調(diào)質(zhì)工藝對Cr5鋼組織和性能影響

元亞莎，王文焱，岳宗格，岳慎偉，謝敬佩

（1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003）

調(diào)質(zhì)工藝對Cr5鋼組織和性能影響

元亞莎1，王文焱1，岳宗格2，岳慎偉1，謝敬佩1

（1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003）

用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉伸試驗機和洛氏硬度計，觀察和分析了Cr5鋼調(diào)質(zhì)處理前后的顯微組織以及調(diào)質(zhì)處理后的斷口形貌、抗拉強度、延伸率和硬度。研究結(jié)果表明：調(diào)質(zhì)處理前Cr5鋼中碳化物類型有M7C3、M23C6和M3C2；調(diào)質(zhì)處理后Cr5鋼的顯微組織得到明顯改善，點狀偏析基本消除，基體上彌散分布著細小的碳化物；斷口形貌由小準解理刻面逐漸向韌窩轉(zhuǎn)變；抗拉強度和硬度值隨回火溫度的升高而降低，延伸率有所提高；回火溫度為540℃左右時，抗拉強度、延伸率和硬度值分別為1 429.9 MPa、2.90%和49.2HRC，有良好的力學性能。

Cr5鋼；調(diào)質(zhì)處理；微觀組織；力學性能

0 引言

支承輥是金屬軋制設(shè)備上用以支承工作輥或中間輥，并保護工作輥不偏轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，軋板的產(chǎn)量及質(zhì)量受其直接制約［1－2］。支承輥的質(zhì)量特征為：輥身表面高硬度且硬度均勻性好、輥身淬硬層深、輥頸及輥身心部具有良好的強韌性。與Cr3、Cr4相比，Cr5鋼具有更高的耐磨性和抗剝落性，但Cr5鋼中的碳化物聚集、分布不均勻也會導致使用過程中出現(xiàn)表面剝落，甚至斷裂而失效［3］。軋機支承輥材料發(fā)展的主要趨勢是降低C含量，提高Cr含量，以保證鋼的韌性及良好的淬透性、淬硬性［4］。但隨著合金含量的增加，Cr5鋼會出現(xiàn)一個典型組織缺陷，即點狀偏析。點狀偏析是指在橫向酸浸試樣上出現(xiàn)的大小和形狀不同、顏色灰暗的斑點，而在縱向酸浸試樣上呈灰暗色的粗短條帶［5］。為了改善碳化物的形態(tài)分布，消除或減輕點狀偏析的同時使Cr5鋼發(fā)揮其優(yōu)異的綜合力學性能，須對其進行適當?shù)臒崽幚?，熱處理工藝可以提高材料的強韌性、耐磨性等力學性能［6］。預備熱處理是滿足其性能的首選熱處理工藝，為達到以上要求，本文采用的預備熱處理為調(diào)質(zhì)處理，保持淬火溫度不變，選用不同回火溫度，以期找到最佳消除或減輕點狀偏析和提高支承輥綜合力學性能的調(diào)質(zhì)工藝，為以后支承輥制造提供理論支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為鍛后熱處理態(tài)的鍛鋼支承輥，材質(zhì)50Cr5NiMoV（Cr5），化學成分見表1。鍛后熱處理的具體工藝為：900℃正火＋800℃球化退火＋650℃回火。通過鉬絲切割機將其切成4組相同的拉伸試樣（標準試樣），一組測試3根試樣，將切割好的試樣進行調(diào)質(zhì)處理，具體工藝是：把試樣放入XWL-5610箱式電阻爐加熱到970℃，保溫1 h，出爐后油淬；然后，將淬火后的試樣分別放入同型號的電阻爐中進行回火處理，回火工藝分別為520℃×2 h、540℃×2 h、560℃×2 h以及580℃×2 h。在SHIMADZU（島津）AG-I250KN精密萬能電子拉伸試驗機上對調(diào)質(zhì)后的試樣進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm／s；將拉伸后的試樣進行磨制、拋光，然后用4%的硝酸酒精腐蝕，制得金相試樣，用SM-5610LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的拉伸斷口形貌和金相組織；采用D8X射線衍射儀（XRD）對試樣的物相進行分析，洛氏硬度計測試調(diào)質(zhì)后試樣的硬度。

