专利名称：碳素工具钢/普碳钢高耐磨高均匀性高寿命冶金用复合衬板的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种采用爆炸焊接技术和特种中频感应淬火工艺制造的碳素工具钢/普碳钢高耐磨高均勻性高寿命冶金用复合衬板，属于冶金机械设备制造和复合材料热处理综合工艺技术。
背景技术：
耐磨金属复合衬板由两种材料(复层+基层)经爆炸焊接而成，复层为耐磨材料， 主要牌号有T8、TlO碳素工具钢及3Crl3马氏体不锈钢等，厚度为6_10mm。基层为高冲击韧性的低碳钢，主要牌号有Q235、Q345等，厚度为20_40mm。耐磨冶金用金属复合衬板的加工涉及爆炸焊接和热处理两大特种工艺技术，目前产品的生产现状是根据复合板的材料和衬板产品的技术要求，由生产耐磨金属复合衬板的企业购进爆炸焊接耐磨金属复合板，经切削加工和热处理生产加工成耐磨金属复合衬板。因此产品的质量保证首先是来自于复合板，及爆炸焊接贴合率和贴合强度，其次是靠复合衬板热处理的工艺水平以及生产过程的技术质量控制来保证。耐磨金属复合衬板的使用寿命取决于复层的硬度，产品的热处理技术要求要求最早由北京冶金设备研究院提出，技术指标为表面硬度> HRC58，淬硬层深度 5-7mm。产品主要用于冶金产品轧制机组的轧辊衬板、导位板、滑板等。调查了国内耐磨金属复合衬板的热处理生产工艺技术与研究的现状，热处理工艺及生产方式有以下几种1.电炉整体加热、整体淬火2.盐浴炉整体加热、整体淬火3.电炉整体加热、复层表面喷雾淬火用电炉、盐浴炉整体加热、整体淬火是耐磨金属复合衬板的流行生产方式，江苏钢利、四川德阳等冶金机械制造企业均采用上述热处理工艺。电炉整体加热、复层表面喷雾淬火是上海宝钢与清华大学共同研发的表面淬火工艺技术，宝钢为此研制出一种可以用雾化水冷却使其表面获得淬火效果的合金一中高碳多元低合金钢，用作耐磨金属复合衬板的复层耐磨材料。该成果发表在2004年中国金属学会第八届轧钢年会论文集和《特殊钢》2004 年06期上。上述几种耐磨金属复合衬板的热处理生产工艺虽然可以使复层的硬度达到HRC58 以上，但热处理质量及使用寿命仅为6个月左右。产品寿命较低主要原因是产品的热处理技术要求过低，只规定了表面硬度值和淬硬层深度，没有考虑到硬度的均勻性、淬硬层的硬度值。生产耐磨金属复合衬板的企业在产品加工工艺上采用了简单的整体加热淬火的热处理工艺，所用的热处理装备单一陈旧，设备的配套性差，自动控制程度低下，无法控制淬硬层的深度和硬度。整体高温加热对高碳及合金材料容易发生氧化脱碳现象没有采取有效地防范措施，淬火冷却时难免产生软点或区域性软块；翘曲变形严重；复层被整体淬火， 造成复合界面发生分层、开裂，热处理废品率高；表面硬度均勻性> 3HRC，有的厂家甚至达到10HRC ；淬火层深度没有控制；浅表层的硬度高于表面硬度；处理过程均为人工操作，无法保证产品质量的稳定性，产品的耐磨性能难以满足冶金用耐磨衬板的使用寿命应达到12 个月的要求。高耐磨高均勻性高寿命冶金用复合衬板关键核心技术就是热处理工艺。应从加热方式、防氧化脱碳、冷却的速度、复层的硬度均勻性、硬化层深度与淬火变形开裂控制等因素入手，在保证复板表面获得高硬度的同时做到淬火硬化层深度可控。与单一材料淬火处理的不同点是，耐磨复合板是由两种不同类型和特性的金属材料复合而成的，淬火处理时必须考虑对复合层间界面的影响，这是研究高耐磨复合衬板热处理工艺的首要因素，其关键技术在于淬火处理时如何保证高硬度、高均勻性、硬化层深度可控。本发明着重解决了高耐磨高均勻性高寿命冶金用复合衬板热处理中几个关键工艺技术问题1.