熱處理工藝參數對礦用磨球力學性能的影響研究

陳 曦,代文彬,祁永峰,王書曉,陳學剛

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

磨球廣泛應用于金屬礦山、建材水泥、火力發電、耐火材料、化肥化工等行業領域,全球每年的消耗量高達3 000～5 000 萬t,其中我國的年消耗量為300～500 萬t[1]。作為磨礦介質的磨球,其使用壽命與粉磨工序的成本密切相關,提高磨球使用壽命已然成為相關行業降本增效的重要手段。鉻系鑄鐵作為一種優異的耐磨材料,其降耗節球增益效果較好,耐磨性是普通鋼球的10 倍以上[2],被普遍應用于球磨機磨球。其中,高鉻磨球以其優異的抗磨料磨損能力而應用最為廣泛[3-5]。高鉻鑄球基體組織一般為馬氏體,硬度較高,但沖擊韌性較差,在使用過程中易出現斷裂或表層剝落等脆性失效,而硬度和韌性往往是互相制約的,也是決定耐磨性能的重要因素。

因此,為提升某礦用高鉻磨球的強韌匹配,滿足其在較高工況下同時具有高耐磨性及沖擊韌性的要求,本文利用馬弗爐和顯微組織觀察和物相分析等表征手段,對礦用磨球的熱處理參數進行優化實驗,探索了奧氏體化溫度、奧氏體化保溫時間、回火溫度、回火保溫時間對磨球的洛氏硬度和沖擊韌性的影響規律,為合理熱處理制度的建立提供理論依據。

1 實驗材料及方法

本實驗材料采用某廠的鑄態ZQCr12 高鉻磨球,其化學成分及該廠產品磨球力學性能見表1,可知產品磨球的沖擊韌性較差、僅為3.24 J,強韌性匹配有待進一步提升。

表1 實驗用ZQCr12 磨球的成分及成品球的力學性能

本實驗的馬弗爐熱處理工藝參數探索實驗的具體工藝路線如圖1 所示,各參數試驗范圍為:奧氏體化溫度選取850～1 000 ℃,奧氏體化保溫時間為1～5 h,淬火介質選用淬火油,回火溫度為200～600 ℃,回火保溫時間為1～5 h。溫度梯度為50 ℃,保溫時間梯度為1 h。同時,為與磨球的生產情況保持一致,實驗試樣采用原始尺寸的鑄球直接進行熱處理,并選用三個平行樣品進行試驗。

圖1 馬弗爐淬、回火熱處理工藝路線

利用線切割對磨球進行取樣測試,其中:硬度測試試樣的規格為30×10×10 mm,利用RB2000-T型洛氏硬度計按照GB/T 230.1—2018 標準[6]相關要求進行洛氏硬度測試;采用10×10×55 mm 的無缺口沖擊試樣,利用JB-300B 型半自動擺錘式沖擊試驗機按照GB/T 229—2020 標準[7]相關要求進行沖擊功測試;按照鑲-磨-拋-侵流程制備金相樣,利用MX6R 型光學顯微鏡和7900 場發射掃描電鏡進行顯微組織分析;采用連續式掃描,利用Bruck-D8 Advance 型X 射線衍射儀進行XRD 測試,靶材為銅靶,衍射峰掃描范圍為10°(2θ)～90°(2θ)。

2 實驗結果與討論

2.1 淬火條件對磨球組織和性能的影響

不同淬火條件下磨球的力學性能如圖2 所示。由圖2(a)可知,隨著奧氏體化溫度的升高,磨球的洛氏硬度呈現升高而后降低的趨勢,淬火溫度為950 ℃時硬度最高,為60.98 HRC,與產品磨球的洛氏硬度59.5 HRC 相比提高了2.5%,淬火溫度過高或過低均導致磨球的硬度不足,低于產品磨球的硬度;隨著溫度的提高,磨球沖擊功呈連續下降趨勢,從850 ℃的6.72 J 降低到1 000 ℃的4.45 J,但經熱處理實驗后的試樣,其沖擊功普遍高于廠家產品球沖擊功,最低可實現37.3%的提升。綜合考慮磨球硬度和韌性,950 ℃是較為理想的奧氏體化溫度,選擇此奧氏體化溫度進行后續實驗[8]。

