李 博, 房 穎, 李雙喜

(河南機電職業(yè)學院, 河南 新鄭 451191)

農(nóng)業(yè)機械是改造大自然、服務大自然的工具,更應重視自然環(huán)境和人與生物的保護。1989年聯(lián)合國環(huán)境署在全球推行清潔生產(chǎn)技術,不但要求大大降低生產(chǎn)過程中的污染,節(jié)約能源和原材料,并且要求將產(chǎn)品使用、消費過程中對環(huán)境的不良影響降至最低程度。農(nóng)機零件的共同特點就是工作條件惡劣,常在潮濕或帶腐蝕(如化肥、糞尿、農(nóng)藥)的環(huán)境中工作,經(jīng)常與土壤中砂石或農(nóng)作物中的磨料發(fā)生摩擦磨損,有時還有振動與沖擊。因而零件除需要有足夠的強度、剛度和韌性外,還應具備很高的耐磨性和較好的耐蝕性[1]。

隨著經(jīng)濟和技術的發(fā)展,國內(nèi)外越來越多地采用Cr13型不銹鋼生產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械中的飼料環(huán)模、壓輥殼體和肥料軋輥等。不銹鋼不僅耐蝕性、強韌性和抗磨性好,而且壓制時顆粒出料順暢、生產(chǎn)率高,受到飼料和肥料生產(chǎn)廠的歡迎。

本文中的擠壓肥料顆粒軋輥采用20Cr13鋼制造,是常用的耐熱不銹鋼,具有較高的熱強性、抗氧化性、減震性,對淡水、海水、蒸汽、空氣也有足夠的耐蝕性,熱處理后可以獲得較高的力學性能和耐磨性,常用來制作450 ℃以下工作的機械零件和常溫下使用的化工及食品工業(yè)容器,例如傳動件、汽輪機葉片、閥體和模具等[2-6]。

Cr13型不銹鋼價格低廉,是應用最廣的不銹鋼,該類鋼中的0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13鋼之間的主要差別在于碳含量的不同,該類鋼的一個共同特點是在加熱和冷卻時具有α→γ的轉(zhuǎn)變,因此可以用熱處理的方法在比較寬的溫度范圍改善它們的硬度和力學性能[7],來滿足不同的工況需求。該鋼淬火溫度較高,常采用真空淬火。

肥料軋輥在擠壓成型肥料顆粒時,肥料原料既有生物肥,也有氮肥和鉀肥等化肥,原料具有弱酸性以及存在雜質(zhì)硬物等,所以軋輥成對擠壓工作時,既要求有較高的耐磨性,又要求具有較高的耐酸腐蝕性,軋輥的外觀形貌如圖1(a)所示,真空淬火后內(nèi)孔用線切割的方法割出鍵槽。軋輥原工藝為1000 ℃真空淬火、180 ℃回火,經(jīng)過一段時間使用后,軋輥表面出現(xiàn)成片的凹凸不平的磨損腐蝕帶,如圖1(b)所示,導致擠壓顆粒不均勻,磨損腐蝕抗力明顯降低,使用壽命較短,生產(chǎn)成本較高和生產(chǎn)效率較低。應廠家要求,希望通過對產(chǎn)品的失效原因進行分析,有效提高軋輥的使用壽命。本文通過對20Cr13鋼進行了真空熱處理工藝試驗和耐腐蝕性試驗,來提高產(chǎn)品性能,同時通過改進設計缺陷,來消除使用過程中的應力集中。

1 試驗材料和方法

本試驗中20Cr13鋼試樣的尺寸為φ19 mm×10 mm,在WZC-60G真空油淬爐中進行真空淬火,井式回火爐中回火。試樣處理完畢,采用4%硝酸酒精腐蝕劑,腐蝕溫度22 ℃,腐蝕時間45 min。采用LEICA DMI3000 M金相顯微鏡觀察試樣原材料和淬、回火后的顯微組織,用200HR-150洛氏硬度計檢測試樣硬度,用Phenom XL掃描電鏡觀察真空淬火回火試樣在1%(質(zhì)量分數(shù))HNO3水溶液中浸泡7天后的表面腐蝕形貌。試樣的化學成分如表1所示。