淬火硬度及均勻性选择加热方法应考虑加热时防止发生氧化脱碳，是保证淬火硬度与均勻性的根本措施，采用感应加热方式可以有效地解决高碳及合金材料容易发生氧化脱碳现象，感应加热时间极短，加热表面来不及发生氧化脱碳，淬火过程就已经结束。其次是加热的均勻性问题，设计合适的感应器，严格控制加热面与感应圈的间隙，以保证大幅平面加热的均勻性。2.淬硬层深度及硬度控制控制淬硬层深度和硬度是高耐磨复合衬板热处理最为关键的技术。淬火是一种金属的相变过程，整体淬火无法控制硬化层深度，其结果是复板整体淬火硬化，发生组织转变时所形成的组织应力一定会对复合板层间的界面组织产生影响，或导致层间裂纹、分层现象的发生，从而破坏复合板原有的界面状态。在淬火时应避免在复层界面发生完全的马氏体相变，以减少在界面形成的组织应力，尽量保持复合板原有的界面状态，保证热处理的成品率。复层表面得到高硬度(》HRC58)、高均勻的淬火硬化层(硬度差值< 3HRC)，复层厚度1/2处的硬度> HRC50，复层厚度3/5-4/5处(接近复合界面)的硬度< 35HRC，使复层 (耐磨层)的硬度呈梯度分布，避免了淬火过程中出现开裂和分层的现象。3.变形控制淬火后会产生翘曲变形，变形量与基板的厚度、透热深度与温度均勻性、淬火的宽度有关，当透热深度达到IOmm以上，淬火宽度达到500mm以上时，会出现不同程度的变形， 常规的人工操作无法对变形量进行控制。利用自动控制的淬火机床，可依据基板的厚度、复板硬化层深度要求制定感应加热淬火工艺参数，控制和减小变形量。
发明内容
利用感应加热原理，采用中频加热方式对耐磨金属材料复合板进行表面淬火处理。研发出完整的高耐磨冶金用复合衬板的热处理工艺技术，包括前期的预处理工艺、中频感应淬火工艺、热处理工艺程序与生产流程。设计开发出新型的、可对宽幅面金属复合板 (淬火宽度1500mm)进行表面淬火的中频感应淬火自动控制生产线。保证热处理后的耐磨金属复合衬板的高硬度、高均勻性，淬火层深度可控，解决耐磨金属复合衬板热处理技术难题，提高热处理生产效率和合格品率，使产品的使用性能达到国外进口的水平。根据调查， 到目前为止未发现任何有关金属复合材料表面中频感应淬火工艺技术的文献资料。对单一材料的局部加热淬火处理，用中频对大宽幅的耐磨金属复合板平面进行感应加热淬火并可任意控制淬火硬化层深度的工艺技术在国内属首创。
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本发明的技术解决方案针对高耐磨冶金用复合衬板的材料及不同材料复合界面特点、产品的使用条件， 提出高硬度高均勻性，淬火层深度可控的热处理技术解决方案，具体内容有前期的预处理工艺、产品加工与热处理生产技术路线、中频感应淬火工艺，设计开发出新型的可对宽幅面金属复合板(淬火宽幅1500mm)进行表面淬火的中频感应淬火自动控制生产线。一.前期的预处理1.退火处理从高碳、高合金材料的成分、组织特征、性能特点入手，分析热处理工艺特点，做好爆炸焊接和感应淬火前的组织准备。对T8、TlO等碳素工具钢(复板)采取等温球化退火工艺，使淬火前的碳化物呈球状均勻分布，以保证淬火后组织均勻、硬度均勻，降低淬火开裂倾向。球化退火(预备)处理工艺，一般为760°C 2小时+680°C 4小时、 随炉冷至400°C以下出炉。2.消除应力处理和板面校平爆炸焊接后的复合板，会产生较大的翘曲变形和应力，必须先进行消除应力处理， 避免淬火后发生更大的变形，然后进行液压校平，要求平整度达到1-1.5%。。