耐磨鋼球模鍛與自由鍛工藝比較

汪有才，路 遠，于 浩

（1.銅陵有色金神耐磨材料有限責任公司，安徽 銅陵 244000；2.北京科技大學材料學院，北京 100089）

耐磨鋼球作為自磨機中的磨損介質(zhì)，被廣泛用于冶金礦山、水泥建材、火力發(fā)電等重工業(yè)領域[1]。隨著生產(chǎn)力的不斷進步，礦業(yè)行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)磨球的年消耗總量也在不斷提高，保守估計為180-250萬噸左右，其需求量還在不斷增加[2,3]。而目前，常見的耐磨鋼球成型工藝主要為鑄造、鍛造和軋制這三種。而針對大直徑的鋼球來說，其主要的生產(chǎn)工藝多為鍛造和鑄造，其中鑄球的需求量最大，而鍛造磨球的前景最好。由于鍛造鋼球所采用的坯料為熱軋圓鋼，這要求有比較大的塑性變形量，且在冶煉過程中還需控制內(nèi)部夾雜物含量，這使得鍛球采用的棒坯內(nèi)部組織致密，且無顯微裂紋、縮孔、白點等缺陷。另外，鍛球成型過程中存在再次加熱和熱加工情況，因此與鑄球相比，鍛球有以下這些特點：首先，鍛造速度要比鑄球要快，產(chǎn)量高，且球型和表面質(zhì)量良好；其次鍛造磨球成型過程變形量較大，因此其內(nèi)部組織和晶粒尺寸更為均勻細小，使得鍛球的硬度高、韌性好，不易破碎；再次，鍛球取代低鉻、中鉻、高鉻系合金鑄球[4]，這會在很大程度上減少鉻礦的消耗，降低對環(huán)境的污染，這也符合我國對工業(yè)環(huán)保的要求[5,6]；最后，從性能的角度考慮，鋼球的含鉻量對其耐磨性能有很大的影響，也就是說，含鉻量越高耐磨性就越好，但鉻元素會增加鋼球的易腐蝕傾向，鉻含量越高也會使磨球越容易被腐蝕，特別是若礦石中硫的含量較高時，會進一步提高這種傾向。故鑄造成型的鉻系磨球在濕磨工況下的使用壽命會在很大程度上受到限制，達不到預期效果[7]。

而鍛造磨球也存在兩種不同的成型工藝，即自由鍛和模鍛[8,9]。自由鍛是在工人憑經(jīng)驗操縱自由錘，利用錘自上而下的沖擊力對坯料施加變形，使圓棒得到所需要的外部形狀及內(nèi)部性能的鍛造加工工藝；而模鍛是把將坯料固定于模鍛設備上的模具內(nèi)進行一次成型的鍛造工藝。本文基于B3鋼材質(zhì)，采用自由鍛和模鍛的磨球成型工藝，得到直徑120mm的耐磨球，并對其組織和性能進行比較分析，從而對今后的生產(chǎn)提供指導作用。

1 實驗方案

1.1 成型工藝

模鍛工藝：將直徑為Φ80mm的棒坯，鋸切成長度為175mm的圓柱棒材后，采用中頻爐加熱，再利用2T全自動模鍛錘鍛打，最后在空氣中緩冷到室溫。

自由鍛工藝：將直徑為Φ80mm的棒坯，鋸切成長度為175mm的圓柱棒材后，采用中頻爐加熱，再利用750kg空氣錘鍛打，鍛打次數(shù)為40錘，最后在空氣中緩冷到室溫。

兩種工藝生產(chǎn)的磨球試樣均為B3鋼材質(zhì)，表1為B3鋼的合金成分。

表1 B3鋼與B6鋼主要合金成分比較(wt%)

1.2 取樣

由于此次需要檢測的試樣來自于兩種不同的成型工藝，故將其分成兩組。為了保證檢測結(jié)果盡可能地全面可靠，在參考金屬流線實驗的結(jié)果下，在這兩組中，各采用一個半球進行試樣制備，取樣結(jié)果如圖1所示。

由于鋼球的直徑為120mm，故在耐磨球的縱向從上到下每間隔5mm依次取一個10×10×20的試樣，而在45°方向上和橫向上的半徑1/2處以及邊緣處各取兩個10×10×20的試樣。

圖1 磨球取樣位置分布

1.3 實驗過程

金相組織分析：對兩組試樣采用不同目數(shù)SiC砂紙進行研磨后，在拋光布上拋光，然后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕后，最后在光學顯微鏡下觀察顯微組織，并對模鍛和自由鍛工藝下組織形貌進行對比分析。

