加熱參數(shù)及冷卻速率對一種軋輥用合金鋼材料相變點的影響

肖澤揚 梁利斌 夏新蕊

(1.軋輥復(fù)合材料國家重點實驗室，河北054025；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北054025)

近年來軋輥材料不斷升級，合金工具鋼材質(zhì)具有優(yōu)異的耐磨性兼顧良好的抗熱疲勞性能，已逐步替代傳統(tǒng)的半鋼、合金鑄鋼等材質(zhì)，成為熱軋粗精軋工作輥的主要材質(zhì)之一。合金工具鋼材料鑄造后的組織以馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組織為主，還有少量珠光體，需要經(jīng)過高溫?zé)崽幚砑创慊?回火過程才能發(fā)揮性能。其熱處理過程是淬火加熱將鑄態(tài)組織重新轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，溶解部分碳化物，在后續(xù)冷卻及回火過程中最后轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體的過程。淬火加熱及冷卻過程中的相變對最終性能起著至關(guān)重要的作用。

本文利用熱膨脹儀，測量并研究升溫速度、保溫時間、冷卻速率等參數(shù)對一種軋輥用合金鋼材料淬火過程相變點溫度的影響，以指導(dǎo)熱處理參數(shù)設(shè)計，充分發(fā)揮材料性能。

1 試驗材料和方法

1.1 取樣及試驗方案

試驗從軋輥本體試環(huán)上取樣。在試環(huán)上確定取樣位置后，通過ARL3460型號直讀光譜儀檢測樣品成分，之后在取樣位置通過線切割方式切取?3 mm×10 mm的試樣并編號。試樣按編號設(shè)計不同的加熱或冷卻參數(shù)，在熱膨脹儀上進行加熱、冷卻，并測定過程中的相變點溫度。

表1 試驗用合金鋼試樣的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The main chemical compositions of alloy steel samples used for testing(mass fraction,%)

1.2 試樣成分

試驗切取的試樣所檢測的光譜成分檢測結(jié)果見表1。

1.3 試驗參數(shù)

本次試驗選擇相同的奧氏體化加熱溫度，設(shè)計不同的加熱速度、保溫時間、冷卻速度，采集共析轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變、馬氏體等相變點溫度的變化并開展研究。本次試驗研究的主要參數(shù)設(shè)計如下：

(1)加熱溫度1000℃，升溫速度分別選擇10℃/s、1℃/s、0.5℃/s、0.1℃/s，測量共析轉(zhuǎn)變臨界點(Ac1)、二次滲碳體轉(zhuǎn)變點(Accm)等相變點溫度變化。

(2)加熱溫度1000℃，升溫速度10℃/s，保溫時間分別選用10 min、20 min、30 min、40 min，冷速采用0.05℃/s冷卻，測量珠光體轉(zhuǎn)變開始點(Ps)、珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(Pf)、馬氏體相變開始點(Ms)等相變點溫度變化。

(3)加熱溫度1000℃，升溫速度10℃/s，保溫時間20min，冷卻速度分別采用0.05℃/s、0.1℃/s、0.5℃/s、1℃/s，測量珠光體轉(zhuǎn)變開始點(Ps)、珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(Pf)、馬氏體相變開始點(Ms)等相變點溫度變化。

表2 不同加熱升溫速度對應(yīng)共析轉(zhuǎn)變、二次滲碳體的相變點Table 2 Phase transformation points of eutectoid transformation and secondary cementitewith different heating rates

表3 不同奧氏體化時間對應(yīng)冷卻過程的相變點Table 3 Phase transformation points in cooling process with different austenitizing time

表4 不同冷卻速率對應(yīng)冷卻過程的相變點Table 4 Phase transformation pointsin cooling process with different cooling rates

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 升溫速度對加熱過程相變點的影響

通過膨脹儀測得數(shù)據(jù)顯示，加熱溫度(1000℃)及保溫時間(20 min)相同時，加熱升溫速度從10℃/s降至0.01℃/s，共析轉(zhuǎn)變點(Ac1)溫度由827.31℃降至了773.6℃，二次滲碳體相變點(Accm)溫度則由898.1℃降至了869.9℃，檢測結(jié)果見表2。

由表2可見，隨著升溫速度降低，共析轉(zhuǎn)變點(Ac1)溫度和二次滲碳體相變點(Accm)溫度均出現(xiàn)下降趨勢，愈發(fā)接近鋼的平衡轉(zhuǎn)變溫度。

2.2 奧氏體化時間對淬火冷卻過程相變點的影響

通過膨脹儀測得數(shù)據(jù)顯示，加熱升溫速度(10℃/s)、加熱溫度(1000℃)、連續(xù)冷卻速度(0.05℃)相同時，調(diào)整加熱保溫時間從10 min延長至40 min，珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度(Ps)在763.8～764.7℃之間變化，珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度(Pf)在643.2～644.8℃之間變化，馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Ms)在310.7～311.3℃之間變化，檢測結(jié)果見表3。

由表3可見，保溫時間在10～40 min內(nèi)變化對后續(xù)冷卻過程中的珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度影響較小，奧氏體的穩(wěn)定性未發(fā)生明顯變化。

2.3 淬火冷卻速度對淬火冷卻過程相變點的影響

通過膨脹儀測得數(shù)據(jù)顯示，加熱升溫速度(10℃/s)、加熱溫度(1000℃)及保溫時間(20 min)相同時，調(diào)整淬火冷卻速度從0.05℃/s至1.0℃/s，1.0℃/s冷卻時無珠光體轉(zhuǎn)變，其他冷速下珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度(Ps)由766.3℃降至690.6℃，珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度(Pf)由649.0℃降至690.6℃，馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Ms)由445.01℃降至273.9℃，檢測結(jié)果見表4。

由表4可見，隨著冷卻速度提高，測得冷卻過程的珠光體轉(zhuǎn)變開始點、珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束點、馬氏體轉(zhuǎn)變開始點溫度均出現(xiàn)下降趨勢，而奧氏體分解的過冷度提高了。

3 結(jié)論

(1)在同一奧氏體化溫度(1000℃)下，加熱速度越快，共析轉(zhuǎn)變點Ac1和二次滲碳體轉(zhuǎn)變點Accm的實際溫度越高；反之加熱速度越慢，共析轉(zhuǎn)變點和二次滲碳體轉(zhuǎn)變點溫度越低，愈發(fā)接近鋼的平衡轉(zhuǎn)變溫度。

(2)在同一奧氏體化溫度(1000℃)下，分別保溫10 min、20 min、30 min、40 min，隨保溫時間延長，珠光體轉(zhuǎn)變開始點和珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束點溫度無明顯的變化，保溫時間在10～40 min內(nèi)變化對后續(xù)冷卻過程中的珠光體轉(zhuǎn)變溫度影響較小，奧氏體的穩(wěn)定性未發(fā)生明顯變化。

(3)在同一奧氏體化溫度(1000℃)下保溫20 min，隨后續(xù)淬火冷速的加快，珠光體轉(zhuǎn)變開始點和結(jié)束點溫度也逐漸降低，馬氏體轉(zhuǎn)變開始點溫度也逐漸降低，奧氏體分解的過冷度提高。