延长20Cr13钢制肥料挤压轧辊使用寿命的真空热处理技术

李 博, 房 颖, 李双喜

(河南机电职业学院, 河南 新郑 451191)

农业机械是改造大自然、服务大自然的工具,更应重视自然环境和人与生物的保护。1989年联合国环境署在全球推行清洁生产技术,不但要求大大降低生产过程中的污染,节约能源和原材料,并且要求将产品使用、消费过程中对环境的不良影响降至最低程度。农机零件的共同特点就是工作条件恶劣,常在潮湿或带腐蚀(如化肥、粪尿、农药)的环境中工作,经常与土壤中砂石或农作物中的磨料发生摩擦磨损,有时还有振动与冲击。因而零件除需要有足够的强度、刚度和韧性外,还应具备很高的耐磨性和较好的耐蚀性[1]。

随着经济和技术的发展,国内外越来越多地采用Cr13型不锈钢生产农业机械中的饲料环模、压辊壳体和肥料轧辊等。不锈钢不仅耐蚀性、强韧性和抗磨性好,而且压制时颗粒出料顺畅、生产率高,受到饲料和肥料生产厂的欢迎。

本文中的挤压肥料颗粒轧辊采用20Cr13钢制造,是常用的耐热不锈钢,具有较高的热强性、抗氧化性、减震性,对淡水、海水、蒸汽、空气也有足够的耐蚀性,热处理后可以获得较高的力学性能和耐磨性,常用来制作450 ℃以下工作的机械零件和常温下使用的化工及食品工业容器,例如传动件、汽轮机叶片、阀体和模具等[2-6]。

Cr13型不锈钢价格低廉,是应用最广的不锈钢,该类钢中的0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13钢之间的主要差别在于碳含量的不同,该类钢的一个共同特点是在加热和冷却时具有α→γ的转变,因此可以用热处理的方法在比较宽的温度范围改善它们的硬度和力学性能[7],来满足不同的工况需求。该钢淬火温度较高,常采用真空淬火。

肥料轧辊在挤压成型肥料颗粒时,肥料原料既有生物肥,也有氮肥和钾肥等化肥,原料具有弱酸性以及存在杂质硬物等,所以轧辊成对挤压工作时,既要求有较高的耐磨性,又要求具有较高的耐酸腐蚀性,轧辊的外观形貌如图1(a)所示,真空淬火后内孔用线切割的方法割出键槽。轧辊原工艺为1000 ℃真空淬火、180 ℃回火,经过一段时间使用后,轧辊表面出现成片的凹凸不平的磨损腐蚀带,如图1(b)所示,导致挤压颗粒不均匀,磨损腐蚀抗力明显降低,使用寿命较短,生产成本较高和生产效率较低。应厂家要求,希望通过对产品的失效原因进行分析,有效提高轧辊的使用寿命。本文通过对20Cr13钢进行了真空热处理工艺试验和耐腐蚀性试验,来提高产品性能,同时通过改进设计缺陷,来消除使用过程中的应力集中。

1 试验材料和方法

本试验中20Cr13钢试样的尺寸为φ19 mm×10 mm,在WZC-60G真空油淬炉中进行真空淬火,井式回火炉中回火。试样处理完毕,采用4%硝酸酒精腐蚀剂,腐蚀温度22 ℃,腐蚀时间45 min。采用LEICA DMI3000 M金相显微镜观察试样原材料和淬、回火后的显微组织,用200HR-150洛氏硬度计检测试样硬度,用Phenom XL扫描电镜观察真空淬火回火试样在1%(质量分数)HNO3水溶液中浸泡7天后的表面腐蚀形貌。试样的化学成分如表1所示。

表1 20Cr13钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the 20Cr13 steel (mass fraction, %)

试样的原始组织对后续的淬火有较大影响,所以淬火前需对材料的原始组织进行观察,图2为20Cr13钢淬火前原始态的退火组织。可以看出,20Cr13钢显微组织为铁素体基体,其上均匀分布着细小弥散碳化物颗粒,为20Cr13钢正常球化退火后的组织。

图2 20Cr13钢退火态的显微组织Fig.2 As-annealed microstructure of the 20Cr13 steel

20Cr13钢的临界温度为Ac1≈820 ℃,Ac3≈950 ℃,Ar1≈780 ℃,本试验选取在Ac1和Ac3两相区之间的880 ℃和Ac3以上的1000、1050 ℃作为工艺试验的淬火温度,选取的回火温度为180 ℃,因为如果将淬火温度提得过高(超过1050 ℃),淬火后组织中残留奥氏体含量过多,硬度降低明显,相伴产生粗大的奥氏体晶粒和马氏体会使疲劳寿命明显降低;而且回火时碳化物的析出过程强烈,使钢的耐蚀性能降低[7]。试验在真空油淬炉中淬火,加热方式为辐射加热,因20Cr13钢中Cr含量高,导热性低,为保证工件加热均匀,减小热应力和工件畸变,制定工艺时采用阶梯升温,以利于工件内外温升均匀及碳化物的充分溶解和奥氏体成分的均匀化[8],具体工艺曲线见图3。

