淬火方式對壓球機輥皮硬度的影響

孫國進，崔效炎，康 恩，郜可坤，郜志文，孫 力

(1.河南工學院，材料科學與工程學院，河南 新鄉 453003； 2.河南精誠汽車零部件有限公司，河南 新鄉 453000； 3.河南省機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450008)

煤粉、合金粉、鐵精粉、鋁灰粉、礦粉等是冶金行業常用的原料輔料，如果采用粉末狀態直接使用，會對環境產生極大的粉塵污染隱患[1-3]。目前主要采用壓球機將相應的粉料壓成球形或者橢球形，可以減少粉塵污染和便于運輸，也可以提高粉體的使用率。輥皮與粉料直接接觸，是壓球機的關鍵零件，因此材料的選擇和熱處理工藝的優化尤為重要。金屬粉和冶煉廢渣粉，要求輥皮具有較高硬度和耐磨性能，多采用合金鋼輥皮，如9Cr2Mo合金鋼等[4-5]。煤粉、粘土等細膩粉末，對輥皮材料要求相對較低，可選用65Mn鋼[6]。壓球機輥皮在與硬質粉體接觸成型的過程中，除正常磨損外，表面經常發生材料崩落(又稱刷邊失效)，特別是輥皮兩端尤為明顯。據不完全統計，因刷邊失效而不能使用的輥皮是造成壓球機停機、檢修的主要因素。個別國產輥皮在安裝后，成型粉體僅在10余噸就產生了刷邊失效，遠小于進口輥皮8000～10000 t的加工能力[7]。如何進一步提高國產輥皮的使用壽命來替代進口產品，已經成為我國壓球機生產企業所面臨的關鍵挑戰。

熱處理技術是提高輥皮使用性能的關鍵技術，常規單液淬火工藝處理的輥皮，可以得到表面均勻的硬度分布[8]；但是輥皮在成型粉體的過程中，表面中間位置和邊部位置的受力不均勻，邊角位置擠壓粉末的過程中處于不對稱的受力狀態，更容易產生刷邊失效[9-11]。此外，單液淬火處理的輥皮還會產生較大的熱處理變形。由于壓球機的輥皮是成對使用的，熱處理后的形變量必然會影響裝配精度，最終降低壓球機的使用壽命。雙液淬火作為處理大型零件的熱處理方法[12-15]，可以有效降低熱處理淬火過程中的組織轉變應力、改善冷卻條件，已經在傳動軸、齒輪上應用，并取得了良好地效果。為提高壓球機使用壽命，本文以9Cr2Mo鋼輥皮為研究對象，采用雙液淬火工藝對輥皮進行熱處理，討論雙液淬火工藝參數對輥皮組織和表面硬度的影響，最后統計了雙液淬火后輥皮的熱處理形變量，為提高9Cr2Mo鋼國產輥皮使用壽命提供數據支持。

1 試驗材料與方法

本文研究對象為外徑φ750 mm的9Cr2Mo輥皮，壓球機和9Cr2Mo鋼輥皮如圖1所示。9Cr2Mo鋼輥皮主要化學成分含量如表1所示。此鋼屬于Cr合金化高碳合金鋼，熱處理后Cr元素與C元素形成合金碳化物，從而大幅度提高輥皮表面硬度和耐磨性能。

圖1 (a)壓球機和(b)9Cr2Mo輥皮Fig.1 (a)twinroller machine and (b)9Cr2Mo roller sheet

表1 9Cr2Mo鋼化學成分(質量分數，%) Table 1 Chemical composition of 9Cr2Mo steel(mass fraction,%)

采用RQ-110-9型井式爐進行熱處理工藝試驗，奧氏化加熱工藝為870 ℃保溫3 h。奧氏體化后，分別采用淬火油單液淬火和水油雙液淬火兩種淬火冷卻工藝，單淬火入液方式為軸線垂直于液面，雙液淬火入液方式為軸線平行于液面。淬火后輥皮回火工藝為200 ℃保溫3 h。9Cr2Mo輥皮熱處理工藝過程如圖2所示。為確定最佳雙液淬火冷卻工藝，爐外預冷時間分別取1、3、5和8 min，雙液淬火預冷時間取1、2、3和5 min；單液淬火無預冷時間，出爐后直接完成淬火冷卻?；鼗鸷蟮妮伷?，使用便攜式硬度計檢測表面硬度，采用雙目倒置金相顯微鏡觀察表面金相組織。

