提高卷封滾輪使用壽命的研究
文/郭松
摘要:通過對卷封滾輪的失效分析, 對由Cr12MoV 鋼制造的金屬容器卷封滾輪采取預處理(反復鐓鍛+球化退火+調質)、熱處理(淬火+深冷處理+回火)、曲線精度控制、表面處理等多項措施, 可有效地提高其使用壽命。
關鍵詞:金屬容器;卷封滾輪;熱處理;深冷處理
金屬容器卷封滾輪材料主要采用Cr12MoV 鋼。由于目前各企業所采用的卷封滾輪的卷封曲線及材料熱處理方式的不同, 滾輪壽命也各有不同, 與國外相比還有較大差距。本文從研究熱處理工藝、曲線形狀、表面處理工藝等諸方面著手,探討提高卷封滾輪使用壽命的問題。
1 卷封滾輪的失效模式
圖1 為卷封輪溝槽表面損傷的微觀形貌。從圖中可以看到, 國內外卷封輪溝槽表面均存在點狀麻坑剝落, 進口輪的麻坑較細小。國產輪溝槽表面還存在較為明顯的劃道及犁溝。
國產滾輪:Cr12MoV
進口滾輪:D2
圖1 卷封滾輪溝槽表面損傷形貌(掃描電鏡片) 2000×
國產輪犁溝粗而深, 這與國產輪材質較差有關, 如硬度低、碳化物分布不均、碳化物顆粒粗大等明顯的塑性流變痕跡及舌狀花樣, 表明粘著磨損的存在。
卷封滾輪在封口作業時, 受力情況比較復雜。溝槽曲線表面在無潤滑的狀態下要承受鋼板強烈的刮、擠和摩擦磨損。由于材料本身中硬脆碳化物顆粒的剝落或硬顆粒在壓應力作用下, 在其工作表面(曲線溝槽表面)形成較深的的空洞及其周圍基體金屬的碎裂而引起磨粒磨損。在磨粒磨損的同時, 相應摩擦副表面某些磨損處, 在高擠壓力的作用下, 氧化膜遭破壞后而產生金屬粘結。這些粘結點處的強度往往高于基體金屬的強度。在隨后的相對滑動時,破壞便發生在強度相對較低的地方。粘結的不斷形成和破壞, 就造成了粘著磨損。
國外卷封輪溝槽表面光滑, 微觀形貌呈片狀花樣, 不存在犁溝與舌狀花樣特征, 表現為典型的氧化磨損。眾所周知, 磨粒磨損, 粘著磨損的磨損速率大大高于氧化磨損, 因此, 國產卷封輪曲線溝槽表面的失效特征主要為:磨粒磨損+粘著磨損+氧化磨損。
2 卷封滾輪的熱處理工藝
2.1 原材料的鍛造與退火
Cr12MoV 鋼的優點是高的耐磨性、高抗壓強度、微變形、高淬透性, 油冷臨界淬透直徑達φ80~200mm。缺點是, 由于它屬于萊氏體鋼, 碳化物大且分布不均。為此, 可進行合理鍛造加以改善。
表1?鍛造工藝
材料
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始鍛溫度
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終鍛溫度
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冷卻
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Cr12MoV
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1080~1120℃
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850~900℃
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砂冷
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改鍛時宜采用反復鐓鍛的方法, 單次鍛造比為2~5, 總鍛造比大于10。鍛造工藝為:
鍛后進行退火處理, 主要目的是消除內應力, 調整碳化物形狀, 獲得合適的硬度, 以利于隨后的加工, 同時也為最后的熱處理提供良好的組織基礎。Cr12MoV 的退火工藝如圖2 所示。圖3 為球化退火后的組織。
圖2 Cr12MoV 鋼等溫球化退火工藝
圖3 Cr12MoV 鋼球化退火組織500×
2.2 調質
卷封滾輪粗加工后, 增加一道調質預備熱處理, 對提高使用壽命十分有利。由于高溫加熱時彌散碳化物的析出, 不但能進一步改善碳化物的分布, 而且能夠提高鋼的強韌性。大量的試驗結果表明, 采用高溫固溶微細化預處理,對于提高鋼的強韌性能效果較為顯著。因此調質淬火溫度通常要比常規高30~50℃, 高溫回火溫度取720~760℃。
2.3 熱處理與深冷處理
基于對卷封模具失效原因的分析, 在所有要求的性能中, 最重要的是抗壓性(變形能力)和耐磨性。熱處理工藝的制定主要圍繞這兩點來進行。
