凯发官网地址 冷軋輥拋丸機葉片材料的研制

摘要：針對鞍鋼冷軋廠冷軋輥拋丸機葉片使用壽命低的問題 ,研制了一種多元合金化高鉻鑄鐵葉片材料。實際應用證明 ,該材料能夠滿足葉片的使用要求 ,平均使用壽命達到 2 46h。

關鍵詞：冷軋輥; 拋丸機葉片; 高鉻合金; 硬度;

0 前言
葉片是冷軋輥拋丸處理機的易損備件 ,其工作條件十分惡劣。據統計 ,鞍鋼冷軋廠使用的葉片平均使用壽命不到 51h。 為了延長拋丸機葉片的使用壽命 ,滿足生產要求 ,決定研制一種新型葉片材料。為了掌握葉片失效的原因 ,我們進行了認真的觀察 ,掌握了其失效機理 ,并通過實驗 ,制定了葉片材料的成分 ,生產出的葉片經現場工業試驗 ,使用效果良好。
1 葉片失效機理的分析
冷軋輥拋丸處理機是軋輥表面的毛化設備。對軋輥的表面進行毛化處理 ,可使冷軋輥表面具有均勻和適度的粗糙度 ,改善冷軋輥表面形貌 ,滿足冷軋生產工藝的需要 ,提高冷軋板的質量 ,有利于開發高檔的冷軋產品。
在冷軋輥拋丸處理機中 ,葉片裝在高速旋轉的葉輪上 ,葉輪高速旋轉 ,將承接、攜帶的具有一定角度和速度的彈丸輸送到葉片上 ,并將彈丸沿葉片表面加速 ,直至以一定方向將不同粒度的彈丸按所要求的速度拋射到軋輥表面 ,從而使軋輥表面具有 一定的粗糙度 ,達到毛化軋輥的目的。
葉片在旋轉過程中承受彈丸巨大的沖擊 ,不斷被磨損。葉片入口端承接由定向套跑出的彈丸 ,彈丸沿著葉片表面滑動或滾動。 隨著彈丸向前運動 ,對葉片的壓力逐漸加大。彈丸由于受慣性力的作用而緊壓在葉片上 ,越接近葉片出口端慣性力越大。 同時 ,在離心力的作用下 ,彈丸在葉片表面不斷被加速 ,較后以很高的速度由出口端被拋出 ,使葉片出口端受切削作用較嚴重 ,磨損較快。 此外 ,在出口端 ,葉片還與大量的具有很高相對速度的反彈彈丸相沖擊 ,加速葉片出口端的磨損。
綜上所述 ,葉片在旋轉過程中不斷受到彈丸的磨削和沖擊 ,在葉片承受載荷處首先出現微小裂紋 ,隨著磨損的繼續 ,裂紋逐漸擴展 ,較終剝落而報廢

