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深冷处理对制砖模具芯杆组织与性能的影响 ① 刘红梅1,2, 徐元彬1, 汪兴兴1, 吴成群1, 吕 毅1, 倪红军1 (1.南通大学 机械工程学院,江苏 南通 226019; 2.南通大学 工程训练中心,江苏 南通 226019) 摘 要 为探究深冷处理对制砖模具芯杆使用寿命的影响,采用不同的深冷工艺对制砖模具芯杆(65Mn)进行了深冷处理。 利用扫 描电子显微镜、X 射线衍射仪、硬度测试机及摩擦试验机对深冷前后芯杆微观组织结构、硬度与耐磨性进行了观察与测试。 结果表 明采用合适的深冷工艺可有效提高芯杆的硬度和耐磨性。 其中两次-180 ℃深冷处理 2 h、200 ℃回火后效果最为明显,芯杆残留 奥氏体含量降幅达到 24.5%,硬度提高 5.7HRC,摩擦因数下降 55.2%。 深冷过程中板条状马氏体转变为孪晶马氏体,且马氏体和托 氏体组织会得到进一步细化,组织中有碳化物析出。 关键词 深冷处理; 制砖模具芯杆; 微观组织; 力学性能 中图分类号 TG76文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.04.031 文章编号 0253-6099(2015)04-0115-04 Effects of Deep Cryogenic Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Brick⁃making Mold Core Rod LIU Hong⁃mei1,2, XU Yuan⁃bin1, WANG Xing⁃xing1, WU Cheng⁃qun1, L Yi1, NI Hong⁃jun1 (1.School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu, China; 2.Engineering Training Center, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu, China) Abstract In order to explore the effects of deep cryogenic treatment on the service life of brick⁃making mold core rod, the brickmaking mold core rod (65Mn) was treated by using different cryogenic processes. The microstructure, hardness and wear resistance of the core rod before and after cryogenic treatment were observed and tested with scanning electron microscope, X⁃ray diffractometer, hardness testing machine and friction test machine. The results show that an appropriate cryogenic process can effectively improve the hardness and abrasion resistance of the core rod. Twice cryogenic treatment at -180 ℃ for 2 hrs followed by tempering at 200 ℃ brings significant effects, that is, retained austenite content and friction factor reduced by 24.5% and 55.2% respectively, and hardness increased by 5.7HRC. In the cryogenic process, the plate⁃strip⁃like martensite is transformed to twin martensite, furthermore, the martensite and troostite are further refined, with carbide precipitated. Key words deep cryogenic treatment; brickmaking mold core rod; microstructure; mechanical property 制砖模具是空心砖生产的关键部分,其中制砖模 具的芯杆在多孔砖成型中起着穿孔成洞、调节泥料流 速平衡的重要作用[1],直接影响到能否挤出合格的泥 条。 由于芯杆不停地受到坯料的挤压与摩擦,芯杆硬 度和耐磨性直接影响砖坯质量与生产效率。 因此,提 高芯杆的硬度和耐磨性是研发高质量耐用制砖模具的 首要任务。 深冷处理作为材料的一种有效无损改性技术,受 到国内外学者的广泛重视与研究,且不断在生产实践 中得到应用。 