顯微硬度測試：對模鍛和自由鍛磨球不同位置試樣進行顯微硬度測試，記錄兩種工藝下磨球不同位置的硬度值，了解鋼球的硬度分布情況。

金屬流線實驗：沿著縱向?qū)υ嚇尤≌麄€圓面或者半個圓面，將表面磨光后使用1：1鹽酸水溶液加熱到60℃～80℃腐蝕一段時間，即可看到試樣縱切面的金屬流線。比較模鍛和自由鍛流線差異，并分析流線對磨球性能的影響。

常溫沖擊功測試：根據(jù)金屬流線布，分別在流線密集的中心區(qū)域以及無明顯流線的邊部區(qū)切取10mm×10mm×55mm的沖擊試樣，比較分析不同工藝之間沖擊性能的差異以及流線對沖擊韌性的影響。

高溫共聚焦實驗：由于試樣的顯微組織在光學顯微鏡下難以分辨晶界，為了比較分析不同工藝之間的晶粒度差異，采用高溫共聚焦實驗，在晶粒度差異最大的邊部位置分別取Φ7×2.5mm的圓柱樣各數(shù)個，經(jīng)研磨拋光后，將表面質(zhì)量最好的兩組試樣置于共聚焦顯微鏡下進行實驗。將試樣加熱到奧氏體化溫度以上，在高溫下，進行對材料組織結(jié)構變化的實時、原位以及高清晰觀察與分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

從圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，試樣的顯微組織是由索氏體和少量的白色珠光體組織構成的。而具有清晰片層結(jié)構的珠光體的數(shù)量從表面到心部呈上升趨勢。分析原因，在鋼球在鍛造后的空冷過程中，由于其尺寸較大，使得鋼球內(nèi)部溫度要遠大于表層，轉(zhuǎn)變溫度較高，導致中心位置形成了更多片層間距較粗的珠光體組織，而表層由于轉(zhuǎn)變溫度低，因此在表面位置產(chǎn)生了更多片層間距較細的索氏體組織，這兩者均為鐵素體和滲碳體的兩相混合物，只有粗細之分，并無本質(zhì)區(qū)別。

2.2 顯微硬度實驗分析

圖3 模鍛與自由鍛縱向硬度對比

對兩組試樣進行顯微硬度測試，如上圖3所示，為兩種工藝下鋼球沿縱向的硬度分布，其中橫坐標的0刻度線為鋼球的上表面，120刻度線為鋼球的下表面。由圖可知，模鍛試樣在各個位置的硬度值要明顯高于自由鍛的數(shù)值，兩者在中心處及接近中心處的硬度值相差不大，但自由鍛試樣沿縱向的硬度分布更加均勻，沒有較為劇烈的起伏波動。

下圖4、5所示，為模鍛和自由鍛試樣不同位置，從表面到中心的硬度分布從中心到表面的硬度分布。其中1#為橫向，2#為縱向，3#為沿45°方向。從圖上可以看出，兩者在這各個方向上的硬度值相差不大，而模鍛硬度相對較高一些，但模鍛試樣各方向上的最大硬度差值為86.1HV，而自由鍛試樣僅為40.4HV，這進一步說明了自由鍛在各個方向上的硬度分布更加均勻。

圖4 模鍛鋼球不同位置硬度分布

圖5 自由鍛不同位置硬度分布

2.3 金屬流線實驗

為了分析不同成型工藝下，磨球的金屬流動規(guī)律，對兩組鋼球制樣后進行金屬流線實驗。下圖6是四種試樣的金屬流線圖，試樣是沿著縱向切下來的半徑為3mm的圓片，經(jīng)鹽酸腐蝕后的結(jié)果。可以看出，相對于模鍛試樣，自由鍛試樣的流線線條更加細致。這是由于自由鍛試樣鍛打錘數(shù)更多，與模鍛相比，沿各個方向的變形量上下波動較小，使得有間雜物、偏析等形成的金屬流線分布也更均勻。

從橫向上的分布來看，模鍛的流線模糊且較較為稀疏，經(jīng)測量，其流線距試樣邊部距離約30mm，而自由鍛試樣的流線距邊部約35mm。這樣會導致實際應用中，在表面淬硬層被磨掉之后，模鍛試樣由于鍛造流線粗糙且范圍大，更加容易磨損失效。