2 葉片材料的實驗研究
從葉片的失效原因分析可以看出 ,葉片是在干摩擦并在有磨料的條件下工作 ,屬于磨料磨損。磨料磨損的特點是: 工件表面受到磨料物質的機械磨削、沖擊或擠壓 ,產生金屬剝蝕。 磨料磨損的定量表達式如下:
dV /dL= ΔL· tanθ/πd
式中 dV /dL— — 滑行單位長度時被切削下來的軟金屬磨屑體積 ;
ΔL—— 磨料所承受的載荷 ;
d —— 軟金屬的硬度 ;
θ —— 磨料錐面和軟金屬基體平面的夾角 ,是表示磨料特性的常數。
該式在推導時作了如下的簡化: 假定磨料是錐形的 ,且比金屬基體硬 ;在壓力的作用下 ,錐頭壓入較軟金屬的基體 ,在平行力的推動下 ,磨料相對于軟金屬表面作平行滑動 ,磨料錐頭以切削的方式從基體中切出一定體積的磨屑。
從上式可以看出 ,金屬材料越硬則越耐磨。但在實際條件下 ,用提高抗磨件硬度來提高其抗磨性 ,有時達不到預期的效果。這是因為材料的抗磨性還與其微觀組織有密切的關系。 假如材料組織較脆 ,硬組織容易折斷或剝離時 ,則折斷的組織反而會成為磨料 ,加劇磨損。 所以 ,在考慮提高材料硬度的同時 ,必須兼顧材質的韌性。材料既具有一定的韌性又具有相當高的硬度時才是較耐磨的。希望耐磨材料的金相組織中存在盡可能多的馬氏體 ,以提高其抗磨能力。
影響耐磨材料使用壽命的另一個重要因素 ,就是鑄件的內部質量 ,如果鑄件內部存在縮孔、氣孔、夾雜甚至裂紋缺陷 ,將嚴重影響鑄件的耐磨能力。
要使耐火材料具有良好的綜合性能 ,可從化學成分的選擇及熱處理的控制兩方面入手。
2.1 化學成分設計
經了解 ,國內有的鋼廠曾經選用過球墨鑄鐵、高錳鋼、低碳白口鑄鐵等材料生產葉片 ,但使用效果均不理想 ,其主要原因之一是由它們的金相組織決定的。 球墨鑄鐵的金相組織為珠光體+ 球狀石墨 ,其硬度較低 ,沖擊韌性較差。 高錳鋼的金相組成為奧氏體組織 ,在沒有大的沖擊負荷的作用下 ,高錳鋼的加工硬化作用發揮不出來。低碳白口鑄鐵的使用壽命雖然優于高錳鋼 ,但其金相組織為馬氏體+ 網狀的滲碳體 ( Fe· Cr) 3 C,由于滲碳體呈網狀分布 ,導致其沖擊韌性很低。
鑒于各種材料的使用情況 ,我們從葉片在常溫下工作應具有較高的硬度及韌性等方面考慮 ,決定研制開發高鉻鑄鐵葉片。高鉻鑄鐵 (含鉻量在10%以上 )是一種優質的白口鑄鐵 ,屬于高合金范疇 ,其金相組織中的碳化物為斷續網狀 ,以半孤立狀態分布在金屬基體之間 ,因此具有較好的綜合性能。 各元素在高鉻鑄鐵材料中的作用如下:
( 1) 鉻和碳: 鉻是高鉻鑄鐵葉片材料的首選。鉻是形成碳化物的元素 ,在基體組織中可形成M7 C3 型半孤立狀態的共晶碳化物 ,能使合金具有較好的綜合性能。 由 Fe-Cr-C系合金相圖可以看出 ,為保證獲得 M 7 C3 ,含鉻量必須 > 12% ;同時 ,由于葉片不在高溫下工作 ,其奧氏體相不必過于穩定 ,因此鉻含量也不必過高 ，一般控制在 17%～ 19% 是適宜的。 碳也是影響合金組織和性能的
主要因素 ,一般來說 ,隨著合金中含碳量增加 ,硬度不斷提高 ,而韌性不斷降低。為了使合金既具有良好的耐磨性又具有一定韌性 ,我們擬通過實驗確定其含量。
( 2) 錳: 錳元素可穩定奧氏體 ,但錳量過高時 ,在馬氏體轉變過程中會產生粗大的針狀馬氏體 ,增加殘余奧氏體含量。 一般將錳含量控制在1 % 以下。
( 3) 硅: 硅元素可降低淬透性， 一般應控制在1 % 以下。
( 4) 鉬: 鉬元素能提高奧氏體的淬透性 ,但由于葉片壁厚較薄 ( 20m m) ,并且鉬鐵價格昂貴 ,一般控制在 0. 2 % 以下。
( 5) 釩: 釩能強化、硬化基體 ,提高耐磨性及韌性 ,考慮到生產成本因素 ,將其控制在 0. 2 % 以下。
( 6) 硫和磷: 硫、磷均為有害元素 ,應控制在0.04% 以下。
( 7) 稀土合金: 稀土合金有脫氧、脫硫作用 ,能凈化晶界 ,提高沖擊韌性 ,并使碳化物的生長受到限制 ,使其變得更加均勻孤立。確定其加入量為0.1%～ 0. 2%。
2.2 材料的熔煉及試樣的制作
材料采用 0. 5t酸性中頻感應電爐熔煉。依據爐料的鐵合金成分及吸收率進行配料 ,控制合金液的成分。鉬合金隨爐料裝入爐內 ,其它鐵合金待爐料全熔后依次加入 ,用鋁進行終脫氧 ,出鋼過程中進行變質處理。
用化 學成 分合 格的 鐵液 澆注 H20m m×100mm沖擊試樣 ,同時用 EPC- V 法生產葉片鑄件。
試樣各項機械性能的檢驗均按有關標準進行。采用 M M - 6型顯微鏡觀察其金相組織 ;采用JB— 30擺錘式沖擊實驗機進行沖擊實驗 ;采用里氏 HL200- 960硬度計進行硬度測試。用 0. 5t中頻感應電爐熔煉低碳鉻鐵 ,并澆注成試棒 ,并將試棒加工成 10m m× 10mm× 30mm的沖擊磨損試樣。
2.3 含碳量對機械性能的影響實驗
制備了多爐不同含碳量的試樣 ,澆注后在同樣的冷卻條件 (高溫打箱、鑄態速冷 )下進行實驗 ,考察含碳量對試樣機械性能的影響。
2.4 三種熱處理狀態下性能的比較實驗
比較以下三種狀態下材料的性能:
( 1) 澆注后約 10min打箱 ;
( 2) 澆注后緩冷至室溫 ,然后進行 950 ℃正火 ;
( 3) 澆注后緩冷至室溫再打箱。
2.5 沖擊磨損實驗
沖擊磨損實驗在 M LD— 10型沖擊磨料磨損實驗機上進行 ,實驗沖擊功為 2. 01J,沖擊頻率為150次 /min,磨料為 20～ 40目精制石英砂 , 磨料流量為 30kg /h。 按以下程序進行實驗: 預磨跑合30min→清洗、稱重→磨損實驗 120min→清洗、稱重→計算失重。
3 實驗結果及分析
3. 1 含碳量對硬度及沖擊韌性的影響
實驗結果如圖 1所示。
從圖 1可以看到 ,隨著含碳量的提高 ,合金的硬度提高 ,但在 2. 6 % ～ 2. 8 % 這個范圍內提高的幅度不大。含碳量小于 2. 9%時 ,沖擊韌性隨含碳量的變化比較平緩 ;含碳量大于 2. 9%以后 ,沖擊韌性急劇下降。因此 ,為了使合金既具有良好的耐磨性又具有一定韌性 ,我們 將含碳量控制在2.6%～ 2. 8 % 之間。