表1 20Cr13鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table 1 Chemical composition of the 20Cr13 steel (mass fraction, %)

試樣的原始組織對后續(xù)的淬火有較大影響,所以淬火前需對材料的原始組織進行觀察,圖2為20Cr13鋼淬火前原始態(tài)的退火組織。可以看出,20Cr13鋼顯微組織為鐵素體基體,其上均勻分布著細小彌散碳化物顆粒,為20Cr13鋼正常球化退火后的組織。

圖2 20Cr13鋼退火態(tài)的顯微組織Fig.2 As-annealed microstructure of the 20Cr13 steel

20Cr13鋼的臨界溫度為Ac1≈820 ℃,Ac3≈950 ℃,Ar1≈780 ℃,本試驗選取在Ac1和Ac3兩相區(qū)之間的880 ℃和Ac3以上的1000、1050 ℃作為工藝試驗的淬火溫度,選取的回火溫度為180 ℃,因為如果將淬火溫度提得過高(超過1050 ℃),淬火后組織中殘留奧氏體含量過多,硬度降低明顯,相伴產(chǎn)生粗大的奧氏體晶粒和馬氏體會使疲勞壽命明顯降低;而且回火時碳化物的析出過程強烈,使鋼的耐蝕性能降低[7]。試驗在真空油淬爐中淬火,加熱方式為輻射加熱,因20Cr13鋼中Cr含量高,導熱性低,為保證工件加熱均勻,減小熱應力和工件畸變,制定工藝時采用階梯升溫,以利于工件內(nèi)外溫升均勻及碳化物的充分溶解和奧氏體成分的均勻化[8],具體工藝曲線見圖3。

圖3 真空淬火工藝曲線Fig.3 Process curve of vacuum quenching

2 試驗結(jié)果

2.1 真空淬、回火后的硬度

20Cr13不銹鋼經(jīng)不同溫度淬火、回火后的硬度如表2所示,其中部分試樣只淬火不回火,用于觀察20Cr13鋼的淬火組織。

表2 20Cr13不銹鋼經(jīng)不同溫度淬火、回火后的硬度Table 2 Hardness of the 20Cr13 steel quenched at different temperatures and tempered

從表2可以看出,本試驗中20Cr13鋼在兩相區(qū)880 ℃真空淬火,硬度為40.0～41.5 HRC,當試樣經(jīng)180 ℃低溫回火后,硬度和淬火態(tài)相比無明顯變化,其原因是在此低溫回火過程中,部分殘奧轉(zhuǎn)變成回火馬氏體,碳化物析出的彌散強化作用抵消了馬氏體碳含量降低造成的硬度下降。對于20Cr13鋼某些截面變化較大的易變形件,如果對硬度要求不高,可以嘗試在880 ℃兩相區(qū)淬火,有利于減小熱應力和組織應力,避免零件變形較大,且工藝操作相對簡單,節(jié)約能耗。當淬火溫度提高到1000 ℃時,試樣淬火硬度提高到51.0～52.0 HRC,比880 ℃淬火硬度增加了11 HRC左右,經(jīng)180 ℃回火后,仍然具有49.5～50.5 HRC的較高硬度。為進一步提高淬火后馬氏體的合金化程度和耐腐蝕性,并考慮到不過大增加熱應力引起軋輥變形和產(chǎn)生過多的殘留奧氏體,所以將淬火溫度進一步提高到該鋼常規(guī)淬火溫度的上限1050 ℃,淬火后硬度為49.5～51.0 HRC,經(jīng)180 ℃回火后,硬度為48.5～49.5 HRC,比1000 ℃淬火的試樣硬度稍低。

2.2 真空淬、回火后的顯微組織

圖4為20Cr13鋼經(jīng)880 ℃淬火、180 ℃回火后的顯微組織。從圖4(a)可以看出,20Cr13鋼在880 ℃真空淬火后的組織為少量未溶鐵素鐵+淬火馬氏體+少量殘留奧氏體+一定量的未溶碳化物;因在兩相區(qū)淬火,淬火溫度低,未溶鐵素體呈細小均勻分布,使磷等有害雜質(zhì)集中于少量游離分散的鐵素體晶粒中[2]。圖4(b)為20Cr13鋼經(jīng)880 ℃淬火并180 ℃低溫回火后的顯微組織,為少量未溶鐵素體+回火馬氏體+少量殘留奧氏體,此種組織塑韌性較好,但強度、耐腐蝕性較差。

