ZG70Cr3NiMo耐磨铸钢件热处理工艺的改进.pdf

～试验研究～ 窖阶／斗含、舍舍 全／斗， Z G 7 0 C r 3 N i M o 耐磨铸钢件热处理工艺的改进 姚宏伟1 ，黄汝清2 ，李大平2 ，姚德伟1 ，杨弋涛1 1 ．上海大学材料科学与工程学院，上海2 0 0 0 7 2 ；2 ．江西铜业集团 德兴 铸造有限公司，江西德兴3 3 4 2 2 4 摘要Z G 7 0 C r 3 N i M o 耐磨铸钢空冷淬火即可获得较高的表面硬度，但冲击韧度不足，即使淬火后采用较高 的回火温度仍不能确保良好的耐冲击性能。热处理工艺试验结果表明，采用9 5 0 ℃缓冷淬火、4 5 0 q C 回火缓冷的热处理工艺，可得到较均匀的硬度 约5 0H R C ，其马氏体组织也较为细小、均匀，从 而满足球磨机衬板的使用要求。 关键词耐磨铸钢；热处理；球磨机衬板；缓冷 中图分类号T G l 6 2 ．9文献标识码A 文章编号1 0 0 8 1 6 9 0 2 0 0 9 0 3 ．0 0 4 4 ．0 0 4 I m p r o v e m e n to nH e a tT r e a t m e n tP r o c e s sf o rZ G 7 0 C r 3 N i M o W e a r - r e s i s t a n tC a s tS t e e lP a r t Y A OH o n g w e i l ，H U A N GR u q i n 9 2 ，L ID a ．p i n 9 2 ，Y A OD e w e i l ，Y A N GY i ．t a 0 1 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，S h a n g h a iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i ，2 0 0 0 7 2 ； 2 ．J i a n g x iC o p p e rI n d u s t r yG r o u p D e x i n C a s t i n gC o ．，L t d ．，D e x i n3 3 4 2 2 4 ，J i a n g x i A b s t r a c t Z G 7 0 C r 3N i M ow e a r - r e s i s t a n tc a s ts t e e lp a r tw i l lp r o v i d eh i g h e rs u f f a c eh a r d n e s sb u ti n s u m c i e n ti m p a c t t o u g h n e s sa f t e ra i r - q u e n c h i n g ．F i n ei m p a c tp r o p e r t yo fZ G 7 0 C r 3 N i M os t e e lc a n ’tb eo b t a i n d e de v e na f t e rh i g ht e r n p e r a t u r et e m p e r i n g ．T h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s st e s tr e v e a l st h a tr e l a t i v e l yu n i f o r mh a r d n e s s a b o u t5 0H R C 1a n d f i n e - - u n i f o r mm a r t e n s i t ec a nb eo b t a i n e db ym e a n so fq u e n c h i n gf r o m9 5 0o Cw i t has l o wc o o l i n gr a t ea n ds u b s e - q u e n t l yt e m p e r i n ga t4 5 0 ℃a n ds l o wc l l o i n gf o rZ G 7 0 C r 3N i M os t e e l ．t h u sm e e t i n gt h en e e d so fb a l lm i l ll i n e ri n s e r v i c e ． K e yw o r d s w e a r r e s i s t a n tc a s ts t e e l ；h e a tt r e a t m e n t ；b a l lm i l ll i n e r ；s l o wc o o l i n g 目前，国内矿场每年需要消耗大量的耐磨材料， 最主要的是用于对矿料进行粉碎处理的球磨机。球 磨机的衬板由于工作时受到大量矿石的冲击，磨损 严重。一旦衬板的厚度磨损到一定程度就要停止生 产，更换衬板，但过于频繁的更换又影响生产效 率‘1 I 。 矿场现在主要采用Z G M n l 3 钢作为衬板材料。 高锰钢具有加工硬化特点，但是无论是干式还是湿 式球磨机，衬板只受到中小能量冲击作用，只有偶发 的大能量冲击功，因此高锰钢衬板的加工硬化作用 往往得不到充分发挥而不能获得良好的抗磨效 果L 2J 。未经冲击的Z G M n l 3 钢表面硬度为2 0 ～2 2 H R C ，经过冲击的表面硬度为3 0 ～3 5H R C ，都远低 于磨料和研磨介质的硬度。