复合耐磨衬板热处理工艺研究

马战勋，唐新侠

“爆炸焊复合耐磨衬板”主要应用于冶金轧机机架衬板及工作辊、支撑辊轴承座衬板，还有一种由单一材料制成的耐磨衬板用在精锻机操纵机轨床上。两种耐磨衬板都要求具有良好的耐磨性和抗冲击振动的能力。由于耐磨衬板硬度要求高，尺寸相对薄而长，热处理过程中产生了较大的淬火翘曲变形、淬裂以及硬度偏低，用板材专用淬火压床（见图1）压力淬火仍存在一定的淬火翘曲变形，因此，研究控制淬火翘曲变形和裂纹是主要任务。

1. 技术要求

复合材料耐磨衬板：≤2000mm×1000mm×45mm（长×宽×厚度）；单一材料耐磨衬板：≤2000mm×177mm×25mm（长×宽×厚度），见图2。

复合材料耐磨衬板工作面材料为T8、30Cr13，基面材料为Q235；单一材料耐磨衬板为65Mn。

复合耐磨衬板：工作面为T8时淬火硬度≥60HRC、30Cr13时淬火硬度≥56HRC，硬化层深度≥5mm，平面度≤3mm，安装基面硬度为70～100HBW。单一材料耐磨衬板：工作面为65Mn时淬火硬度≥55HRC，硬化层深度≥5mm，平面度≤4mm。

2. 工艺流程

工艺流程：下料→焊接（复合衬板）→机加工→压力淬火、回火→校正→磨削→装配。淬火工艺如下：T8钢淬火（810±10）℃×3h水冷＋180℃×4h，30Cr13钢淬火（1030±10）℃×3h水冷＋180℃×4h，65Mn钢淬火（840±10）℃×2h水冷＋180℃×3h 。采用淬火压床上压力淬火。

3. 问题及原因分析

图1 淬火压床

图2 单一材料耐磨衬板

（1）翘曲变形原因 采用上述热处理工艺，复合耐磨衬板淬火后首先暴露出的是工作面凸起、基面凹下的变形问题，一般翘曲变形量在7～10mm，这表明焊接面保持完好没有分离，工作面T8、30Cr13凸起是淬火组织的比体积大于基面Q235的非淬火组织的比体积所致，只要结构为一面是淬火材料另一面是非淬火材料就存在这种差异。单一材料耐磨衬板由于结构薄而长，要求硬度高，淬火时压床先下水的面淬火后出现凹面，背面是凸面，这是由于衬板水平压在压床上，下水时先下水的表面受到水的阻力作用就会出现下凹上凸的现象，故靠压床不会完全解决翘曲变形问题。对于较厚的复合耐磨衬板，由于水的阻力引起的下凹上凸效应不是主要的，由不同种材料特别是碳含量相差较大的两种钢板爆炸焊在一起的复合板材淬火时，由于得到淬火马氏体的比体积相差悬殊，淬火硬度高的面比体积大呈现凸面，硬度低的面比容小呈现凹面。

（2）淬火裂纹原因 复合耐磨衬板及单一耐磨衬板淬火后常出现裂纹和硬度偏低，裂纹部位主要在T8、30Cr13及65Mn钢板的棱角上，T8钢的淬火硬度虽然也可达到60HRC，但因其淬透性差，受较厚部分基面材料Q235的影响，水淬火后硬度达到60HRC困难，并有软点。当采用强烈的淬火冷却介质盐水不预冷直接淬火时，由此带来的淬火变形、淬裂倾向必然增大。30Cr13钢为中碳马氏体不锈钢，由于马氏体不锈钢特性主要是抗腐蚀性，淬硬性相对较低，淬火硬度达到56HRC是很困难的。为了同时兼顾耐磨性、耐蚀性 ，淬火采用相对激烈的冷却介质水冷，采用5%NaCl盐水淬火能达到硬度要求，但很容易淬裂。65Mn钢是一种弹性较高的钢，淬火获得较高硬度时虽然解决了硬度和耐磨性问题，但淬裂的倾向增大，同时造成的翘曲变形也增大，使得校正难以进行。综上所述，由于产品设计的硬度已经到了或超过了材料的极限硬度，淬火时冷却控制不当极易产生裂纹。

4. 工艺改进

淬火后同时获得高的硬度、小的变形和不淬裂是个矛盾的统一体，采用合适的淬火冷却方法既保证硬度又兼顾变形小、不淬裂；压力淬火时在耐磨板凸起部位垫上适当厚度的垫片，采用预先反变形的方法控制最终的翘曲变形是能够办到的。下面探讨工艺参数的制订。

（1）淬火温度确定 淬火温度对淬火变形有一定的影响，一般随着淬火温度的升高硬度升高，变形也增大，对于T8钢淬火温度偏高硬度反而下降，因此淬火温度在规定的780～810℃内选下限（780+10）℃。对于30Cr13钢，淬火温度偏低会降低淬火硬度，因此淬火温度在规定的1030～1050℃内应选中下限（1035+10）℃，65Mn钢淬火温度为（840±10）℃。

（2）压床压淬控制 淬火时一是要在耐磨板易凸起的部位放置3个5mm左右厚度的网格垫片来控制淬火后的平面度，此外检查淬火压床床面中心处的实际压力是否能满足公称压力要求。

（3）淬火冷却确定 如前所述，耐磨板要求硬度过高，淬火前先在空气中预冷60～80s以防产生裂纹。对于T8钢耐磨板因零件尺寸较大，水淬会出现软点，采用5%NaCl盐水冷却，盐水温度20～40℃，冷透；对于30Cr13、65Mn钢淬火应采用水冷却，水温20～40℃，时间5～6min后空冷至室温。

（4）回火 耐磨板淬火后在2h之内进行回火，温度150～180℃，保温时间均不少于6h。

（5）校正 由于耐磨衬板淬火后的硬度很高，个别零件超出了规定的变形范围，不得不用机械校正的方法校正，凸面采用火焰校正的方法热点校正，温度控制不超过800℃水冷。

5. 试制结果

按上述工艺共热处理了3炉6块爆炸焊复合耐磨衬板，3炉19块单一材料耐磨衬板。其中T8材料3块，淬火后的硬度达到了60～61HRC，平面翘曲度≤3mm；30Cr13材料3块，淬火后的硬度达到了56～58HRC，平面翘曲度≤3mm，基面Q235硬度为100HBW；单一材料65Mn淬火后的硬度达到了55～56HRC，最终经粗磨、精磨后能够满足产品设计要求。

6. 结语

（1）耐磨衬板普遍要求的硬度高，只有通过预冷加强冷的淬火方法才能达到硬度要求又不至于淬裂。

（2）淬火压床可有效地控制薄长高合金板材的淬火变形，但需根据翘曲变形规律在凸起部位垫上适当厚度的垫片，采用预先反变形的方法才能有效控制。