氏體化時,磨損表面存在少量“粘著”。

[1] 符定梅,符寒光.復合軋輥制造技術的研究進展[J].大型鑄鍛件,2006(2):48-52.

[2] 黃慶學,申先憲,梁愛生,等.軋機軸承與軋輥壽命的研究及應用[M].北京:冶金工業出版社,2003.

[3] 楊雄,魏世忠,李繼文,等.過共晶超高鉻鑄鐵合金的組織與性能[J].河南科技大學學報:自然科學版,2008,29 (3):9-12.

[4] 李秀青,宋延沛.雙金屬復合軋輥鑄造工藝的研究現狀與展望[J].材料研究與應用,2010,4(3):164-168.

[5] 孫立斌.電渣熔鑄生產雙金屬復合材料的試驗研究[J].鑄造技術,1997,17(2):3-5.

[6] 克拉蓋爾斯基.摩擦學原理[M].北京:機械工業出版社,1982.

[7] 徐流杰,魏世忠,邢建東,等.硬度及沖擊韌性對高釩高速鋼磨損穩定性的影響[J].摩擦學學報,2006,26(4):377-381.

[8] 張志璞.高鉻鑄鐵的熱處理、性能及應用:上冊[J].中國建材裝備,1992(4):15-18.

[9] 宋延沛,羅全順,謝敬佩,等.奧氏體化溫度對低合金鋼三體沖擊磨損性能的影響[J].熱加工工藝,1994(4):6-7.