冲击能量过低导致 M n l 3 钢的加工硬化性能不能发挥；表面过软，在使 用过程中磨损比较严重。另外，由于Z G M n l 3 钢的 基体较软，长期使用中易发生塑性变形，使拆换变得 非常困难，其表面被磨球和磨料磨成条条深沟或深 坑，导致较短使用时间内就报废口‘4 1 。 Z G 7 0 C r 3 N i M o 钢是一种新型的耐磨材料，合金 元素N i 和M o 的存在有效地提高了淬透性，可代替 高锰钢作为球磨机衬板，使衬板的热处理变得更为 容易，奥氏体化后空冷即可得到淬火组织，适合于大 型铸件的生产∞J 。试生产时的热处理工艺为工件 加热保温后空淬，结果冲击韧度较低，且稳定性较 差。本研究拟采用减缓淬火和回火冷却速度的方 法，适当减少空淬时马氏体的含量，增加基体内珠光 体的比例，旨在减少中温回火冷却过快产生的应力， 收稿日期2 0 0 8 0 7 3 0 作者简介姚宏伟 1 9 8 5 一 ，男，江苏江都人，本科生、学士。通讯作者杨弋涛 1 9 6 4 一 ，博士，副教授。联系电 话0 2 1 5 6 3 3 4 4 6 5 E - m a i l y y t s t a f f ．s h u ．e d u ．C l l 4 4 ‘ 热处理2 0 0 9 年第2 4 卷第3 期 万方数据 球磨机雷蒙磨粉机 得到均匀细小的内部组织，确保在不降低材料耐磨 性的前提下提高其冲击韧度，更好地满足球磨机的 使用要求。 1试验方法 1 ．1 热处理工艺 试验采用高温箱式炉。原热处理工艺为工件 加热到7 0 0 ℃保温2h ，再升温至9 5 0 ℃，空淬至室 温后再加热至4 5 0 ℃保温2h 回火，空冷。结果试 样的平均硬度为5 1 ．3H R C ，但冲击韧度在2 3 3 2 J ／c m 2 之间波动。将回火温度提高到5 2 0o C ，则冲击 韧度下降到1 1 2 0J ／c m 2 【6 | 。 马氏体含量越高，钢的耐磨性越高，但不利于保 证有较好的冲击韧度。经上述工艺热处理后的表面 硬度已高于球磨机衬板的耐磨要求，适当减少心部 的马氏体含量不仅不影响表面的耐磨性，而且可提 高零件整体的冲击韧度。本研究通过控制淬火冷却 时间、降低冷却速度，使试样心部产生一定量的珠光 体，并使组织细化。适当减缓回火冷却速度的目的 在于减少高温回火冷却过快产生的内应力，但应注 意避免产生第二类回火脆性‘卜9 [ 。经试验摸索得出 的热处理工艺如图1 所示。 p ＼ 蜊 赠 时间 图1 热处理工艺 F i g ．1 H e a tt r e a t m e n tp r o c e s sf o rZ G 7 0 C r 3 N i M oe a s ts t e e l 1 ．2 冷却速度的测定 为了比较空淬与砂淬在冷速上的差别，采用计 算机记录冷却温度的方法测定冷速。将试样加工成 1 0m l Y l 1 0m m 2 0m m ，并在其端部焊上热电偶， 然后埋人放有石英砂的坩锅中。将试样加热至9 5 0 ℃，每保温1h 取出一个试样进行空淬，剩余试样与 坩锅一起出炉冷却。 2 试验结果与讨论 2 ．1 冷却速度 一组测温结果如图2 所示，测试至8 0 ℃结束。 由图2 可大致看出，空淬试样在7 0 0S 即告完成，而 图2Z G 7 0 C r 3 N i M o 钢试样空冷和砂冷的冷却速度 F i g ．2C o o l i n gr a t eo fZ G 7 0 C r 3N i M os t e e ls a m p l e s i na i ra n ds a n d 通过与相似材料C C T 图的对比0 | ，空淬能获 得全马氏体组织。砂淬明显降低了冷速，试样心部 冷却穿过C C T 图“鼻子”区域时，生成的马氏体量减 少，预计将产生一定量的贝氏体或珠光体。 2 ．2 硬度 分别测定了空淬和砂淬试样的心部和表面硬 度，结果如图3 所示。 5 5 5 4 5 3 星5 2 螽5 1 酗5 0 4 9 4 8 4 7 4 6 4 5 O ．00 ．5I ．01 ．52 ．02 ．5 距试样心部的距离／r a m 图3经不同工艺淬火后Z G 7 0 C r 3 N i M o 钢试样的硬度分布 F i g ．3 H a r d n e s sp r o f i l ei nZ G 7 0 C r 3 N i M os t e e ls a m p l e s q u e n c h e di nd i f f e r e n tm e d i u m s 由图可见，减缓冷速降低了硬度，心部更为明 显，说明砂淬取得了预期的效果。砂淬后硬度值从 心部向表面逐渐上升，表面达到最高，并且数值比较 稳定，未出现空冷那样的波动。沿径向逐渐增加的 硬度能保证球磨机工作时表面耐磨，受到大能量冲 击时发生断裂等损坏现象的几率降低。但砂冷淬火 后的表面硬度略低于设计要求的5 1H R C ，这可以通 砂淬的试样大约经过30 0 0S 才冷至8 0 ℃。 过调整砂层厚度来控制表面的冷却速度，从而使表 热处理2 0 0 9 年第2 4 卷第3 期 4 5 ‘ 万方数据 面硬度达到要求。 2 ．3 显微组织 砂淬和空淬试样的显微组织如图4 所示。由此 可见，砂淬试样的铸态组织均匀细小，马氏体量有所 减少。在冷却的中后期，将生成一定量的贝氏体。 