圖2 不同淬火條件下磨球的力學性能

如圖2(b),當奧氏體化溫度為950 ℃時,隨著奧氏體化保溫時間由1 h 延長至4 h,磨球洛氏硬度呈整體上升趨勢,中心硬度從60.25 HRC 提高至61.00 HRC,磨球的沖擊功隨著保溫時間的延長呈連續上升后保持的趨勢,在保溫3～4 h 時,沖擊功最高為5.35 J;隨著保溫時間由4 h 進一步延長至5 h,磨球的硬度和沖擊功均略有下降。并且,當奧氏體化火保溫時間由3 h 延長至4 h,磨球的硬度和沖擊功提升并不明顯,從節能減排降成本方向考慮,奧氏體化保溫時間選擇3 h 更為合適。

磨球的性能變化與顯微組織特征密切相關,如圖3 所示,不同奧氏體化溫度時磨球的顯微組織均由馬氏體、碳化物和奧氏體組成。由圖4 可知,隨著奧氏體化溫度的升高,合金元素的擴散速度加快,溶解到奧氏體中的Cr、C 等合金元素的含量增多,淬火后作為合金基體的馬氏體中的合金元素增多,馬氏體硬度提高,基體組織的硬度增加,磨球的洛氏硬度隨之增加。從形態上看,隨著奧氏體化溫度的升高,碳化物的形態和分布得到一定改善,長片狀碳化物逐漸呈現短棒狀、碎塊狀和菊花狀,碳化物的細化亦有利于硬度的提高。由圖3(e)～(h)可知,隨著奧氏體化溫度的升高,殘余奧氏體含量增加:當奧氏體化溫度過高時(950～1 000 ℃),溶入奧氏體中的碳化物數量增多,奧氏體中合金元素的含量較高,提高了奧氏體的穩定性,越多的一次碳化物溶解進奧氏體中,淬火后組織中的殘余奧氏體占比增加,一次碳化物占比減少,硬度降低;同時,鑄態奧氏體過飽和溶入的碳及合金元素,在熱力學上處于不穩定狀態,在淬火過程中以二次碳化物的形式析出,但當奧氏體化溫度過高時,碳和合金元素的溶解加劇,使得二次碳化物重新溶入到基體之中,導致析出的二次碳化物減少,奧氏體穩定化程度增加,MS降低,碳化物減少,殘余奧氏體量增多,馬氏體量減少,洛氏硬度值降低。因此,隨著奧氏體化溫度的升高,磨球的洛氏硬度因組織中合金元素含量的變化、碳化物的形貌轉變以及物相組成的變化呈現先升高而后降低的現象,磨球的沖擊韌性由于顯微組織粗化而降低。

圖3 不同奧氏體化溫度下磨球的顯微組織及物相組成

圖4 實驗磨球的(a)平衡相組成和(b)奧氏體的元素組成變化

不同奧氏體化保溫時間時磨球的顯微組織仍以馬氏體、碳化物和奧氏體為主,如圖5 所示,與奧氏體化溫度相比,不同奧氏體化保溫時間下磨球的顯微形貌變化不大,因而磨球的洛氏硬度僅在60～61 HRC 較小范圍內波動,當保溫時間為3 h 時,組織中的M7C3碳化物含量最多而γ 奧氏體占比含量最少,其洛氏硬度亦最高,而繼續延長保溫時間,由于碳化物含量的減少,洛氏硬度反而有下降趨勢,沖擊功同樣隨著磨球組織的粗大略有下降,綜合性能結果和組織特征,3 h 為較為適宜的奧氏體化保溫時間。

圖5 不同奧氏體化保溫時間下磨球的顯微組織及物相組成

2.2 回火條件對磨球組織和性能的影響

以950 ℃保溫3 h 作為實驗的淬火條件,探索回火條件的優化提升磨球性能的較佳條件,其結果如圖6 所示。隨著回火溫度從200 ℃提高到600 ℃,磨球的硬度呈連續下降趨勢,由64 HRC 降低到43.83 HRC。不同回火溫度的磨球洛氏硬度均小于淬火態磨球洛氏硬度,當回火溫度≥550 ℃時,實驗磨球洛氏硬度小于鑄態磨球洛氏硬度,當回火溫度≥450 ℃時,磨球中心硬度＜60 HRC,從磨球硬度控制來看,回火溫度應≤400 ℃。此外,在200～400 ℃的回火溫度區間內,磨球的硬度下降趨勢較為平緩,而在回火溫度≥450 ℃時,硬度下降顯著。隨著回火溫度的升高,沖擊功呈波動性上升趨勢,在回火溫度為350 ℃和550 ℃時存在沖擊韌性下降的情況,即低溫回火脆性和高溫回火脆性現象,應避免在此兩種溫度下回火,當回火溫度≥300 ℃時,實驗磨球的沖擊韌性均可優于產品磨球水平,尤其是當回火溫度為300 ℃時,磨球中心洛氏硬度為62.58 HRC,沖擊功為4.92 J,當回火溫度為400 ℃時,磨球中心洛氏硬度為60.85 HRC,沖擊功為5.61 J,兩種回火溫度下的實驗磨球均具備優于產品磨球的較佳的強韌匹配。