图3 真空淬火工艺曲线Fig.3 Process curve of vacuum quenching

2 试验结果

2.1 真空淬、回火后的硬度

20Cr13不锈钢经不同温度淬火、回火后的硬度如表2所示,其中部分试样只淬火不回火,用于观察20Cr13钢的淬火组织。

表2 20Cr13不锈钢经不同温度淬火、回火后的硬度Table 2 Hardness of the 20Cr13 steel quenched at different temperatures and tempered

从表2可以看出,本试验中20Cr13钢在两相区880 ℃真空淬火,硬度为40.0～41.5 HRC,当试样经180 ℃低温回火后,硬度和淬火态相比无明显变化,其原因是在此低温回火过程中,部分残奥转变成回火马氏体,碳化物析出的弥散强化作用抵消了马氏体碳含量降低造成的硬度下降。对于20Cr13钢某些截面变化较大的易变形件,如果对硬度要求不高,可以尝试在880 ℃两相区淬火,有利于减小热应力和组织应力,避免零件变形较大,且工艺操作相对简单,节约能耗。当淬火温度提高到1000 ℃时,试样淬火硬度提高到51.0～52.0 HRC,比880 ℃淬火硬度增加了11 HRC左右,经180 ℃回火后,仍然具有49.5～50.5 HRC的较高硬度。为进一步提高淬火后马氏体的合金化程度和耐腐蚀性,并考虑到不过大增加热应力引起轧辊变形和产生过多的残留奥氏体,所以将淬火温度进一步提高到该钢常规淬火温度的上限1050 ℃,淬火后硬度为49.5～51.0 HRC,经180 ℃回火后,硬度为48.5～49.5 HRC,比1000 ℃淬火的试样硬度稍低。

2.2 真空淬、回火后的显微组织

图4为20Cr13钢经880 ℃淬火、180 ℃回火后的显微组织。从图4(a)可以看出,20Cr13钢在880 ℃真空淬火后的组织为少量未溶铁素铁+淬火马氏体+少量残留奥氏体+一定量的未溶碳化物;因在两相区淬火,淬火温度低,未溶铁素体呈细小均匀分布,使磷等有害杂质集中于少量游离分散的铁素体晶粒中[2]。图4(b)为20Cr13钢经880 ℃淬火并180 ℃低温回火后的显微组织,为少量未溶铁素体+回火马氏体+少量残留奥氏体,此种组织塑韧性较好,但强度、耐腐蚀性较差。

图4 20Cr13钢经880 ℃淬火(a)、180 ℃回火(b)后的显微组织Fig.4 Microstructure of the 20Cr13 steel quenched at 880 ℃(a) and tempered at 180 ℃(b)

图5为20Cr13钢经1000 ℃淬火、180 ℃回火后的显微组织。从图5(a)可以看出,此时基体中的铁素体已完全消失,淬火后的组织为明显的板条马氏体和一定量的残留奥氏体。图5(b)为20Cr13钢经1000 ℃淬火并180 ℃回火后的显微组织,可以看出,板条马氏体中析出细小粒状碳化物,组织为回火马氏体和少量残留奥氏体,此组织中残奥较少,故硬度较高。

图5 20Cr13钢经1000 ℃淬火(a)、180 ℃回火(b)后的显微组织Fig.5 Microstructure of the 20Cr13 steel quenched at 1000 ℃(a) and then tempered at 180 ℃(b)

对1050 ℃淬火及回火后的试样同样采用4%(体积分数)硝酸酒精腐蚀剂,在22 ℃腐蚀45 min,发现金相面仍然是金属色,没任何组织显现出来;于是把腐蚀时间延长至90 min,显微组织才模糊显现,由此可知图6中试样耐蚀性能得到明显提高。图6(a)为20Cr13钢经1050 ℃淬火后的组织,可以看出,组织为淬火马氏体和较多的残留奥氏体。随着淬火温度提高到常用淬火温度范围的上限,此时碳及合金元素溶入奥氏体较充分,晶粒缺少了碳化物的钉扎,长大较明显[9-11],淬火后残留奥氏体含量也明显增多。一般情况下滚动接触疲劳寿命随残留奥氏体量增多先增加后下降,在齿轮渗碳淬火工艺中,残留奥氏体量上限一般控制在30%,大于30%时接触疲劳寿命下降。全马氏体组织虽有高强度和高抗剪强度,但裂纹一旦形成,没有韧性相阻止就会很快扩展,所以马氏体与适量残留奥氏体(RA)加上耐磨的碳化物合理搭配,才有更高的耐磨性。如片面追求晶粒细化,降低淬火温度,造成马氏体碳含量太低、硬度不足,磨粒先将基体磨去,孤立的碳化物颗粒也难支撑;马氏体基体上的碳化物有适当数量、粗细均匀、形态正常并与基体结合牢固,才会有高的耐磨性,且晶内比晶界表现出更强的耐蚀性。这种组织适用于对耐蚀性和耐磨性都有较高要求的工件,即磨损腐蚀抗力较高。

