雙液淬火對9Cr2Mo鋼輥皮組織與硬度的影響

孫國進，郜志文，崔效炎，郜可坤，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)

壓球機是用于粉體壓球成型的重要設備，主要用于煤粉、合金粉、鐵精粉、鋁灰粉、礦粉等粉體的壓球成形，其主要功能是將粉碎后的煤粉、礦粉、鎂礦粉等擠壓成形為形狀統一的球體，達到減小污染和便于運輸的效果[1-2]。輥皮作為壓球機的關鍵零部件，直接與粉末接觸，并完成粉末的壓球成形，其質量好壞決定了壓球機的使用壽命[3-4]。目前，國產輥皮常用合金材料已經形成規范，煤粉、粘土等細膩粉末，對輥皮材料要求相對較低，可以選用65Mn合金鋼；鎂礦粉、金屬礦粉、細渣粉則采用9Cr2Mo合金鋼、GCr15SiMnG軸承鋼等[5]。然而，經常規熱處理工藝處理后的輥皮經常發生表面材料崩落(又稱刷邊失效)，特別是輥皮兩端尤為明顯。以9Cr2Mo鋼輥皮為例，因刷邊而不能使用的輥皮占所有失效形式的80%以上，甚至個別輥皮安裝后成形粉體僅在10 t就產生了刷邊失效，遠遠小于進口輥皮8000～10000 t的加工能力[6-7]。刷邊失效大多發生在邊角位置，研究表明，這是因為輥皮在成形粉體的過程中，其表面受力并不均勻，且邊角處應力更不均勻，在擠壓粉末的過程中處于不對稱的受力狀態，因此在相同的材料性能下，邊角位置更容易形成刷邊崩落失效。表面硬度檢測結果顯示，邊部硬度稍高于或者等于中間硬度。另外，刷邊崩落的傾向隨著硬度的提高而增加。由此可見，輥皮邊部硬度是影響其使用壽命的關鍵控制因素[8]。

如何進一步提高國產輥皮的使用壽命并替代進口產品，已經成為我國壓球機生產企業所面臨的關鍵挑戰。本文結合輥皮材料特性、工作過程的受力特點，對比了單液淬火冷卻和雙液淬火冷卻對9Cr2Mo鋼輥皮組織性能的影響，深入討論了雙液淬火工藝參數對9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度和微觀組織的影響，為提高其使用壽命提供數據支持。

1 試驗材料與方法

本文研究的9Cr2Mo鋼輥皮外徑為φ750 mm，實物如圖1所示。9Cr2Mo鋼屬于高碳高鉻合金鋼，較高的碳含量可以提高鋼的硬度和耐磨性。此外，Cr不但可以與C形成合金碳化物提高耐磨性，還能有效提高鋼的淬透性。9Cr2Mo鋼的主要元素含量如表1所示。

圖1 9Cr2Mo鋼輥皮圖片

表1 9Cr2Mo鋼的主要化學成分(質量分數，%)

采用RQ-110-9型井式爐進行淬火加熱，淬火溫度870 ℃，保溫時間3 h；分別采用水單液冷卻和水油雙液冷卻后，均在200 ℃回火3 h，對比兩種冷卻方式對9Cr2Mo鋼輥皮組織和性能的影響。單液淬火工藝下，輥皮加熱后，直接出爐淬火；雙液淬火工藝如圖2所示，輥皮完成加熱需要進行入水前爐外預冷和水冷-油冷之間預冷。水冷-油冷之間預冷時間確定為120 s，分析入水前爐外預冷時間分別為60、180、300和480 s時對輥皮性能影響；入水前爐外預冷時間選擇為300 s，分析水冷-油冷之間預冷時間分別取60、120、180和300 s時對輥皮性能的影響。所有輥皮試樣經200 ℃回火3 h后，采用便攜式硬度計檢測輥皮表面靠近兩側邊部位置和中間位置的硬度，采用光學顯微鏡觀察輥皮邊部和中間位置的微觀組織。

圖2 雙液淬火工藝流程圖

2 試驗結果及討論

2.1 單液淬火對硬度的影響

單液淬回火處理后，表面硬度在62～63 HRC之間，輥皮的表面硬度分布如表2所示。常規單液淬火處理后有80%的輥皮產生了刷邊失效，特別是在輥皮表面靠近邊部位置，如圖3所示。

表2 單液淬火處理9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度

圖3 單液淬火處理9Cr2Mo鋼輥皮刷邊失效

從表2可以看出，輥皮表面邊部硬度與中心硬度基本一致，但均勻的硬度分布并不意味著輥皮使用壽命的提高，刷邊失效的傾向反而提高了，這是因為在粉體成形的過程中，輥皮的表面受力并不均勻，其中又以輥皮端面邊角處更為嚴重，且在擠壓粉末的過程中處于不對稱的受力狀態。因此輥皮表面均勻的硬度分布，更容易形成刷邊崩落失效。