圖2 熱處理工藝流程圖Fig.2 Schematic of heat treatment processes

2 結果與討論

2.1 單液淬火對輥皮表面硬度的影響

輥皮奧氏體化后采用常規單液淬火工藝處理后，表面硬度分布如圖3所示。從圖3可以看出，單液淬火、回火處理后，輥皮表面硬度為62～63 HRC，且表面硬度分布均勻。企業使用效果反饋可知，采用常規單液淬火、回火處理后，輥皮失效率較高，尤其是刷邊失效達到80%以上。究其原因，作者分析認為單液淬火過程中，輥皮出爐后直接轉移到淬火槽中完成淬火，輥皮表面形成了均勻的淬火組織，在回火之后最終形成了均勻的表面硬度分布。

從圖3可知，輥皮表面硬度波動在±0.5 HRC。但是單液淬火工藝下所得到表面硬度均勻的輥皮，使用壽命并不高。這是由于輥皮在工作過程中，表面中間位置和邊部位置的受力狀態不均勻，輥皮表面應力狀態不同，則輥皮表面力學性能也隨之改變。輥皮中間位置的應力狀態近似于三向受壓狀態，而邊部位置的應力狀態近似于兩向受壓、一向受拉。由于輥皮表面靠近兩端位置會產生一個拉應力狀態，為保證輥皮整體使用壽命，就需適當降低端部位置的硬度，從而提高韌性以改善輥皮整體壽命。

圖3 單液淬火表面硬度分布Fig.3 Hardness distribution after single liquid quenching

2.2 雙液淬火參數對輥皮表面硬度的影響

圖4為奧氏體化后采用雙液淬火工藝，輥皮爐外預冷1、3、5和8 min后表面硬度的變化。從圖4可以看出，隨著雙液淬火爐外預冷時間的變化，在輥皮表面形成了不同的硬度分布。當爐外預冷時間小于3 min時，輥皮表面形成了與單液淬火類似的硬度分布結果，即中間硬度與兩端硬度相對一致；當爐外預冷時間增加到5 min時，輥皮表面形成了中間硬度高于兩端硬度的梯度分布，且隨著爐外預冷時間的增加，輥皮整體硬度呈下降趨勢；當預冷時間增加至8 min時，輥皮表面硬度降低至55 HRC。

圖4 不同爐外預冷時間下輥皮表面硬度分布Fig.4 Surface hardness distribution under different precooling time

形成上述硬度分布的主要原因是爐外預冷過程中，在空氣介質的冷卻作用下，發生了貝氏體、珠光體等非馬氏體轉變。當預冷時間較短時，非馬氏體轉變數量較小，因此不同位置處的表面硬度沒有明顯差別；隨著爐外預冷時間的增加，爐外預冷時間達到3 min以上時，輥皮兩端部位置由于冷卻速度高于中間位置表面的冷卻速度，非馬氏轉變的程度加大。在隨后的淬火冷卻過程中，與兩端部位置相比，中間位置將會形成更多的馬氏體，最終得到中間硬度高于兩端硬度的梯度硬度分布。綜合考慮硬度對9Cr2Mo輥皮耐磨性的影響，當表面硬度低于50 HRC時材料表面耐磨性降低，因此選用5 min作為雙液淬火爐外預冷時間。

爐外預冷時間為5 min，不同雙液淬火預冷時間對輥皮表面硬度的影響如圖5所示。從圖5可以看出，雙液淬火工藝下，輥皮表面形成了預期的梯度硬度分布。隨著雙液淬火預冷時間的增加，梯度分布趨勢減弱。當雙液淬火預冷時間小于3 min時，輥皮表面可以得到明顯的中間硬度高邊部硬度低的梯度硬度分布；隨著雙液淬火預冷時間的繼續增加，當預冷時間超過3 min時，輥皮表面硬度分布逐漸趨于均勻；雙液淬火預冷時間為5 min，輥皮表面梯度硬度分布消失。

圖5 不同雙液淬火預冷時間下輥皮表面硬度分布Fig.5 Surface hardness distribution under different precooling time of dual liquid quenching