圖 1 含碳量對硬度和沖擊韌性的影響

3. 2 三種熱處理狀態下性能的比較由于采用 EPC- V 工藝生產鑄件 ,可以很方便地控制打箱時間 ,而且高溫打箱后鑄件表面干砂、件與件之間干砂自然脫落 ,鑄件直接暴露在空氣中 ,相當于余熱空淬。我們檢測了這種狀態下鑄件的機械性能 ,并和其它兩種狀態進行了比較 ,其結果見表 2所示。
表 2 三種狀態下鑄件的機械性能
狀 態  a k /J· cm- 2   HRC
高溫打箱     10. 8     53. 5
950℃正火   6. 8      58. 5
常溫打箱      11. 6    45. 0
從表 2可以看出:
( 1) 高溫打箱時 ,沖擊韌性保持較高值 ,硬度HRC比常溫打箱提高 8 ～ 9;
( 2) 950℃正火處理后 ,硬度提高幅度較大 ,HRC> 58,但沖擊韌性下降較多 ;
( 3) 常溫打箱時 ,硬度值偏低 , HRC約為 45。
因此 ,采用高溫打箱時鑄件的沖擊韌性、硬度均較好。 而且 ,在實際生產中 ,該種方式還可以節省熱處理費用 ,降低生產成本。我們又對常溫、高溫打箱后材料的組織進行了檢測。
常溫打箱即鑄件在砂型內緩冷到室溫再打箱時 ,試樣的金相組織為初生奧氏體+ 共晶奧氏體+ 共晶碳化物。而采用高溫打箱 ,由于加快了冷卻速度 ,共晶奧氏體發生了充分的轉變 ,試樣的金相組織為初生奧氏體+ 馬氏體+ 共晶碳化物 ,使材料表現出較高的韌性、硬度和良好的耐磨性。

3. 3 沖擊磨損性比較
沖擊磨損實驗結果如表 3所示。
表 3 沖擊磨損實驗結果
試樣編號 材料 磨損失重 /g 相對耐磨性
1 # 低鉻合金 0. 1356 1. 00
2 # 2. 8Cr17M o 0. 0228 5. 95
3 # 2. 8Cr17M oV 0. 0198 6. 84
磨損實驗結果表明 ,高鉻合金材料的耐磨性是低鉻合金的 6倍左右 , 2. 8Cr17MoV 的耐磨性高 于 不 加 釩 的 2. 8Cr17Mo。 因 此 , 選 定 2.8Cr17M oV為冷軋輥拋丸機葉片的材料。
4 裝機試驗
我們采用 EPC— V 工藝生產葉片。該工藝能夠保證產品的內、外在質量 ,尤其能夠保證產品內部組織致密 ,從而為保證產品的耐磨性提供了有利的條件。將生產的 80塊葉片安裝在鞍鋼冷軋廠冷軋輥拋丸機上。 經統計 ,葉片平均使用壽命為246h,使用效果良好。
5 結論
采用高溫打箱、鑄態速冷的方式研制的高鉻合金葉片材料 ,能夠保證葉片的使用性能 ,具有較高的硬度及韌性 ,實際生產應用中表現出良好的耐磨性。