圖4 20Cr13鋼經(jīng)880 ℃淬火(a)、180 ℃回火(b)后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the 20Cr13 steel quenched at 880 ℃(a) and tempered at 180 ℃(b)

圖5為20Cr13鋼經(jīng)1000 ℃淬火、180 ℃回火后的顯微組織。從圖5(a)可以看出,此時基體中的鐵素體已完全消失,淬火后的組織為明顯的板條馬氏體和一定量的殘留奧氏體。圖5(b)為20Cr13鋼經(jīng)1000 ℃淬火并180 ℃回火后的顯微組織,可以看出,板條馬氏體中析出細小粒狀碳化物,組織為回火馬氏體和少量殘留奧氏體,此組織中殘奧較少,故硬度較高。

圖5 20Cr13鋼經(jīng)1000 ℃淬火(a)、180 ℃回火(b)后的顯微組織Fig.5 Microstructure of the 20Cr13 steel quenched at 1000 ℃(a) and then tempered at 180 ℃(b)

對1050 ℃淬火及回火后的試樣同樣采用4%(體積分數(shù))硝酸酒精腐蝕劑,在22 ℃腐蝕45 min,發(fā)現(xiàn)金相面仍然是金屬色,沒任何組織顯現(xiàn)出來;于是把腐蝕時間延長至90 min,顯微組織才模糊顯現(xiàn),由此可知圖6中試樣耐蝕性能得到明顯提高。圖6(a)為20Cr13鋼經(jīng)1050 ℃淬火后的組織,可以看出,組織為淬火馬氏體和較多的殘留奧氏體。隨著淬火溫度提高到常用淬火溫度范圍的上限,此時碳及合金元素溶入奧氏體較充分,晶粒缺少了碳化物的釘扎,長大較明顯[9-11],淬火后殘留奧氏體含量也明顯增多。一般情況下滾動接觸疲勞壽命隨殘留奧氏體量增多先增加后下降,在齒輪滲碳淬火工藝中,殘留奧氏體量上限一般控制在30%,大于30%時接觸疲勞壽命下降。全馬氏體組織雖有高強度和高抗剪強度,但裂紋一旦形成,沒有韌性相阻止就會很快擴展,所以馬氏體與適量殘留奧氏體(RA)加上耐磨的碳化物合理搭配,才有更高的耐磨性。如片面追求晶粒細化,降低淬火溫度,造成馬氏體碳含量太低、硬度不足,磨粒先將基體磨去,孤立的碳化物顆粒也難支撐;馬氏體基體上的碳化物有適當數(shù)量、粗細均勻、形態(tài)正常并與基體結(jié)合牢固,才會有高的耐磨性,且晶內(nèi)比晶界表現(xiàn)出更強的耐蝕性。這種組織適用于對耐蝕性和耐磨性都有較高要求的工件,即磨損腐蝕抗力較高。

2.3 耐蝕性能

圖7為20Cr13鋼經(jīng)不同溫度淬火并回火,磨去表面氧化層再拋光,在1%HNO3水溶液中浸泡7天后的表面腐蝕形貌SEM圖。從圖7(a)中可以看到,880 ℃淬火、180 ℃回火后試樣表面腐蝕嚴重,出現(xiàn)了大量較深的腐蝕坑,對比圖7(b),1050 ℃淬火、180 ℃回火后試樣經(jīng)過7天腐蝕液中的浸泡,表面僅僅出現(xiàn)微小的腐蝕點。這一結(jié)果與圖6試樣難侵蝕結(jié)果一致,說明經(jīng)1050 ℃淬火、180 ℃回火后試樣的耐蝕性能非常好。

圖7 不同溫度淬火并180 ℃回火后20Cr13鋼的表面腐蝕形貌Fig.7 Surface corrosion morphologies of the 20Cr13 steel quenched at different temperatures and tempered at 180 ℃(a) 880 ℃; (b) 1050 ℃