Cr12MoV 鋼淬火溫度通常有低、高兩種。采用低溫(950~1000℃)淬火和低溫回火可以獲得高硬度和較高的韌性, 但抗壓強度低;采用高溫淬火(1100℃)及二次硬化的高溫回火(500~520℃)可獲得較高的硬度和抗壓強度, 但韌性太差。研究表明, 采用中溫淬火(1010~1060℃),施加冷處理和低溫回火, 可大幅提高模具的壽命。冷處理的作用大體可歸結為兩點:一是促使殘余奧氏體向馬氏體轉變, 使材料的強度、硬度增加, 塑性下降;二是馬氏體基體的變化(微細彌散碳化物的析出、晶體內鑲嵌塊細化、位錯密度增加), 第二類殘余應力減少, 馬氏體畸變減少。所有這一切增加了裂紋擴展所需能量, 使材料韌性恢復。
圖4?Cr12MoV 鋼淬火溫度和硬度的關系
圖4 為Cr12MoV 鋼淬火溫度與硬度的關系。1040℃淬火可獲得最高的硬度(65.9HRC), 冷處理后可進一步提高到67.6HRC,經170℃左右回火后硬度調整到65HRC?左右。
冷處理溫度對硬度的影響(見圖5), 隨冷處理溫度的降低, 硬度逐漸提高。
圖5?冷處理溫度對Cr12MoV?鋼硬度的影響(冷處理后200℃回火)
由于材料的抗壓強度與硬度存在以下關系:
σbc=120×[HRC]-4440(MPa)
可見硬度越高, 抗壓強度也越高。研究指出, 如圖6 所示, 冷處理可使耐磨性顯著提高。淬火溫度越高, 冷處理后的硬度也越高。而中溫淬火加熱, 可以較多地溶解合金碳化物,使基體中存在較多的合金元素, 以充分發揮合金元素的有利作用。中溫淬火的抗壓強度比低溫淬火要高得多也反映了這一點。
圖6 Cr12MoV 鋼在不同淬火溫度和冷處理條件下,硬度與磨損速率的關系
2.4 熱處理工藝
根據上面對Cr12MoV 鋼材料的熱處理工藝分析, 對卷封滾輪實施如圖7 的最終熱處理工藝:
熱處理后的金相組織(圖8)為:隱針馬氏體+碳化物(大顆粒共晶碳化物+細小彌散分布的二次碳化物)+少量殘余奧氏體, 晶粒度為9~11 級。
圖7 Cr12MoV 鋼卷封輪最終熱處理工藝
圖8 Cr12MoV 鋼卷封輪熱處理后的組織500×
3 卷封曲線
在卷封技術中, 若第一道卷封不合格, 往往很難靠第二道卷封調整過來。因此, 第一道卷封曲線的設計非常重要。一條好用的一道卷封曲線, 不光能卷封出良好的卷邊, 還可以延長模具的使用壽命。如圖9 所示, 圖中曲線1為理論曲線, 曲線2 為卷封滾輪的實際曲線,曲線3 為磨損后的失效曲線, δ 為實際曲線與理論曲線的偏移量。δ1為實際曲線至失效曲線的可磨損量, δ2為理論曲線至失效曲線的可磨損量、由于δ2>δ1, 使用壽命可大大提高。換言之,實際曲線(曲線2)越接近理論曲線(曲線1), 卷封滾輪的使用壽命就越長。在理論上, 卷封曲線的設計往往要考慮材料力學, 弾、塑性力學,失穩理論, 薄殼理論等基礎理論。由于在生產實踐中影響卷封質量的因素較多, 較實用的設計方法是針對卷封結構的要求采取理論與實驗相結合的方法。
圖9 一道卷封曲線
由圖9 可知, 從導入切線與R1的切點a 至導出切線與R2的切點b, 卷封曲線的曲率半徑曲∞ 變化至Rmin。這一變化過程理論上分析,應以連續變化為佳。連續變化的曲線有漸開線及對數曲線等。圖10 為采用漸開線的一道卷封曲線, 從圖中可以看出, 該曲線是由兩條基圓直徑分別為D1、D2的漸開線相銜接, 平滑、連續過渡的卷封曲線。ab 段曲線為第一漸開線,bc 段曲線為第二漸開線, 一道卷邊分兩階段連續進行。
圖10 采用漸開線的第一道卷封曲線
因這類曲線在工業生產中加工制作難度很大, 故常以幾段圓弧來取代, 圓弧越多, 越接近理論曲線。為分析方便, 令漸開線ab 段的曲率半徑近似為R1, bc 段的曲率半徑近似為R2,如圖9 中的曲線1。圖中若曲線中R1增大, 則易引起薄板早期彈性失穩, 而R1減小可使薄板的早期變形較平緩。在卷封曲線卷封實驗時,調整兩階段(R1、R2圓弧段)的曲率半徑(如圖11), 以得到較理想的一道卷封滾輪曲線。曲線確定后, 主要尺寸精度應控制在±0.005mm, 表面粗糙度0.2。
圖11 曲線中R1的曲率變化
4 表面處理
采用氮化鈦氣相沉積法對卷封滾輪成品表面進行處理, 可進一步提高曲線溝槽的使用壽命。實驗表明, 500~550℃的表面氮化鈦處理,剝層后基體硬度仍能達到61~63HRC。
5 總結
對于Cr12MoV 鋼制造的金屬容器卷封滾輪,通過采用預處理(反復鐓鍛+球化退火+調質)、熱處理(淬火+深冷處理+回火)、曲線精度、表面處理等改進措施, 可有效地提高卷封滾輪的使用壽命, 達到國外進口同類產品的水平。
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