大型工件的表m f 冷却速度远大于心部，埋入砂中冷 却，可以确保铸件的浅表层获得足量的马氏体，而心 部由于冷速的降低，可以形成一定量的贝氏体或珠 光体组织，有助于提高材料的冲击韧度。 图4经不同工艺淬火后Z G 7 0 C 旧N i M o 钢试样的显微组织 a 砂淬； b 空淬 F i g ．4 M i c r o s t r u c t u r e so fZ G 7 0 C r 3N i M os t e e ls a m p l e sq u e n c h e di nd i f f e r e n tm e d i u m s a a i r q u e n c h e d ； b s a n d q u e n c h e d 2 ．4E D S 分析 对砂淬后的组织进行了扫描电镜能谱分析，以 4 6 l C { ，C r 。lN i 』，t 一，。一一“～。。．√i 。 确定微观组织对性能的影响。图4 a 中局部黑点 的随机成分定性分析结果如图5 所示。 S IM n I { “ l ’ l ， 0 A I n | } 。l { rl l H o M n I Il ‘ 。 。△』 二 二 。C _ r i i L 笠。。。。。。 2u 【J40 06U I J 8 ．0 U】0U U1 2O U 1 4U I J1 60 01 8 ．u u20 U 4 ．0 0 6 ． J U8U 1 0 ． J2 ．0 11 4 ． J 01 6 ．0 01 8 0 k e V k e V f a l b 图5 能谱定性分析结果 F i g ．5 R e s u l t so fe n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t r ya n a l y s i s a F e 2 0 3 ； 1 M n S 热处理2 0 0 9 年第2 4 卷第3 期 万方数据 分析结果未见合金元素的复合物，均为常规夹 杂物，分别为氧化铁和硫化锰。预计这将对材料韧 性产生不利影响，铸造时设法降低夹杂含量，还有进 一步改善性能的余地⋯1 。 对局部区域进行面扫描的结果 图6 所示 表 明，缓冷试样主要合金元素的分布相当均匀，有效地 确保了性能的稳定。 图6 试样的面扫描分析 F i g ．6 S u r f a e es c a n n i n ga n a l y s i sf o rl o c a la r e ao fZ G 7 0 C r 3N iM os t e e ls a m p l e 3结论 1 采用砂淬工艺在一定程度上能使 Z G 7 0 C r 3 N i M o 钢铸态组织和性能更为均匀稳定，马 氏体得到细化。 2 与空淬试样相比，在砂淬试样的内部观察 到了比较明显的氧化铁和硫化锰夹杂，铸造时应设 法减少。 3 砂淬工艺部分改善了工件内部组织，在表 面组织 性能 的准确控制方面仍有待进一步研究。 参考文献 [ 1 ] 任春红，徐如涛．球磨机衬板磨损的分析及应对措施[ 川机械 发计与制造，2 0 0 5 ，8 8 1 5 6 1 5 7 ． [ 2 ] 沈保罗，付守默，陈旭．两段淬火生产巾碳低合金钢衬板 [ J ] ．铸造．1 9 9 7 ， 6 2 5 - 2 6 ． 『3 ] 李德臣湿式球磨机衬板的牛产技术[ J 】．铸造技术，2 0 0 0 ， [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 8 6 - 7 ． 许利民．中碳低合金耐磨钢衬板的研制[ J ] ．热加工】艺， 2 0 0 5 ， 7 4 7 4 9 ． D uX i a o D o n g ，W a n g 。l i a Q i n g ．S u nG u 0 1 o n g ，e ta 1 ．E f | 1 e c to fC O l l l p o s i t i o no ni m p a c t W e a t “ b e h a v i o ro fa l l o yl i n e rs t e e l s i nc o r r o s i v e c o n d i t i o n [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c e ＆E n g i n e e r i n gA ，2 0 0 8 ，4 7 7 2 7 7 2 8 1 ． 姚宏伟．提高Z G 7 0 C r 3 N i M o 大型球磨机衬板的使用寿命研究 [ D ] 、上海} i 海大学本科生论文，2 0 0 8 ． 钱桦，习莨f l t ．淬火圆钢锯片回火残余应力的研究[ J ] ．北京 林_ k 大学学报，2 0 0 5 ，3 2 7 1 0 8 1 0 9 ． 赵家萍，李保成．回火过程对4 0 C r 钢淬火残余应力的影响 [ J ] ．热加工工艺，1 9 9 2 ， 3 1 l 1 3 ． 孙艮辉，王卜钢的两类同火脆性综述[ J ] ．矿山机械，2 0 0 3 ， 7 7 6 7 8 ． 肖福仁，乔桂英．8 6 C r M o V 7 钢的过冷奥氏体转变[ J ] ．特殊钢， 1 9 9 9 ．8 f 2 0 1 7 一l8 ． 黄钧声，陈浩然，曾秀敏，等．C r 2 0 高铬白f j 铸铁磨片的热处 理工艺[ J ] ．金属热处理，2 0 0 8 ，3 3 6 1 0 1 1 0 4 ． 热处理2 0 0 9 年第2 4 卷第3 期 4 7 万方数据