點腐蝕是不銹鋼常見的腐蝕破壞類型之一,它是因為在介質(zhì)的作用下,不銹鋼表面鈍化膜受到局部破壞造成的。在含有氯離子的介質(zhì)中容易引起不銹鋼的點腐蝕,因為氯離子容易吸附在不銹鋼表面的個別點上,破壞該處的鈍化膜,將鋼的表面暴露出來,形成微陽極,其他區(qū)域為陰極,組成了微電池。微陽極區(qū)不斷腐蝕,形成了不銹鋼的點腐蝕。點腐蝕是一種危害性很大的腐蝕破壞,尤其對于各種容器是極不利的。點腐蝕不能按腐蝕后的重量損失來評定,因為在很多情況下單位面積上的質(zhì)量損失很小,而腐蝕坑的深度卻很大,造成零件使用性能下降,所以一般是用單位面積上的腐蝕坑數(shù)量及最大深度來評定不銹鋼的點腐蝕傾向的大小[1],類似齒輪齒面疲勞點蝕的評定方法。

2.4 軋輥淬火后鍵槽線切割工藝改進

如圖8所示,20Cr13鋼制軋輥在1000 ℃真空淬火并180 ℃回火后,需要在內(nèi)孔線切割鍵槽,與軋輥軸用鍵聯(lián)結(jié)裝配后使用,使用一段時間,發(fā)現(xiàn)軋輥出現(xiàn)早期縱向裂紋,裂紋基本上沿鍵槽底部的直角處開裂,貫穿整個輥面,造成軋輥開裂失效。經(jīng)分析,軋輥淬火后硬度在50～52 HRC,如果內(nèi)孔鍵槽線切割呈直角,尤其線切割速度較快時易在直角處引起應力集中,在使用過程中形成微裂紋,由于軋輥在軋制肥料顆粒時,受持續(xù)碾壓,沖擊和沖蝕,裂紋逐漸擴展而導致開裂失效。鑒于此,我們建議軋輥生產(chǎn)廠家線切割鍵槽時,按鍵的尺寸不同,在鍵槽底部割成R0.5～R1的圓角,既不影響鍵的安裝聯(lián)結(jié),又使鍵槽底部圓滑過度,減少應力集中,避免輥面沿鍵槽開裂。

圖8 軋輥現(xiàn)場使用時沿鍵槽處開裂的縱向裂紋Fig.8 Longitudinal cracks along keyway of the rollers used on site

3 使用效果及結(jié)果分析

3.1 使用效果對比

用上述3種真空淬火工藝分別對肥料軋輥進行真空淬、回火,并將內(nèi)孔鍵槽底部割成R0.5圓角,保證鍵槽底部圓滑過渡,避免應力集中。處理后的肥料軋輥擠壓同一種生物肥料顆粒,未出現(xiàn)沿鍵槽底部的輥面縱向開裂,軋輥失效形式為腐蝕磨損或輥面溝痕,通過統(tǒng)計軋輥在失效前軋制肥料顆粒的總重量(噸數(shù))來表征軋輥的使用壽命,見表3。

表3 真空處理工藝對20Cr13鋼制肥料擠壓軋輥壽命及失效形式的影響Table 3 Effect of vacuum treatment process on life and failure forms of the 20Cr13 steel fertilizer extrusion roller

軋輥裝機成對使用,對肥料進行擠壓成型,可以看出,1050 ℃真空淬火并180 ℃回火后軋輥使用壽命最高,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,生產(chǎn)效率明顯提高,軋輥生產(chǎn)成本降低,客戶比較滿意,提高了市場占有率,該工藝現(xiàn)已批量用于肥料軋輥的真空淬火。

3.2 討論與分析

農(nóng)機零件工作時會遇到大量磨料,既有刨槽、犁溝,也有從表面滾過產(chǎn)生碾壓或造成接觸疲勞(彈性的應力疲勞和塑性的應變疲勞),還有沖擊和沖蝕、撕裂與發(fā)熱等,尤其對生物肥料軋輥,還要考慮肥料中帶氨氣和H2S的潮濕空氣和糞尿的腐蝕,所以在特定的使用條件下,硬度并非是影響耐磨損腐蝕性能的唯一因素。