圖6 模鍛和自由鍛金屬流線分布

2.4 高溫共聚焦實驗

由于試樣常溫在光學顯微鏡下金相組織的晶界并不明顯，對晶粒度的統(tǒng)計測量較為困難。為了對比分析B3鋼模鍛與自由鍛之間晶粒度的差異，故進行高溫共聚焦實驗。由于鋼球在實際應用過程中，其受力磨損主要體現(xiàn)在表面，故在其邊部取直徑7mm，厚度為2.5mm的圓片試樣，將其加熱到鋼球的出爐溫度1150℃，為了避免晶粒長大，保溫時間設定為2min。根據(jù)實驗過程中拍攝的組織照片，運用ProImaging軟件分別對兩種鋼球的晶粒度進行統(tǒng)計，結(jié)果如下表2所示。

表2 模鍛和自由鍛晶粒尺寸比較

從上表中可以看出，模鍛試樣的晶粒度尺寸較大，約為74um，平均晶粒度等級為4.5，而自由鍛試樣的晶粒度尺寸較小，約為41um，平均晶粒度等級為6。且從兩者的晶粒尺寸結(jié)果上分析，可以發(fā)現(xiàn)，模鍛試樣的晶粒尺寸大小波動較大，最大差值為49um，而自由鍛試樣波動范圍小，最大差值僅為3um。從下圖7中也可以看出，自由鍛試樣的晶粒更為均勻，而模鍛試樣的晶粒存在異常長大現(xiàn)象。分析原因，一方面是由于自由鍛的成型時間較長，磨球的變形程度更大，且在各個方向上所承受的鍛打力較為均勻。而模鍛由于成型時間有限，所以變形并不均勻；另一方面自由鍛所測試樣的出爐溫度較低，僅為1026℃，而模鍛試樣的出爐溫度為1160℃，這極易導致晶粒進一步長大。

2.5 常溫沖擊實驗

根據(jù)金屬流線實驗的結(jié)果，分別對兩組試樣流線密集的心部和無明顯流線分布的邊部取10mm×10mm×55mm的試樣，進行常溫沖擊實驗，實驗結(jié)果如下表3所示。從表中可以看出，自由鍛試樣在心部和邊部處的沖擊功均大于模鍛，這可能是由于自由鍛試樣鍛打次數(shù)較多，沿各個方向上的應變量波動較小，其金屬流線分布較為均勻，且其熱加工過程較長，磨球在變形過程中動態(tài)回復所引起的軟化作用更為明顯，導致其殘余應力和應力集中程度較小，試樣的韌性更好。

表3 三組試樣不同位置沖擊功結(jié)果(J)

3 結(jié)論

我們針對模鍛和自由鍛成型磨球的工藝特點，從實際生產(chǎn)實踐的角度出發(fā)，從金相組織、硬度分析、金屬流線檢測、高溫顯微組織觀察以及沖擊性能分析這幾個方面著手，綜合比較了這兩種工藝對成型磨球的使用性能上的差異，并得出如下結(jié)論：

（1）從金相組織的角度來看，在檢測的三組試樣方面，采用不同成型工藝得到的B3鋼磨球，空冷后的顯微組織均為索氏體與珠光體的混合結(jié)構，且由于磨球直徑較大，內(nèi)外溫度差異較大，使得內(nèi)部的珠光體含量較高。

（2）從硬度檢測結(jié)果分析，自由鍛試樣的硬度分布要比模鍛的更加均勻，但模鍛的硬度值較高。結(jié)合塑性變形規(guī)律，我們認為可能是成形溫度低以及變形程度大使得材料加工硬化程度高，從而表征在硬度方面。

（3）通過對兩組試樣的金屬流線檢測，我們發(fā)現(xiàn)模鍛試樣的流線較為粗糙，分布范圍較大，這會導致其在使用過程中更加容易磨損失效。

（4）通過對模鍛和自由鍛高溫組織比對觀察發(fā)現(xiàn)，自由鍛試樣的晶粒尺寸要比模鍛的細小一些，且排列更為均勻。這一方面是由于自由鍛成型過程變形更均勻。另一方面，也與自由鍛試樣的出爐溫度較低有關。

（5）通過常溫沖擊實驗，我們發(fā)現(xiàn)自由鍛試樣的沖擊韌性要優(yōu)于模鍛試樣，這是由于模鍛成型過程中磨球在各個位置上的變形量不一致，且變形過程較短，動態(tài)回復機制所引起的軟化作用并不明顯，使得模鍛試樣的沖擊結(jié)果并不理想。

綜上所述，通過對兩種試樣各種性能指標的檢測，我們不難發(fā)現(xiàn)，兩種工藝各有優(yōu)缺點：自由鍛工藝生產(chǎn)效率較低，但鋼球在鍛造時的變形更均勻，使用性能更好，而模鍛工藝的優(yōu)點則是生產(chǎn)效率高。