现代连轧管机组用芯棒的选材

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芯棒因其工作条件苛刻,而应选用高级的热作模具钢制作,例如国外连轧管机浮动芯棒常采用H11钢,其限动芯棒常采用H13钢。探讨芯棒的选材原则,重点考虑的是材料的抗热磨损性和耐热疲劳性。

抗热磨损性

热作模具钢的抗热磨损性一般与材料的红硬性关系密切,因而在芯捧选材上应首先考虑高温硬度指标。以磨粒磨损而言,可根据工具磨损面亚表层上有无塑变及塑变程度来确认工具的耐磨性。由于材料的耐磨性与韧性往往是互相矛盾的,因此选材时应特别注意碳化物的形态、数量及尺寸等特征,以兼顾综合性能。通常,在碳化物越细、越弥散,且呈球形时,越有利于改善材料的韧性,同时这种碳化物会增强基体的抗磨性。

但是,材料硬度不能用来预测粘着磨损。一般认为,工具与被加工材料的组织越相近,就越容易发生粘着磨损,并且组织呈单相匀质结构的,也容易发生粘着磨损。

耐软化性

耐软化性是材料在工作温度下保持不软化时间长短的能力。材料软化后,其强韧性下降,这不仅影响材料的耐磨性,还容易发生疲劳。生产现场测试表明,芯棒在无润滑条件下及冷却不良时,其表面温度有时超过600℃,一般情况下在400℃左右,故必须考虑芯棒材料的耐软化性。

由于芯棒的耐软化性取决于材料特性、使用温度和使用次数等因素,因此,芯棒必须选用在接近使用温度下回火而能获得良好回火稳定性的材料;或者选用可在使用温度下进行自然回火并能满足工况要求的材料。为此,芯棒材料应具有较高的抗再结晶软化特性和抗碳化物粗化特性。对于前者,按作用大小的顺序,采用合金化的原则是Mo>Cr>Mn>Si>Ni。

耐热疲劳性

材料的耐热疲劳性通常称为耐热冲击性(有时也称为耐热裂性)。工具发生热疲劳后,先是沿原始晶界产生不连续网状裂纹,然后该网状裂纹不断长大,并且在一定方向上加深。当工具受反复弯曲应力时,可发展成环裂;当工具承受旋转拉压应力时,可发展成纵裂。

由于工具在工作中反复被加热和冷却,表层金属在交变热应力作用下发生塑变,最终导致疲劳裂纹的萌生与扩展,当热应力大于工具在使用温度下的断裂强度时,即会发生表层开裂。

抗氧化性

抗氧化性是体现材料自身高温保护能力的重要特性。采用抗氧化性好的材料可在工具表面形成一层致密而稳定的保护性氧化膜,从而起到隔热和润滑作用,有利于提高工具的使用寿命。氧化膜的熔点越高,强度越高,越不易被剥离,则工具的耐磨性越好。由此,在工具选材时应注意选用含有有助于形成再生保护性氧化膜的合金元素(Al,Cr,Ta,Nb,W等)的材料。

根据Pilling-Bedworth法则,保护性氧化膜与其克分子容积大小有关,当氧化膜的克分子容积大于金属的克分子容积时,氧化膜才是保护性的,否则便是多孔性的(龟裂性的)。按该法则测定的结果表明,各种元素抗氧化性大小的顺序是:Mo,W,Mn,Cr,Co,Fe(1价氧化物),Ni,Cu,Al,这些元素的摩尔容积比均大于1。当两种以上元素联合使用,组成合金或加入钢中时,其抗氧化性的情况将变得非常复杂,这与材料的具体成分和最终组织有关,并且主要取决于固溶体中各元素的含量。在形成氧化膜时,这些元素互相制约,并影响最终氧化膜的结构。氧化膜的耐剥离性主要取决于膜本身的弹性模量、工作温度以及膜与基体的平均线胀系数之差。应设法使氧化膜与基体的线胀系数相接近,这是提高氧化膜抗剥离性的基本原则。例如Fe-Fe2O3,Fe-FeO,Ni-NiO,Co-CoO,Co-Co3O4,Cr-Cr2O3等在0～1000℃间的αm/αo(αm为温差间金属的平均线胀系数,αo为温差间氧化膜的平均线胀系数）均小于114。Ni有促进内氧化的作用,即NiO在复合氧化膜中不稳定,分解后可形成NiCr2O4,NiAl2O4,Ni(Cr,Al)2O4或Ni+Fe3O4。Ni因有这种特殊作用而受到人们的重视。

致密的氧化膜可以减轻热应力的不均匀分布,故能提高抗剥离性。另外,氧化膜不宜过硬,否则会因其脱落而造成磨粒磨损。氧化膜的硬度应稍高于金属本身的硬度,这样氧化膜才能起到有效的保护作用。对于钢铁材料,由于Fe3O4比α-Fe2O3有较强的保护作用,因此可使用Ca(OH)2之类的固体润滑剂,以促进摩擦表面生成Fe3O4。此外,增加Si有利于氧化膜表面形成非晶态层,从而减轻磨损。为了使氧化膜与钢的硬度比值接近1,钢的最低维氏硬度应达到400左右。