表1 Cr5鋼的化學成分質(zhì)量分數(shù)／%

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 調(diào)質(zhì)處理前顯微組織

圖1和圖2分別為Cr5鋼鍛后熱處理態(tài)的顯微組織（點狀偏析處）圖片和調(diào)質(zhì)處理前后的XRD譜圖。圖1a是Cr5鋼點狀偏析處（縱向）低倍組織圖，圖1b是圖1a中A區(qū)域的放大圖。由圖1a可以看出：Cr5鋼調(diào)質(zhì)處理前的組織中有較為明顯的一定寬度的白色帶狀組織。將白色邊緣區(qū)域放大可以看出：白色條狀組織處出現(xiàn)嚴重的碳化物聚集現(xiàn)象，且碳化物形態(tài)多樣。由圖2可知：Cr5鋼調(diào)質(zhì)處理前基體相是α-Fe，類型有M7C3、M23C6以及M3C2（M為Cr、Fe、Mo等一些合金元素）型碳化物，其中，M7C3碳化物有六方和正交兩種點陣結(jié)構(gòu)，所對應的PDF卡片分別為06-0696和36-1482，M23C6和M3C2碳化物所對應的PDF卡片分別為35-0786和35-0804。由于M7C3碳化物的衍射強度較強，故而Cr5鋼中M7C3為主要碳化物相［7］。此外，M7C3、M23C6和α-Fe相的衍射角度較為接近，故而在同一XRD圖中顯示重峰。由此可知，Cr5鋼點狀偏析的實質(zhì)就是不同類型碳化物的異常聚集。富Cr碳化物（M7C3、M23C6、M3C2等）大多對溫度較為敏感，一般在950℃左右即會溶入基體［8］，基于此，調(diào)質(zhì)處理的淬火溫度選擇為970℃。

圖1 Cr5鋼調(diào)質(zhì)前（點狀偏析處）的顯微組織（SEM）

2.2 調(diào)質(zhì)后的顯微組織

調(diào)質(zhì)處理是制造支承輥的預備熱處理，其目的是保證輥頸硬度，調(diào)整組織，提高支承輥的綜合力學性能，為最終熱處理做好組織準備。鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，微觀組織為回火索氏體、殘余奧氏體和顆粒狀碳化物，其中馬氏體和貝氏體針狀形貌的索氏體組織中碳化物的排列方向仍保持其針狀組織分解前的方向性。圖3為一組相同溫度淬火后的Cr5鋼經(jīng)不同溫度回火后的微觀組織形貌圖，圖3a～圖3d所對應的淬火工藝都是970℃×1 h油淬，回火工藝依次是：520℃×2 h、540℃×2 h、560℃×2 h和580℃×2 h。

圖2 Cr5鋼調(diào)質(zhì)前后XRD譜圖

從圖3中可以看出：調(diào)質(zhì)后Cr5鋼點狀偏析基本消除，其組織主要是回火索氏體，在回火溫度為520℃和540℃時，碳化物顆粒比較細小，均勻地分布于基體上（見圖3a和圖3b）。隨著回火溫度的升高，細小的顆粒狀碳化物有聚集長大的趨勢［9］，在回火溫度為560℃時，碳化物在基體上已出現(xiàn)聚集長大現(xiàn)象（見圖3c），在580℃回火時，碳化物聚集長大和粗化現(xiàn)象尤為嚴重［10］，甚至出現(xiàn)異常（見圖3d）。此外，由圖2可知：調(diào)質(zhì)處理后Cr5鋼中碳化物衍射強度有一定降低，并且有些小峰消失，說明較之調(diào)質(zhì)處理前，Cr5鋼中碳化物有一定減少。

2.3 拉伸斷口形貌分析

圖4為一組不同回火溫度的拉伸斷口微觀形貌圖，從圖4中可以看出：調(diào)質(zhì)后的拉伸斷口都是以準解理為主，斷口形貌是準解理刻面及一定的撕裂棱，這是由于準解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，在不同部位產(chǎn)生解理斷裂擴展成解理刻面，最后以脆性方式斷裂［11］。圖4a的回火溫度最低是520℃，斷口形貌是小解理刻面，斷面間均有明顯的撕裂棱，這是斷裂時微區(qū)產(chǎn)生少量塑性變形的結(jié)果，該斷口形貌表明是準解理斷裂；回火溫度達到540℃時，斷裂的微觀形貌如圖4b所示，開始出現(xiàn)少量韌窩，但還是以準解理斷裂為主；隨著回火溫度的進一步提高，鋼的塑性、韌性均有一定提高，如圖4c（560℃）和圖4d（580℃）所示，韌窩越來越多，斷裂方式由脆性斷裂逐步向韌性斷裂轉(zhuǎn)變，但是主要斷裂方式仍為準解理斷裂。