深冷处理是将材料置于可控温度的特定 装置中进行处理,通常温度在-100 ℃以下[2-3]。 大量 研究表明[4-8],深冷处理不仅能使钢中的残留奥氏体 转变成马氏体,消除内应力,而且能细化组织晶粒并析 出弥散细小的碳化物,这种改变在宏观上表现为材料 耐磨性、硬度、韧性和尺寸稳定性等方面的改善和增 强,从而整体提高材料性能、延长使用寿命。 目前,提高制砖模具材料性能的主要方法集中于传 统热处理工艺和材料表面处理技术的应用。 而采用深 ①收稿日期 2015-02-13 基金项目 江苏省经信委基金资助(2013-742-1;2013-742-2) 作者简介 刘红梅(1968-),女,江苏南通人,硕士,教授,主要从事绿色建筑、建筑材料与设备节能等研究。 通讯作者 倪红军(1965-),男,江苏南通人,博士,教授,主要研究方向为金属材料和新能源汽车及燃料电池等。 第 35 卷第 4 期 2015 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №4 August 2015 冷处理工艺来提高制砖模具芯杆材料性能的研究还未 得到足够重视,因此探究深冷处理对改善制砖模具芯杆 的性能十分必要。 本文探究了 4 种不同深冷工艺对制 砖模具芯杆组织与性能的影响,结果表明,经合适的深 冷工艺处理后的芯杆内部组织发生了明显变化,硬度和 耐磨性增强,因此可以延长制砖模具的整体使用寿命。 1 试 验 1.1 试验材料 芯杆为 65Mn,经过 840 ℃淬火和 480 ℃中温回火 处理。 该制砖模具芯杆成分符合 GB 699-1999优质碳 素结构钢国家标准的规定,其化学成分如表 1 所示。 表 1 制砖模具芯杆(65Mn)的化学成分(质量分数) / % CMnSiPSCrNiCu 0.62~0.70 0.90~1.20 0.17~0.37 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25≤0.30≤0.25 1.2 深冷工艺 本次试验是在能够投入生产实践的基础上采用短 时高效的深冷工艺,分别进行了 4 组试验,如表 2 所示。 表 2 深冷处理工艺 工艺编号处理工艺与参数 工艺 1将芯杆深冷至-100 ℃,恒温 2 h 再进行 200 ℃回火 工艺 2将芯杆超深冷至-180 ℃,恒温 2 h 再进行 200 ℃回火 工艺 3 将芯杆进行 2 次深冷,即先深冷至-100 ℃恒温 2 h,待 温度回复至室温后再进行 1 次-100 ℃ 深冷恒温 2 h, 最后进行 200 ℃回火 工艺 4 将芯杆进行 2 次超深冷,即深冷至-180 ℃恒温 2 h,等 温度回复至室温后再进行 1 次-180 ℃ 深冷恒温 2 h, 最后进行 200 ℃回火 1.3 测试方法 将芯杆试样在抛光机上经过粗磨、细磨后,利用金 刚石抛光剂进行抛光,然后用 4%硝酸酒精溶液对其 表面进行金相腐蚀 8 s 后清洗、干燥。 利用 JSM-6510 型扫描电子显微镜对不同深冷工艺处理后的芯杆金相 组织进行观察分析,利用 UItimaⅣ型 X 射线衍射仪对 不同深冷工艺处理的芯杆残留奥氏体进行测定,利用 HR-150A 洛氏硬度测试机对深冷处理前后芯杆截面 硬度进行测试,利用 UMT-2 摩擦试验机对深冷处理 前后芯杆的耐磨性进行测试。 2 结果与分析 2.1 深冷处理对芯杆显微组织的影响 不同深冷工艺处理的芯杆经 200 ℃ 2 h 回火后 的显微组织如图 1 所示。 图 1 不同深冷工艺处理的芯杆显微组织 (a) 未深冷处理; (b) 工艺 1; (c) 工艺 2; (d) 工艺 3; (e) 工艺 4 马氏体在深冷情况下易产生形变孪晶。 从图 1 可 以看出,经过深冷处理后芯杆组织中均出现了孪晶马 氏体,孪晶量随深冷温度降低和深冷次数增加而增加, 初步看出深冷温度越低,马氏体片内的孪晶分布越广, 以至于完全为孪晶。 形变孪晶对材料的力学性能具有 重要影响,孪晶马氏体是在同一惯习面上已有晶核的 旁边生成具有孪晶关系的新晶核,可有效降低材料内 部的应变能和界面能,导致形成束状薄片马氏体。 孪 晶马氏体的硬度与强度略高于位错马氏体的硬度与强 度,此外,孪生界会降低位错的平均自由程,起到硬化 作用,降低塑性,使马氏体强化。 深冷处理可细化马氏体和托氏体组织。 从图 1 (e)中可以看出,两次-180 ℃深冷处理后马氏体和托 氏体组织之间的片层距离减小且呈有规律的排列。 细 化马氏体群的大小,可提高马氏体强度,随着组织片层 间距减小,组织强度提高,硬度也随之增加,力学性能 得到改善,实际上,就是细化组织强化。 深冷处理可使芯杆组织中的残留奥氏体转变成马 氏体,改善和消除钢中残余应力的分布,析出更多细小 碳化物,马氏体起弥散强化。 图 2 为不同深冷工艺处 理后芯杆的 XRD 对比分析。 选择奥氏体峰(200)和 马氏体峰(211),根据 YB/ T 5338-2006,对芯杆中残 留奥氏体含量进行了计算,结果如表 3 所示。 从计算 结果可以看出,经过不同深冷工艺处理后的芯杆试样 中残留奥氏体均有所降低,经过两次-180 ℃深冷处理 611矿 冶 工 程第 35 卷 后的残留奥氏体含量与未深冷处理的芯杆试样中残留 奥氏体含量相比,降幅达到 24.5%。 