消除应力处理工艺一般加热温度为640-680°C，升温速度不大于150°C /h，保温时间根据复合板的厚度和装炉量制定，一般为1-2小时，炉冷至300°C以下出炉。3.初加工根据产品的外形尺寸进行初步加工，用等离子切割机切割成产品尺寸，用千叶轮机械打磨去除复层表面的脱碳层，用铣床铣边消除锐角，然后用平面磨对复层表面进行磨削处理，磨削后产品的平行度符合表面感应加热的间隙要求。初加工处理工艺，打磨深度以去除表面脱碳层为准，一般要求> 0. 5mm ；磨削后工件的平行度应符合表面感应加热的间隙要求，一般要求< 1. 0mm。二.中频感应淬火1.工艺要求按复层的材料及厚度、淬火硬化层要求，制定合理的工艺参数电流频率、透热深度、加热间隙、加热温度、淬火推进速度等；根据工件的加热宽度，制作相应的感应圈。中频感应表面加热淬火感应圈加热与喷水宽度为1500mm、感应圈出水孔径为 1. 0mm、感应器与加热面距离2-3mm、加热温度850-900°C、冷却水压力为0. 2Mpa、淬火机床推进速度l-3mm/s。2.技术指标制定高耐磨高均勻性高寿命冶金用复合衬板热处理技术指标，并提出近复合层界面的硬度要求。碳素工具钢/普碳钢高耐磨高均勻性高寿命冶金用复合衬板要求其表面硬度> 61HRC ；硬度均勻性< 3HRC ；复层厚度方向5mm处的硬度值> 50HRC ；至复层厚度3/5-4/5处的硬度值< 35HRC。3.感应器的设计与制作根据试板的宽度尺寸设计感应器的形状，用纯铜方管制作成长方形感应圈，将感应器连接在变压器上，形成感应加热部件。由于感应器的电流存在环状效应，有利于环状外表面的加热，而加热平面时会使感应加热电源的有效功率显著降低，为提高平面感应加热的效率，在感应圈四周排满导磁体，以强迫感应器的环状效应作用在需要加热的平面上，并改变磁场强度的分布，提高加热效率。4.喷水装置
在感应圈下端打满Imm左右与平面呈30°的小孔，将水管连接在感应器上，工作水压0. 3Mpa，介质自来水或地下水。5.淬火机床采用卧式结构，总长6米，将工作台面设有5度的倾角保证在淬火时水的流向，高精度滚珠丝杆和高精度直线导轨完成工件的往复运动，速度无级可调，充分保证工件加热和冷却的均勻性，淬火感应器具有升降与前后移动功能，方便快速调整感应器，通过电气控制单元使机械部分与感应加热电源部分实现工件自动淬火处理，三.硬度检验及方法1.表面硬度及均勻性检测用里氏硬度计对整个淬火表面进行硬度检测，要求在整个板面的五个区域各测3个硬度值。2.硬化层深度检测不同的复层材料在批量生产前，用硬化层深度检测方法进行淬火工艺评定，用小负荷硬度计对复层整个截面进行硬度检测，绘制复层表面至复合面的硬度变化曲线图。本发明的优点1.根据金属相变理论，提出了控制透热深度，可以避免在复合界面发生完全的马氏体转变，在获得高均勻性高硬度的同时对淬火硬化层进行控制的技术要求，感应加热淬火工艺技术可以实施精确的控制。2.根据T8/Q235爆炸焊接耐磨复合板的试验结果，接近复合层的界面(复层厚度方向的3/5-4/5处)的硬度值< 35HRC，可以避免复合层出现微裂纹、分层开裂的现象的发生。3.与整体加热方式相比，感应加热表面可以避免氧化脱碳问题，淬火后可以保证表面硬度的均勻性并可对根据产品的技术要求改变淬火硬化层深度。生产过程不产生任何废弃物和有害气体，符合绿色环保的要求，自动控制感应加热淬火的热处理质量远高于整体加热的质量，解决了冶金用耐磨复合衬板的热处理工艺技术难题。4.用于连轧机组轴承箱座、轧辊牌坊的耐磨金属复合衬板属于重要的耐磨件，大部分重要部位耐磨件均来自进口，本项目的高耐磨冶金用复合衬板试制品完全符合进口产品的技术要求。