2.2 入水前爐外預冷時間對硬度的影響

針對φ750 mm尺寸9Cr2Mo鋼輥皮，研究了雙液淬火工藝入水前爐外預冷時間(60、180、300、480 s)對輥皮表面硬度的影響，結果如圖4所示。可以看出，在雙液淬火工藝條件下，隨著入水前爐外預冷時間的增加，輥皮表面整體硬度呈下降趨勢，并逐漸呈現出中間硬度高、邊部硬度低的分布。從圖4可以看出，當入水前爐外預冷時間為60 s時，輥皮表面硬度約為65 HRC；當預冷時間增加至300 s時，輥皮表面硬度降至60～63 HRC范圍，且形成了邊部硬度低、中間硬度高的硬度分布；進一步增加入水前爐外預冷時間至480 s時，輥皮表面硬度進一步降低至50～55 HRC范圍，并保持邊部硬度低、中間硬度高的硬度分布。隨著入水前爐外預冷時間的增加，輥皮表面硬度下降的原因，可能是由于輥皮預冷過程中冷卻速度降低，部分奧氏體轉變為貝氏體所致。

圖4 雙液淬火入水前爐外預冷時間對9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度影響

從圖4的硬度分布結果還可以看出，當入水前爐外預冷時間從60 s增加至300 s的過程，輥皮表層硬度呈現出了中間部位高于兩端的現象，這對于提高輥皮的使用壽命是有利的。因為適當降低輥皮兩端位置的硬度可以提高端部的韌性，有效減小輥皮刷邊崩落失效，但是當預冷時間延長至480 s時，輥皮硬度急劇下降，這對于提高材料表面耐磨性又是不利的。本文雙液淬火處理的目的是在不明顯降低輥皮表面硬度的條件下，形成中間硬度高、表面硬度低的硬度分布，結合預冷時間對輥皮表面硬度的影響結果，最終確定雙液淬火最佳入水前爐外預冷時間為300 s。

2.3 水冷-油冷之間預冷時間對硬度的影響

在入水前爐外預冷時間為300 s條件下，分析了不同水冷-油冷之間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，當水冷-油冷之間預冷時間在60～180 s范圍時，輥皮表面形成了中間硬度高、邊部硬度低的硬度分布；當預冷時間從180 s延長至300 s時，輥皮表面硬度分布逐漸趨于均勻，這是由于隨著預冷等待時間的增加，輥皮在自身余熱作用下的自回火程度增加，輥皮表面硬度也隨著自回火程度的增加而趨于一致。因此，為了得到呈梯度的硬度分布，水冷-油冷之間預冷時間應該控制在60～180 s范圍內。

圖5 水冷-油冷之間預冷時間對雙液淬火后9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度的影響

2.4 雙液淬火后的微觀組織分析

采用雙液淬火工藝處理后的9Cr2Mo鋼輥皮，表層邊部位置和中間位置的微觀組織如圖6(a，b)所示。單液淬火工藝處理下輥皮表面組織為粗大的回火馬氏體組織，如圖6(c)所示。雙液淬火工藝處理所得組織是回火馬氏體+少量貝氏體+少量殘留奧氏體，回火馬氏體具有較高的硬度可以保證輥皮的耐磨性能。雙液淬火工藝處理輥皮邊部組織與中間組織類似，但貝氏體含量有所提高。這是由于輥皮在淬火過程中入水前爐外預冷和水冷-油冷之間預冷所致，這也是造成輥皮邊部硬度低于中間硬度的原因。輥皮使用壽命的統計如圖7所示，統計結果顯示，傳統單液淬火工藝處理的輥皮能夠成形的礦粉量在2000～4000 t，部分輥皮成形量更是在1000 t以下，而雙液淬火工藝處理輥皮成形礦粉能力高達9000 t，成形能力可以達到進口件的80%，具備了替代進口輥皮的條件。

圖6 不同熱處理后9Cr2Mo鋼輥皮的表面顯微組織

圖7 9Cr2Mo鋼輥皮熱處理后的使用壽命

3 結論

本文以9Cr2Mo鋼輥皮為研究對象，對比分析了水冷單液淬火和水-油雙液淬火工藝對輥皮表面硬度和微觀組織的影響。結果顯示，雖然單液淬回火后輥皮表面硬度分布均勻，但并沒有提高9Cr2Mo鋼輥皮的使用壽命，而雙液淬回火后輥皮表面形成的中間硬度高、邊部硬度低的硬度分布，則使輥皮壽命明顯提高，具體結論如下：

1)單液淬回火處理后9Cr2Mo鋼輥皮表面為粗大的回火馬氏體，雙液淬回火后的組織為細小的回火馬氏體，并有少量貝氏體和殘留奧氏體，輥皮表面韌性得到改善。

2)單液淬火后9Cr2Mo鋼輥皮表面硬度分布均勻，在62～63 HRC之間，通過調整水冷-油冷之間預冷時間，可在輥皮表面形成中間位置硬度高、端部位置硬度低的硬度分布，使輥皮使用壽命顯著提高。

3)直徑φ750 mm的9Cr2Mo鋼輥皮雙液淬火最佳工藝為入水前爐外預冷時間300 s，水冷-油冷之間預冷時間控制在60～180 s內。