由此可以得出深 冷处理可使芯杆中残留奥氏体大幅下降,从而改善芯 杆的力学性能。 200 a b c d e 50 60 70 80 90 100 2θ / α 200α 200α 200α 211α 211α 211α 211α 211α 200α 图 2 深冷前后芯杆 X 射线衍射图谱 (a) 未深冷处理;(b) 工艺 1;(c)工艺 2; (d) 工艺 3; (e) 工艺 4 表 3 残余奥氏体含量 工艺编号残余奥氏体含量/ % 未处理13.9 工艺 112.0 工艺 212.0 工艺 310.8 工艺 410.5 2.2 深冷处理对芯杆硬度的影响 对深冷前后芯杆截面进行了洛氏硬度测试,每组 芯杆测得 5 个硬度值,去掉每组硬度最大值和最小值 并求出平均值,测试结果如表 4 所示。 表 4 深冷前后制砖模具芯杆的硬度(HRC) 工艺编号12345平均值 未处理50.847.251.652.851.751.4 工艺 153.053.854.053.252.153.3 工艺 254.154.854.655.054.554.6 工艺 355.355.656.556.555.856.0 工艺 457.257.356.857.057.157.1 从表 4 可以直观地发现,采用不同深冷工艺处理 的芯杆硬度值变化存在差异,经工艺 4 处理后,芯杆硬 度提高最为明显,比未深冷处理的芯杆硬度提高了 5.7HRC,芯杆硬度的变化与深冷温度和次数有关,深 冷温度越低,芯杆硬度提高越明显;芯杆硬度随深冷次 数增加而增加。 深冷后芯杆硬度增加是因为深冷过程 中部分残留奥氏体转变为马氏体,且马氏体产生形变 孪晶使芯杆的硬度和强度增加,随着深冷温度降低和 深冷次数增加,残留奥氏体转变为马氏体越充分,且孪 晶量分布越广,马氏体和托氏体组织得到进一步细化, 形成弥散强化。 所以芯杆硬度随着深冷温度降低而提 高,随着深冷次数增加而增大。 2.3 深冷处理对芯杆耐磨性的影响 在 UMT-2 摩擦试验机上,选用氮化硅陶瓷球,以 干磨 5 min 后观察摩擦因数随时间的变化曲线来判断 芯杆的耐磨性,结果见图 3~4 及表 5。 ;0s 6A; .A1 .A2 .A3 .A4 *3 1.5 1.0 0.5 0.00 100 200 300 图 3 不同深冷工艺处理后芯杆的摩擦因数随时间变化曲线 3.A ,6A; .A1.A2.A3.A4*3 100 80 60 40 20 0 100 85.7 70.6 70.0 44.8 图 4 不同深冷工艺处理的芯杆相对摩擦因数 表 5 不同工艺处理后芯杆的平均摩擦因数和最终摩擦因数 工艺编号平均摩擦因数最终摩擦因数 未处理0.9021.255 工艺 10.8991.075 工艺 20.7950.961 工艺 30.6790.878 工艺 40.5560.562 从图 3 可以看出,不同深冷工艺处理后的芯杆摩 擦因数均随实验时间增加而逐渐增大,并随着时间延 长渐渐趋于稳定。 采用不同的深冷工艺,芯杆的摩擦 因数有明显的区别。 从图 4 可以看出,深冷后芯杆的 摩擦因数比未深冷处理芯杆的摩擦因数都有所降低, 表明深冷后芯杆耐磨性都有一定程度提高。 芯杆的工 作环境要求芯杆具有高耐磨性,所以深冷处理后芯杆 的使用寿命可以得到提高。 芯杆耐磨性的提高与深冷 711第 4 期刘红梅等 深冷处理对制砖模具芯杆组织与性能的影响 温度和次数有关,经工艺 4 处理后芯杆的摩擦因数较 低且更易趋于稳定,表明该工艺处理后的芯杆耐磨性 好,从而可知多次超深冷可有效提高芯杆的耐磨性。 此外,比较工艺 2 和工艺 3 处理后芯杆的摩擦因数可 知,深冷次数在提高芯杆耐磨性中占主导地位。 深冷处理后芯杆的耐磨性主要取决于硬化作用、 强化作用、韧化作用的综合交互作用。 芯杆中的残留 奥氏体是影响耐磨性的重要因素,残留奥氏体的硬度 较低,容易磨损,深冷后芯杆中残留奥氏体含量减小有 利于提高芯杆耐磨性。 同时深冷处理可改善和消除钢 中残余应力的分布,析出更多细小碳化物,提高基体的 强韧性,从而使芯杆抗磨粒磨损性能提高。 此外,深冷 过程中马氏体产生形变孪晶,随着深冷温度降低和深 冷次数增加,马氏体和托氏体组织会得到进一步细化, 组织变得更加致密,对提高芯杆耐磨性十分有利。 因 此深冷处理后芯杆的耐磨性都有一定程度的提高。 3 结 论 1) 制砖模具芯杆经两次-180 ℃超深冷恒温 2 h 及 200 ℃回火后,其残留奥氏体含量降幅达到 24.5%, 硬度比未深冷处理芯杆提高了 5.7HRC;其最终摩擦因 数为 0.562,比未深冷处理芯杆的最终摩擦因数下降了 0.693,降幅达到 55.2%。 经该工艺处理的芯杆硬度和 耐磨性提高较为明显。 2) 芯杆硬度和耐磨性变化与深冷温度和次数有 关,深冷温度越低,次数越多,深冷效果越明显,多次超 深冷处理可有效提高芯杆的硬度和耐磨性。 3) 深冷处理可使芯杆中的板条状马氏体发生形 变孪晶转变成为孪晶马氏体,并且可以细化马氏体和 托氏体组织,组织中有碳化物析出。 参考文献 [1] 陈纬梁. 空心砖芯具结构改进及其材料制备工艺研究[D]. 武汉 武汉理工大学材料科学与工程学院,2010. 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