圖6 不同回火條件下磨球的力學性能

如圖6(b),在300 ℃和400 ℃的回火溫度下,隨著回火保溫時間由1 h 延長至5 h,磨球的洛氏硬度均先上升后下降,尤其是當300 ℃回火保溫3 h時,磨球洛氏硬度為62.58 HRC,沖擊功為4.92 J,相比產品磨球分別提高了5.2%和51.9%,具備優良的強韌性匹配。當回火溫度為400 ℃時,僅當回火保溫時間為3 h 時,洛氏硬度可超過成品磨球水平,但提升并不明顯,且在其他保溫時間下,磨球硬度均無法達到成品磨球硬度水平,存在因控溫波動導致產品性能無法提高的風險,不宜選用400 ℃作為回火溫度。并且對比圖6(a)和(b)可知,回火溫度對磨球性能的影響比回火保溫時間更為顯著,應著重控制。

不同回火條件下磨球的組織特征如圖7 和圖8所示,磨球的組織仍由馬氏體、碳化物和殘余奧氏體組成。隨著回火溫度的提高,基體組織逐漸發生馬氏體的分解、殘余奧氏體的轉變、碳化物轉變及聚集長大過程,尤其是當回火溫度為≥500 ℃時,碳化物呈現明顯的聚集長大并球化趨勢,使得磨球的硬度下降明顯,沖擊韌性則隨著回火溫度的升高帶來的內應力的消除而有所提高。不同回火保溫時間下磨球的顯微組織并無明顯差異,均為基體組織上彌散分布著M7C3型粒狀碳化物:基體中的合金元素含量隨著碳化物的析出而降低,導致磨球硬度降低而韌性提高;回火過程中的二次碳化物的析出有利于磨球強韌性的增加,但長時間保溫碳化物將聚集長大而不利于性能的提高;殘余奧氏體分解而產生的γ相占比變化對磨球的硬度和韌性產生影響,多因素的共同作用使得磨球的洛氏硬度和沖擊韌性呈現小幅度變化。綜合磨球性能、顯微組織特征來看,300℃回火保溫3 h 為較佳的回火條件。

圖7 不同回火溫度下磨球的顯微組織及物相組成

圖8 當回火溫度為300 ℃時,不同回火保溫時間下磨球的顯微組織及物相組成

3 結論

本章利用馬弗爐,結合金相顯微組織形貌觀察、力學性能測試、XRD 能譜分析等多種手段,探索了奧氏體化溫度、奧氏體化保溫時間、回火溫度和回火保溫時間對ZQCr12 高鉻磨球洛氏硬度和沖擊韌性的影響,明確了該磨球力學性能優化的關鍵參數,得到以下主要結論。

1)隨著奧氏體化溫度從850 ℃升至1 000 ℃,磨球的洛氏硬度先升高后降低,沖擊韌性不斷下降;隨著奧氏體化保溫時間的延長,磨球的硬度和韌性均呈先升高而后降低趨勢,但變化量較少;隨著回火溫度的升高,磨球的硬度連續下降,沖擊韌性波動性上升;隨著回火保溫時間的延長,磨球的硬度和韌性均在一定范圍內波動。

2)對于實驗磨球較為理想的熱處理條件為:以淬火油為冷卻介質,奧氏體化溫度為950 ℃、奧氏體化保溫時間為3 h,回火溫度為300 ℃、回火保溫時間為3 h,所得磨球洛氏硬度為62.58 HRC,沖擊功為4.92 J,相比產品磨球可分別提高5.2% 和51.9%。

3)不同熱處理條件下磨球的顯微組織均由馬氏體、碳化物和殘余奧氏體組成,馬氏體基體的組織特征、碳化物的形態和分布、殘余奧氏體的占比共同影響磨球洛氏硬度和沖擊韌性的實現。