2.3 耐蚀性能

图7为20Cr13钢经不同温度淬火并回火,磨去表面氧化层再抛光,在1%HNO3水溶液中浸泡7天后的表面腐蚀形貌SEM图。从图7(a)中可以看到,880 ℃淬火、180 ℃回火后试样表面腐蚀严重,出现了大量较深的腐蚀坑,对比图7(b),1050 ℃淬火、180 ℃回火后试样经过7天腐蚀液中的浸泡,表面仅仅出现微小的腐蚀点。这一结果与图6试样难侵蚀结果一致,说明经1050 ℃淬火、180 ℃回火后试样的耐蚀性能非常好。

图7 不同温度淬火并180 ℃回火后20Cr13钢的表面腐蚀形貌Fig.7 Surface corrosion morphologies of the 20Cr13 steel quenched at different temperatures and tempered at 180 ℃(a) 880 ℃; (b) 1050 ℃

点腐蚀是不锈钢常见的腐蚀破坏类型之一,它是因为在介质的作用下,不锈钢表面钝化膜受到局部破坏造成的。在含有氯离子的介质中容易引起不锈钢的点腐蚀,因为氯离子容易吸附在不锈钢表面的个别点上,破坏该处的钝化膜,将钢的表面暴露出来,形成微阳极,其他区域为阴极,组成了微电池。微阳极区不断腐蚀,形成了不锈钢的点腐蚀。点腐蚀是一种危害性很大的腐蚀破坏,尤其对于各种容器是极不利的。点腐蚀不能按腐蚀后的重量损失来评定,因为在很多情况下单位面积上的质量损失很小,而腐蚀坑的深度却很大,造成零件使用性能下降,所以一般是用单位面积上的腐蚀坑数量及最大深度来评定不锈钢的点腐蚀倾向的大小[1],类似齿轮齿面疲劳点蚀的评定方法。

2.4 轧辊淬火后键槽线切割工艺改进

如图8所示,20Cr13钢制轧辊在1000 ℃真空淬火并180 ℃回火后,需要在内孔线切割键槽,与轧辊轴用键联结装配后使用,使用一段时间,发现轧辊出现早期纵向裂纹,裂纹基本上沿键槽底部的直角处开裂,贯穿整个辊面,造成轧辊开裂失效。经分析,轧辊淬火后硬度在50～52 HRC,如果内孔键槽线切割呈直角,尤其线切割速度较快时易在直角处引起应力集中,在使用过程中形成微裂纹,由于轧辊在轧制肥料颗粒时,受持续碾压,冲击和冲蚀,裂纹逐渐扩展而导致开裂失效。鉴于此,我们建议轧辊生产厂家线切割键槽时,按键的尺寸不同,在键槽底部割成R0.5～R1的圆角,既不影响键的安装联结,又使键槽底部圆滑过度,减少应力集中,避免辊面沿键槽开裂。

图8 轧辊现场使用时沿键槽处开裂的纵向裂纹Fig.8 Longitudinal cracks along keyway of the rollers used on site

3 使用效果及结果分析

3.1 使用效果对比

用上述3种真空淬火工艺分别对肥料轧辊进行真空淬、回火,并将内孔键槽底部割成R0.5圆角,保证键槽底部圆滑过渡,避免应力集中。处理后的肥料轧辊挤压同一种生物肥料颗粒,未出现沿键槽底部的辊面纵向开裂,轧辊失效形式为腐蚀磨损或辊面沟痕,通过统计轧辊在失效前轧制肥料颗粒的总重量(吨数)来表征轧辊的使用寿命,见表3。

表3 真空处理工艺对20Cr13钢制肥料挤压轧辊寿命及失效形式的影响Table 3 Effect of vacuum treatment process on life and failure forms of the 20Cr13 steel fertilizer extrusion roller

轧辊装机成对使用,对肥料进行挤压成型,可以看出,1050 ℃真空淬火并180 ℃回火后轧辊使用寿命最高,是1000 ℃真空淬火并180 ℃回火后的2倍多,是880 ℃淬火并180 ℃回火后的4倍多,生产效率明显提高,轧辊生产成本降低,客户比较满意,提高了市场占有率,该工艺现已批量用于肥料轧辊的真空淬火。

