360 葉片熱處理前后組織及力學(xué)性能變化

楊紅梅，馮承亮

（山東開(kāi)泰拋丸機(jī)械股份有限公司，山東濱州 256217）

0 引言

拋丸器耐磨件包括分丸輪、定向套和葉片等，都屬于高鉻鑄鐵。葉片利用離心作用將高速?gòu)椡枇鳎ń饘倩蚍墙饘倌チ希佅蛩謇淼墓ぜ砻妫匀コぜ砻娴恼成啊⒀趸ず托〉娘w邊毛刺等，并得到一定的表面粗糙度的表面。葉片的抗摩擦磨損情況直接影響拋丸器的使用壽命。現(xiàn)在的葉片一般是采用精密鑄造生產(chǎn)的亞共晶抗磨白口鑄鐵。它是第三代耐磨鑄鐵[1]。在高鉻鑄鐵中存在M7C3[(Cr·Fe)7C3]、M7C3型碳化物，碳化物硬度1200～1700HV，六方晶系，比M3C（Fe3C）硬度高許多，這種碳化物孤立分布，呈桿狀和片狀，對(duì)基體的割裂作用較小，鑄鐵的韌性較好。鉻和碳的搭配要遵循低于共晶碳含量的原則，否則基體組織中會(huì)出現(xiàn)粗大的過(guò)共晶初生碳化物。初生碳化物的橫截面外形呈規(guī)則的六角形，其內(nèi)部有共晶成分的組織及縮孔。這些粗大的過(guò)共晶碳化物在磨粒磨損作用下，容易脫落，與母體分離，從而降低工件的使用壽命。360 葉片耐磨性有時(shí)較差，本文針對(duì)這種情況，結(jié)合當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)360 葉片進(jìn)行研究，期望能得到較長(zhǎng)的使用壽命。

1 360 葉片的生產(chǎn)工藝

360 葉片是拋丸機(jī)上常用的易損耗元件，公司目前采用熔模精密鑄造方式生產(chǎn)。熔模精密鑄造又稱失蠟鑄造，通常是在蠟?zāi)１砻嫱可蠑?shù)層耐火材料，待其硬化干燥后，將其中的蠟?zāi)Ｈ廴ブ瞥尚蜌ぃ俳?jīng)過(guò)焙燒、澆注，得到鑄件。由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱“熔模精密鑄造”。360 葉片經(jīng)過(guò)制蠟?zāi)！⒑附又笮纬上災(zāi)?shù)，然后利用120 目石英粉做面層粉料，使用硅溶膠水溶液作為粘結(jié)劑，制成面層型殼，再然后用80 目～120 目的石英粉做背層粉料，硅溶膠做粘結(jié)劑，再在其外用30～60 目莫來(lái)粉做過(guò)渡層，用粘度為8s～10s 的水玻璃做粘結(jié)劑，經(jīng)與Al2O3水溶液反應(yīng)發(fā)生硬化，然后用10 目～30 目的莫來(lái)砂和粘度18s～20s 的水玻璃做粘結(jié)劑，制作3 層，最后用水玻璃漿液封漿，完成型殼的制造。型殼經(jīng)蒸汽脫蠟后干燥48h～72h，然后在930～950℃高溫焙燒2.5h，進(jìn)行澆鑄，得到鑄態(tài)360 葉片。

2 360 葉片的熱處理工藝

碳元素在鑄件中以共晶碳化物的形式存在，共晶碳化物在耐磨性方面起重要作用。碳含量較高時(shí)，碳化物數(shù)量增多，初生碳化物顆粒較粗。鑄態(tài)產(chǎn)品由于存在較粗的碳化物，耐磨性不好。目前公司對(duì)該葉片實(shí)行高溫淬火的熱處理方式。將鑄態(tài)葉片，分段升溫至980℃，保溫2h，出爐后風(fēng)冷。產(chǎn)品經(jīng)過(guò)淬火之后，硬度高而且內(nèi)部容易存在應(yīng)力。產(chǎn)品在使用過(guò)程中，容易出現(xiàn)耐磨性不均勻的情況，針對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)情況，本文對(duì)精鑄生產(chǎn)的360 葉片，淬火之后進(jìn)行回火處理，研究葉片回火熱處理前后的組織及性能變化。

本文采用的熱處理方式是將葉片分段升溫，升溫至980℃，保溫2h，風(fēng)冷，然后再將經(jīng)過(guò)該淬火之后的葉片分別在200℃、230℃、260℃、300℃、330℃、360℃、400℃、430℃進(jìn)行回火，回火保溫時(shí)間是2h，空冷。測(cè)試分析熱處理前后的組織及力學(xué)性能變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 組織變化

本文分別選取了同一爐生產(chǎn)的8 塊淬火后的葉片在 200℃、230℃、260℃、300℃、330℃、360℃、400℃、430℃進(jìn)行回火處理，對(duì)鑄態(tài)、淬火及回火后的組織進(jìn)行分析。葉片化學(xué)成分如表1所示。

表1 葉片化學(xué)成分 w/%

由于高鉻鑄鐵耐蝕性非常好，所以通常用的腐蝕劑，如硝酸酒精、苦味酸等，腐蝕效果都不是太好，故使用王水做腐蝕劑，腐蝕時(shí)間90s，試樣表面變成灰色即可。圖1、2 是將試樣放大400 倍得到的金相圖片。鑄態(tài)顯微組織為共晶碳化物和奧氏體，共晶碳化物成網(wǎng)狀，有的為菊花狀的連續(xù)網(wǎng)狀（如圖1），有的呈現(xiàn)規(guī)則的網(wǎng)狀（如圖2）。

