工作輥高鉻鋼淬回火熱模擬研究

劉紅才 趙文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

從20世紀(jì)80年代至今，熱帶連軋機(jī)粗軋工作輥材質(zhì)的變化經(jīng)歷了由整體鑄造半鋼到離心球芯復(fù)合高鉻鑄鐵、再到離心球芯復(fù)合高鉻鑄鋼的過(guò)程。目前高鉻鑄鋼球芯離心復(fù)合軋輥在熱帶連軋機(jī)粗軋機(jī)架上已得到廣泛應(yīng)用。高鉻鑄鋼球芯復(fù)合軋輥采用離心鑄造而成，芯部為高強(qiáng)度合金球墨鑄鐵，外層材料是高鉻鋼。高鉻鑄鋼通常是用于制作承受高負(fù)荷、形狀復(fù)雜、變形小、耐磨性高和紅硬性好的模具材料。高鉻鑄鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.7～ 1.4，Cr 8～14，及較高含量的Mo、Ni、V等合金元素。由于高鉻鑄鋼是高碳鋼，因此仍保留了鋼系自身的特點(diǎn)，具有較好的抗咬入性能和抗事故能力。高鉻鑄鋼作為粗軋機(jī)軋輥工作層具有較好的熱疲勞特性、良好的耐磨性和較好的防事故性打滑的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于大量的Cr、Mo等合金元素的作用，外層組織中的碳化物形態(tài)已不是傳統(tǒng)的M3C型碳化物類型，而是形成了具有較高顯微硬度和耐磨性的孤立塊狀分布的M7C3型和M2C型碳化物。特殊的熱處理工藝使高鉻鑄鋼具有良好的高溫綜合力學(xué)性能。為弄清楚高鉻鑄鋼的力學(xué)性能特點(diǎn)，本文對(duì)工作輥高鉻鋼進(jìn)行了系統(tǒng)的熱模擬研究。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

試料取自工廠試驗(yàn)件，采用10 t工頻爐冶煉鋼水，在離心機(jī)上澆注，澆注厚度設(shè)定為70 mm，保溫冷卻，打箱取料，制作標(biāo)準(zhǔn)金相試塊，進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)、檢測(cè)分析。工作層高鉻鋼冶煉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：C 1.5～2.5，Si 0.5～1.5，Mn 0.5～1.5，Cr 11～15，Ni 1～2，Mo 1～2.5。淬火、回火熱模擬曲線如圖1、圖2所示。

2 結(jié)果分析

2.1 硬度變化

在淬火狀態(tài)下檢測(cè)3個(gè)試樣，硬度值如表1所示。

圖1 熱模擬淬火方案Figure 1 Quenching scheme of thermal simulation

圖2 熱模擬回火方案Figure 2 Tempering scheme of thermal simulation

表1 淬火下硬度Table 1 Hardness under quenching

表2 不同回火溫度下硬度Table 2 Hardness under different tempering temperatures

圖3 淬回火過(guò)程中硬度變化Figure 3 Hardness change during quenching and tempering

不同回火溫度和回火次數(shù)下各硬度值如表2所示。淬回火過(guò)程中硬度變化見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，經(jīng)一次回火后硬度均比淬火硬度有所下降，其中530℃回火硬度下降最大，下降15.8%。570℃二次回火后硬度下降最大，與淬火態(tài)硬度相比下降34.8%。530℃二次回火后硬度稍有回升，545℃二次回火后硬度基本持平。

2.2 碳化物量變化

淬火狀態(tài)及一次回火和二次回火狀態(tài)下碳化物含量如表3、表4所示。淬火過(guò)程中碳化物量變化見(jiàn)圖4。

表3 淬火碳化物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Quenched carbide content (mass fraction,%)

表4 不同回火溫度下碳化物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Carbide content under different tempering temperature(mass fraction,%)

圖4 淬回火過(guò)程中碳化物量變化Figure 4 Carbide content change during quenching and tempering

從圖4可以看出，經(jīng)一次回火后，碳化物含量均有所增加，其中570℃一次回火后碳化物含量增加最明顯。這是因?yàn)榻?jīng)回火后大量二次碳化物從馬氏體基體中析出，使得碳化物含量增加。570℃二次回火后碳化物含量減少，細(xì)小碳化物重溶于基體中。530℃、545℃二次回火后碳化物均略有增加。