由于在預冷過程中，輥皮在自身余熱的作用下會產生自回火。隨著雙液淬火預冷時間的增加，輥皮在自身余熱作用下自回火程度也在增加，輥皮表面硬度在保持梯度分布的狀態并呈下降趨勢。當雙液淬火預冷時間增加到5 min時，自回火程度也進一步地增加，最終形成了均勻分布的表面硬度。在相同的輥皮表面硬度前提下，為了形成梯度的硬度分布，建議雙液淬火預冷時間控制在1～3 min范圍內。

2.3 雙液淬火輥皮使用效果分析

分別采用常規單液淬火工藝和雙液淬火工藝分批次處理部分輥皮，其中單液淬火方式為軸線垂直于液面淬火；雙液淬火方式為軸線平行于液面淬火，爐外預冷時間5 min，雙液淬火預冷時間2 min。以壓球機成型粉體重量為標準，對比了單液淬火和雙液淬火對輥皮使用壽命的影響，統計結果如圖6所示?？梢钥闯?，采用常規單液淬火工藝處理的輥皮，可成型2000～4000 t粉體，少部分輥皮可成型粉體重量更是在1000 t以下。雙液淬火工藝處理的輥皮成型粉體重量一般在9000 t以上，達到進口輥皮的80%，可以用于替代進口輥皮。

圖6 輥皮使用壽命統計Fig.6 Service life statistics of 9Cr2Mo roller sheet

采用雙液淬火工藝處理后的輥皮，使用壽命得到了明顯的改善和提高。這是因為雙液淬火處理在輥皮表面形成了中間硬度高、兩邊硬度低的梯度硬度分布，通過適當降低端部硬度達到提高韌性的效果，降低了輥皮表面邊緣位置刷邊失效的數量。其次，雙液淬火過程中采用了爐外預冷、雙液淬火預冷等方法，緩和了淬火過程中的組織轉變應力和熱應力，輥皮的熱處理變形傾向明顯降低。

以輥皮內外孔直徑差的絕對值(|φ1-φ2|)表征了熱處理變形程度，結果如圖7所示?？梢钥闯?，采用常規單液淬火處理時，輥皮平均錐度變形量高達2～3 mm；而采用雙液淬火處理后，輥皮變形量僅為0.5～0.8 mm，熱處理變形顯著降低。保證了輥皮的裝配精度和運行精度，從而提高了壓球機的使用壽命。不同淬火方式下輥皮金相組織如圖8所示。雙液淬火后輥皮表面組織是細小的回火馬氏體基體，其中分布有少量貝氏體和殘余奧氏體，而且雙液淬火后輥皮表面晶粒得到了明顯的細化，如圖8(a)所示；常規單液淬火后的表面組織由粗大的板條馬氏體和少量殘余奧氏體組成，如圖8(b)所示。對比看出，采用雙液淬火工藝處理的輥皮，在表面形成了梯度硬度分布、微觀組織細化、熱處理變形減小，綜合使用壽命得到了顯著提高。

圖7 不同淬火方式熱處理變形對比Fig.7 Comparison of heat treatment deformation under different quenching methods

(a)雙液淬火；(b)單液淬火圖8 不同淬火方式下輥皮金相組織(a) dual liquid quenching; (b) single liquid quenchingFig.8 Microstructures of roller sheet under different quenching methods

3 結論

以壓球機用9Cr2Mo輥皮為研究對象，討論了雙液淬火工藝對輥皮組織和性能的影響，雙液淬火可以在輥皮表面形成硬度梯度分布，熱處理變形量明顯小于常規單液淬火，輥皮整體使用壽命得到明顯的提高，使用壽命達到進口件的80%以上。具體研究結論如下：

1)隨著雙液淬火工藝爐外預冷時間的增加，輥皮整體硬度呈下降趨勢，并且在表面形成了中間部位硬度高于端部硬度的硬度梯度分布；

2)隨著雙液淬火預冷時間的增加，輥皮表面硬度總體呈下降趨勢，當預冷時間達到5 min時，輥皮表面所形成的硬度梯度分布消失；

3)確定了9Cr2Mo輥皮雙液淬火最佳淬火冷卻工藝為：5 min爐外預冷；1～3 min雙液淬火預冷。