2.4 Cr5鋼調(diào)質(zhì)后的力學性能

表2為不同調(diào)質(zhì)工藝下試樣的抗拉強度、延伸率和洛氏硬度。由表2可見：Cr5鋼在520～580℃回火時，隨著回火溫度的升高，其抗拉強度和硬度值逐漸下降，延伸率升高，延伸率提高說明回火溫度的提高增加了材料的韌性；在520～540℃回火時，試樣的抗拉強度和硬度稍有降低，延伸率升高，原因是少量的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變對硬度的影響抵消了淬火馬氏體的分解對硬度的影響；回火溫度為540～560℃時，抗拉強度和硬度下降幅度均比較大，延伸率升高較快，原因是540℃時材料內(nèi)部的淬火應力基本消除，馬氏體分解和少量的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變都已基本完全，其組織已趨于穩(wěn)定，鋼的塑性有一定提高；結(jié)合圖3可以看出：隨回火溫度的升高，碳化物逐漸析出，560℃回火時碳化物已開始粗化聚集，因此，回火溫度在560℃繼續(xù)升高，抗拉強度、延伸率和硬度值的變化趨于平緩。

根據(jù)以上分析可知：回火溫度在540℃時，淬火應力基本消除，淬火馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變已基本完成，組織趨于穩(wěn)定，抗拉強度、延伸率和硬度值分別為1 429.9 MPa、2.90%和49.2HRC，有良好的力學性能；溫度繼續(xù)升高，組織中碳化物開始粗化聚集，因此，Cr5支承輥調(diào)質(zhì)處理的回火溫度選擇在540℃較為合適。

圖4 不同回火溫度后的拉伸斷口形貌（SEM）

表2 調(diào)質(zhì)后試樣的抗拉強度、延伸率和硬度

3 結(jié)論

（1）Cr5鋼調(diào)質(zhì)處理前有較為嚴重的點狀偏析，點狀偏析主要是碳化物異常偏聚造成的，碳化物類型主要是M7C3、M23C6和M3C2型。

（2）Cr5鋼支承輥經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其組織得到很大改善，點狀偏析基本消除，基體為回火索氏體，細小碳化物在基體上均勻分布，回火溫度達到560℃以上時，碳化物出現(xiàn)聚集長大現(xiàn)象。

（3）淬回火態(tài)Cr5鋼的斷裂方式主要是準解理斷裂，隨回火溫度的升高，拉伸斷口形貌由解理小面向韌窩轉(zhuǎn)變。

（4）Cr5鋼的抗拉強度和硬度值隨回火溫度的升高而降低，延伸率隨回火溫度的升高而增大。在540℃開始回火時，Cr5鋼抗拉強度為1 429.9 Pa，延伸率為2.90%，硬度為49.2HRC，此時有較好的強韌性配合，因此Cr5支承輥調(diào)質(zhì)處理的回火溫度選擇在540℃較為合適。

［1］ 閆潔，江開勇.4Cr5MoSiV1鋼熱軋輥的熱處理工藝試驗研究［J］.重型機械，2006（3）：40－45.

［2］ 虞林春，劉東海.70Cr3Mo大型支承輥熱處理工藝［J］.一重技術(shù)，2006（4）：50－51.

［3］ 魏雪，宋延沛，劉華平，等.奧氏體化溫度對復合軋輥表面工作層組織的影響［J］.河南科技大學學報：自然科學版，2013，34（4）：9－11.

［4］ 趙席春.Cr5型支承輥用鋼的研究［J］.金屬熱處理，2003，28（6）：26－28.

［5］ 吳元徽.淺析鋼材的內(nèi)部缺陷及其對熱處理工藝和性能的影響［J］.熱處理，2011，26（2）：78－82.

［6］ 張得峰，閆華，謝敬佩，等.熱處理對ZGMn18Cr2MoRE組織和性能的影響［J］.河南科技大學學報：自然科學版，2006，27（3）：1－4.

［7］ 馬坪，李倩，唐志國，等.冷軋工作輥用Cr5鋼奧氏體化時碳化物的溶解及晶粒長大行為［J］.機械工程材料，2010，34（6）：21－24.

［8］ 戴起勛.金屬材料學［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［9］ 周健，馬黨參，劉寶石，等.H13鋼球化退火過程中碳化物顆粒的控制［J］.機械工程材料，2011，35（1）：64－67.

［10］ 王順興.金屬熱處理原理與工藝［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009.

［11］ 束德林.工程材料力學性能［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

TG156.1

A

1672－6871（2014）04－0001－04

河南省重大科技攻關(guān)基金項目（6020091020132－1）；洛陽市科技支撐基金項目（1301057A）

元亞莎（1991－），女，河南周口人，碩士生；王文焱（1963－），男，河南洛陽人，教授，博士，博士生導師，主要從事金屬材料的分析.

2013－12－24