圖1 鑄態(tài)400×

圖2 鑄態(tài)400×

圖3 是經(jīng)過(guò)淬火的360 葉片的顯微組織，顯微組織為淬火馬氏體、碳化物及殘余奧氏體[2，3]，與鑄態(tài)顯微組織相比，鑄態(tài)中網(wǎng)狀的碳化物分解成了孤立的島狀，而且碳化物顆粒邊角變得圓滑。淬火后組織中出現(xiàn)的小島狀物[1]，彌散分布在組織中，使鑄件的硬度提高。

圖3 淬火400×

圖4～11 為不同溫度下回火之后的顯微組織，由以上可知，回火后仍然存在斷續(xù)的網(wǎng)狀物。與淬火的顯微組織相比，變化不是很大，在430℃回火之后的組織中既存在斷續(xù)的網(wǎng)狀物，也存在細(xì)小的二次碳化物[4]。回火的顯微組織為淬火馬氏體、一次碳化物、二次碳化物及殘余奧氏體[2]。斷續(xù)的網(wǎng)狀物為碳化物聚集長(zhǎng)大的結(jié)果，這些導(dǎo)致基體的硬度下降。

圖4 200℃回火400×

圖5 230℃回火400×

圖6 260℃回火400×

圖7 300℃回火400×

圖8 330℃回火 400×

圖9 360℃回火 400×

圖10 400℃回火400×

圖11 430℃回火400×

3.2 硬度變化

分別選取8 片經(jīng)過(guò)淬火的葉片在不同溫度進(jìn)行回火，檢測(cè)不同溫度回火后的洛氏硬度。本試驗(yàn)用的是HR-150A 型洛氏硬度計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同回火溫度下硬度的變化

由表2 可知，經(jīng)過(guò)回火之后葉片的硬度降低，不同回火溫度下降低幅度稍有不同，有的降低比較明顯，有的變化不大。總體來(lái)說(shuō)回火之后雖然葉片的硬度下降不明顯，但是葉片內(nèi)部的組織變得比淬火態(tài)要更加均勻，組織相對(duì)更穩(wěn)定。

3.3 耐磨性

拋丸器工作時(shí)是由分丸輪出來(lái)的鋼丸拋打在葉片上，葉片在拋丸器的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，通過(guò)葉片的阻擋作用，磨料做離心運(yùn)動(dòng)[1]，從拋丸器里面拋出打在工件上，起到清理作用。克拉蓋爾斯基等人[4]認(rèn)為，磨屑大部分是從金屬表面上通過(guò)重復(fù)的載荷作用導(dǎo)致表面疲勞損壞，使小顆粒從表層上脫落下來(lái)而形成磨屑。磨屑與鋼丸以及葉片之間形成了三體磨損。從葉片上脫落的磨屑由于硬度大，脆性大，破裂后會(huì)有尖銳的邊緣，此時(shí)它就會(huì)對(duì)葉片表面起到犁溝和切削作用，導(dǎo)致葉片表面更多的磨屑掉落，耐磨性下降。許多學(xué)者[5]都認(rèn)為在磨粒磨損中，硬度是最重要的一個(gè)參數(shù)，因?yàn)樗刂浦差w粒穿入軟表面的深度。試驗(yàn)證明，為減小磨損，表面硬度為磨粒硬度的1.3 倍時(shí)，效果最佳[5]。再增高表面硬度，增益的效果并不是太明顯。

表3 是經(jīng)過(guò)回火之后的葉片在拋丸機(jī)上使用15 天之后的重量變化。將初始重量相同的葉片分兩批裝在拋丸器上，用級(jí)配為S110 和S130 的鋼丸進(jìn)行拋打。拋丸器工作15 天之后取下，稱重，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知，400℃回火的葉片在試驗(yàn)前后重量損耗最小，耐磨性最好。由顯微組織可以看出經(jīng)過(guò)400℃回火的葉片顯微組織中含有細(xì)小的彌散顆粒，或許是這些彌散的小顆粒在基體中起到支撐作用，同時(shí)降低了內(nèi)應(yīng)力，使基體具有合適的硬度。這些小顆粒碳化物較均勻的分布在基體中，起支撐和穩(wěn)定作用，在磨損時(shí)當(dāng)受到外來(lái)顆粒撞擊時(shí)，能較穩(wěn)定的抗擊外來(lái)沖擊，使工件的耐磨性提高。

表3 拋丸試驗(yàn)前后葉片平均重量差

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)精鑄生產(chǎn)的葉片進(jìn)行淬火和回火處理，發(fā)現(xiàn)：熱處理之后的顯微組織與鑄態(tài)的組織相比，含有細(xì)小的彌散相，為二次碳化物。回火之后硬度比淬火硬度略有下降，回火后的葉片耐磨性比淬火態(tài)好。為了獲得良好耐磨性的產(chǎn)品，可以在淬火之后再回火，使組織均勻致密，同時(shí)能消除一部分內(nèi)應(yīng)力，提高產(chǎn)品質(zhì)量。