淬火態(tài)的Cr13型不銹鋼,奧氏體化溫度越高,碳及合金元素溶入奧氏體越充分,奧氏體成分越均勻,在冷卻過程中奧氏體越穩(wěn)定。當淬火溫度為880 ℃時,由于奧氏體化溫度較低,基體仍存在未溶鐵素體,碳和合金元素在奧氏體中溶解、擴散不充分,淬火時雖然一定量的碳與鉻等合金元素被保持在馬氏體中,但它們存在偏聚,在180 ℃回火后,硬度為40～41.5 HRC,回火時馬氏體中析出合金碳化物,造成固溶體含Cr進一步下降,從而耐蝕性下降。當淬火溫度提高到1000 ℃,超過20Cr13鋼的Ac3點,鉻與碳能全部溶入奧氏體中,此時碳與鉻元素在奧氏體中進行了一定距離的擴散,淬火時碳與鉻等合金被完全保持在馬氏體中,在180 ℃回火后,馬氏體中會析出一定量合金碳化物,此時組織中因殘留奧氏體較少,回火硬度最高,為49.5～50.5 HRC。

當淬火溫度進一步提高到1050 ℃,碳與鉻原子擴散能進一步增大,奧氏體化更充分,組織更均勻,Ms點降低。淬火時基體被急冷到Ms點以下,鉻與碳均被均勻地保持在淬火馬氏體中,且有一定的殘留奧氏體,在低溫度180 ℃回火后,碳和鉻原子無法進行長距離擴散,只能形成微量的合金碳化物,所以固溶體中保留有足量的Cr元素,致使淬、回火后組織具有超強的耐腐蝕性。低碳馬氏體具有高強度和良好韌性的配合,如屈服強度在1000～1300 MPa、抗拉強度在1200～1600 MPa的水平上尚具有良好的塑性(A≥10%,Z≥40%)和韌性(≥ 60 J/cm2)并具有較好的可加工性和焊接性[12]。

4 結(jié)論

1) 20Cr13鋼在兩相區(qū)880 ℃真空淬火并180 ℃回火后,組織為少量未溶鐵素體+回火馬氏體+少量殘留奧氏體+一定量的未溶碳化物,硬度為40.0～41.0 HRC,雖然該工藝淬火后耐磨性和耐蝕性低,軋輥實際使用壽命不高,但對于某些薄壁異形件,在保證一定硬度的前提下,較低的淬火溫度有利于控制畸變,簡化工藝參數(shù),節(jié)能降耗。

2) 20Cr13鋼在1000 ℃真空淬火并180 ℃低溫回火后,可得到回火馬氏體和少量殘留奧氏體,雖然硬度較高,為49.5～50.5 HRC,因淬火溫度處于該鋼常用淬火溫度的中限,奧氏體化程度與1050 ℃淬火相比不夠充分,耐蝕性稍差,且韌性相殘留奧氏體較少,缺乏對裂紋尖端的松弛作用,不利于阻礙裂紋擴展,在該工藝下軋輥使用壽命比880 ℃淬火提高較多,但耐磨損腐蝕性能未達到客戶的預期。

3) 20Cr13鋼在1050 ℃真空淬火并180 ℃低溫回火后,基體合金化程度很高,組織為回火馬氏體和一定量的殘留奧氏體,硬度和耐蝕性提高明顯,一定量的殘留奧氏體為韌性相,對軋輥使用過程中產(chǎn)生的微裂紋有鈍化作用,阻礙裂紋的擴展,能較好地提高輥面的接觸疲勞壽命。該工藝下軋輥使用壽命是1000 ℃真空淬火+180 ℃回火工藝的2倍多,是880 ℃淬火+180 ℃回火工藝的4倍左右。該工藝適用于對強度、磨損腐蝕要求較高的模具類產(chǎn)品,可以使輥面獲得馬氏體和一定量殘留奧氏體,提高軋輥的綜合使用性能,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,達到節(jié)能降耗的目的。

4) 將軋輥淬火后線切割鍵槽的底部,按鍵的尺寸不同,在鍵槽底部割成R0.5～R1的圓角過渡,既不影響鍵的安裝聯(lián)結(jié),又使鍵槽底部圓滑過渡,減少應力集中,避免輥面使用中沿鍵槽早期開裂,效果明顯。