2.3 組織演變

淬回火過(guò)程中組織演變圖片如圖5所示。

組織組成：

淬火組織：馬氏體+萊氏體+珠光體+一次不規(guī)則塊狀碳化物和分布在馬氏體基體上的細(xì)粒狀碳化物。

回火組織：回火馬氏體+萊氏體(回火馬氏體+共晶碳化物)+少量珠光體+一次不規(guī)則狀碳化物+細(xì)粒狀碳化物。

2.4 電鏡及能譜分析

淬火狀態(tài)下電鏡照片見(jiàn)圖6?；鼗馉顟B(tài)下電鏡照片見(jiàn)圖7。不同溫度下各區(qū)能譜分析見(jiàn)圖8～10。

分析發(fā)現(xiàn)，一次碳化物在整個(gè)熱模擬過(guò)程中沒(méi)有變化，以Cr7C3為主。從圖9可以看出，2區(qū)組織為珠光體組織。

對(duì)比圖8和圖10發(fā)現(xiàn)，3區(qū)碳化物與1區(qū)碳化物相比，顏色較淺，Mo含量增加，碳化物以Cr碳化物為主。

淬火狀態(tài)下

530℃回火530℃+530℃回火

545℃回火545℃+545℃回火

570℃回火 570℃+570℃回火圖5 淬回火過(guò)程中組織演變(500×)Figure 5 Microstructure transformation during quenching and tempering(500×)

圖6 淬火狀態(tài)下電鏡照片F(xiàn)igure 6 SEM photograph under quenching

530℃545℃570℃(a)一次回火狀態(tài)下

530℃545℃570℃(a)二次回火狀態(tài)下圖7 回火狀態(tài)下電鏡照片F(xiàn)igure 7 SEM photograph under tempering

圖8 545℃回火狀態(tài)下1區(qū)能譜分析Figure 8 Energy spectrum analysis of No.1 zone under tempering at 545℃

圖9 545℃回火狀態(tài)下2區(qū)能譜分析Figure 9 Energy spectrum analysis of No.2 zone under tempering at 545℃

圖10 545℃回火狀態(tài)下3區(qū)能譜分析Figure 10 Energy spectrum analysis of No.3 zone under tempering at 545℃

圖11 淬火狀態(tài)下XRD分析圖譜Figure 11 XRD analysis chart under quenching

圖12 545℃一次回火狀態(tài)下XRD分析圖譜Figure 12 XRD analysis chart under primary tempering at 545℃

圖13 545℃二次回火狀態(tài)下XRD分析圖譜Figure 13 XRD analysis chart under secondary tempering at 545℃

2.5 XRD轉(zhuǎn)變

淬火、一次回火、二次回火狀態(tài)下XRD分析圖譜如圖11～13所示。

由圖11、圖12、圖13 XRD衍射圖譜可知，淬火狀態(tài)下物相主要由以下物質(zhì)組成：α-Fe+A+Cr7C3+Mo2C。一次回火狀態(tài)下物相組成為：α-Fe+A+Cr7C3+Mo2C。二次回火狀態(tài)下物相組成為：α-Fe+Cr7C3+Mo2C。二次回火后奧氏體相消失。530℃、570℃回火狀態(tài)下XRD物相轉(zhuǎn)變與545℃回火狀態(tài)下XRD物相轉(zhuǎn)變相似，不再做贅述。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)一次回火后硬度均比淬火硬度有所下降，其中530℃回火后硬度下降較大，下降15.8%。570℃二次回火后硬度下降最大，與淬火態(tài)硬度相比下降34.8%。530℃二次回火后硬度稍有回升。545℃二次回火后硬度基本持平。

(2)經(jīng)一次回火后，碳化物含量較淬火態(tài)均有所增加，其中570℃一次回火后碳化物含量增加最明顯，這是因?yàn)榻?jīng)回火后大量二次碳化物從馬氏體基體中析出，使得碳化物含量增加。570℃二次回火后碳化物含量減少，細(xì)小碳化物重溶于基體中。530℃、545℃二次回火后碳化物均略有增加。組織變化主要表現(xiàn)在細(xì)粒狀二次碳化物增加和珠光體的減少。

(3)在淬火回火熱模擬過(guò)程中，基體組織由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，晶格結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為α-Fe，XRD物相分析無(wú)變化。無(wú)論是淬火后，還是回火后均存在珠光體，說(shuō)明在特定的冷卻速度(直徑)下基體組織不完全是馬氏體。經(jīng)過(guò)二次回火后，殘余奧氏體消失。

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