具体实施例方式工业化生产T8/Q345 (6+30)冶金用耐磨复合衬板热处理工艺为1.球化退火(预备)热处理等温球化退火工艺760°C 2小时+680°C 4小时、炉冷至400°C以下出炉，上校平机校平后将配组材料待复合的表面进行打磨抛光后转爆炸焊接。2.消除应力处理去应力退火工艺加热温度640-680°C，加热速度不大于150°C /h，保温时间1_2 小时，炉冷至300°C以下出炉。然后进行液压校平，要求平整度达到1%。。3.待淬火表面的初加工用平面磨对复层表面进行磨削处理，磨削后工件的平整度符合表面感应加热的间隙要求，检验合格后转表面淬火。
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4.中频感应表面淬火工艺加热与喷水宽度为1500mm的感应圈、感应圈出水孔径为1. 0mm、感应器与加热面距离2-3mm、加热温度850_900°C、冷却水压力为0. 2Mpa、淬火机床推进速度l-3mm/s。5.硬度检验结果复层表面硬度在HRC61. 1和HRC63. 8之间，不仅具有非常高的硬度，而且均勻性好。硬度均勻性< 3HRC ；复层厚度方向5mm处的硬度值> 50HRC ；至复层厚度3/5-4/5处的硬度值< 35HRC。
权利要求
1.碳素工具钢/普碳钢高耐磨高均勻性高寿命冶金用复合衬板其特征是表面硬度> 6IHRC ；硬度均勻性<3HRC ；复层厚度方向5mm处的硬度值> 50HRC ；至复层厚度3/5-4/5处的硬度值< 35HRC。
2.碳素工具钢/普碳钢高耐磨高均勻性高寿命冶金用复合衬板其特征是热处理工艺包括球化退火(预备)处理、消除应力处理、初加工处理、中频感应表面加热淬火处理等关键技术。
3.根据权利要求2所述的球化退火(预备)处理工艺，其特征为760°C2小时+680°C4 小时、随炉冷至400 °C以下出炉。
4.根据权利要求2所述的消除应力处理工艺，其特征为加热温度640-680°C，升温速度不大于150°C /h，保温时间根据复合板的厚度和装炉量制定，一般为1-2小时，炉冷至 300°C以下出炉。
5.根据权利要求2所述的初加工处理工艺，其特征为打磨深度以去除表面脱碳层为准，一般要求>0. 5mm;磨削后工件的平行度应符合表面感应加热的间隙要求，一般要求 < 1. Omm0
6.根据权利要求2所述的中频感应表面加热淬火处理工艺，其特征是加热与喷水宽度为1500mm的感应圈、感应圈出水孔径为1. 0mm、感应器与加热面距离2_3mm、加热温度 850-900°C、冷却水压力为0. 2Mpa、淬火机床推进速度l-3mm/s。
全文摘要
碳素工具钢/普碳钢高耐磨高均匀性高寿命冶金用复合衬板。本发明针对爆炸复合耐磨材料的特点和冶金用耐磨衬板的使用要求，利用表面感应加热原理和金属相变理论，控制透热深度和近复合层界面的硬度，控制淬火硬化层深度和均匀性，并使复层的硬度呈梯度分布，避免了复合层界面在淬火时发生完全的马氏体相变，以减少在界面形成的组织应力，尽量保持复合板原有的界面结合状态。该高耐磨高均匀性高寿命冶金用复合衬板其表面硬度＞61HRC；硬度均匀性＜3HRC；复层厚度方向5mm处的硬度值＞50HRC；至复层厚度3/5-4/5处的硬度值＜35HRC。
文档编号C21D9/00GK102154537SQ20111003713
公开日2011年8月17日 申请日期2011年2月14日 优先权日2011年2月14日
发明者乔开林, 史和生, 史长根 申请人:南京润邦金属复合材料有限公司