3.2 讨论与分析

农机零件工作时会遇到大量磨料,既有刨槽、犁沟,也有从表面滚过产生碾压或造成接触疲劳(弹性的应力疲劳和塑性的应变疲劳),还有冲击和冲蚀、撕裂与发热等,尤其对生物肥料轧辊,还要考虑肥料中带氨气和H2S的潮湿空气和粪尿的腐蚀,所以在特定的使用条件下,硬度并非是影响耐磨损腐蚀性能的唯一因素。

淬火态的Cr13型不锈钢,奥氏体化温度越高,碳及合金元素溶入奥氏体越充分,奥氏体成分越均匀,在冷却过程中奥氏体越稳定。当淬火温度为880 ℃时,由于奥氏体化温度较低,基体仍存在未溶铁素体,碳和合金元素在奥氏体中溶解、扩散不充分,淬火时虽然一定量的碳与铬等合金元素被保持在马氏体中,但它们存在偏聚,在180 ℃回火后,硬度为40～41.5 HRC,回火时马氏体中析出合金碳化物,造成固溶体含Cr进一步下降,从而耐蚀性下降。当淬火温度提高到1000 ℃,超过20Cr13钢的Ac3点,铬与碳能全部溶入奥氏体中,此时碳与铬元素在奥氏体中进行了一定距离的扩散,淬火时碳与铬等合金被完全保持在马氏体中,在180 ℃回火后,马氏体中会析出一定量合金碳化物,此时组织中因残留奥氏体较少,回火硬度最高,为49.5～50.5 HRC。

当淬火温度进一步提高到1050 ℃,碳与铬原子扩散能进一步增大,奥氏体化更充分,组织更均匀,Ms点降低。淬火时基体被急冷到Ms点以下,铬与碳均被均匀地保持在淬火马氏体中,且有一定的残留奥氏体,在低温度180 ℃回火后,碳和铬原子无法进行长距离扩散,只能形成微量的合金碳化物,所以固溶体中保留有足量的Cr元素,致使淬、回火后组织具有超强的耐腐蚀性。低碳马氏体具有高强度和良好韧性的配合,如屈服强度在1000～1300 MPa、抗拉强度在1200～1600 MPa的水平上尚具有良好的塑性(A≥10%,Z≥40%)和韧性(≥ 60 J/cm2)并具有较好的可加工性和焊接性[12]。

4 结论

1) 20Cr13钢在两相区880 ℃真空淬火并180 ℃回火后,组织为少量未溶铁素体+回火马氏体+少量残留奥氏体+一定量的未溶碳化物,硬度为40.0～41.0 HRC,虽然该工艺淬火后耐磨性和耐蚀性低,轧辊实际使用寿命不高,但对于某些薄壁异形件,在保证一定硬度的前提下,较低的淬火温度有利于控制畸变,简化工艺参数,节能降耗。

2) 20Cr13钢在1000 ℃真空淬火并180 ℃低温回火后,可得到回火马氏体和少量残留奥氏体,虽然硬度较高,为49.5～50.5 HRC,因淬火温度处于该钢常用淬火温度的中限,奥氏体化程度与1050 ℃淬火相比不够充分,耐蚀性稍差,且韧性相残留奥氏体较少,缺乏对裂纹尖端的松弛作用,不利于阻碍裂纹扩展,在该工艺下轧辊使用寿命比880 ℃淬火提高较多,但耐磨损腐蚀性能未达到客户的预期。

3) 20Cr13钢在1050 ℃真空淬火并180 ℃低温回火后,基体合金化程度很高,组织为回火马氏体和一定量的残留奥氏体,硬度和耐蚀性提高明显,一定量的残留奥氏体为韧性相,对轧辊使用过程中产生的微裂纹有钝化作用,阻碍裂纹的扩展,能较好地提高辊面的接触疲劳寿命。该工艺下轧辊使用寿命是1000 ℃真空淬火+180 ℃回火工艺的2倍多,是880 ℃淬火+180 ℃回火工艺的4倍左右。该工艺适用于对强度、磨损腐蚀要求较高的模具类产品,可以使辊面获得马氏体和一定量残留奥氏体,提高轧辊的综合使用性能,提高生产效率,降低生产成本,达到节能降耗的目的。

4) 将轧辊淬火后线切割键槽的底部,按键的尺寸不同,在键槽底部割成R0.5～R1的圆角过渡,既不影响键的安装联结,又使键槽底部圆滑过渡,减少应力集中,避免辊面使用中沿键槽早期开裂,效果明显。