鉻系馬氏體鑄鋼軋輥材料組織和性能的研究

黃曼曼　琚子來

[摘 要]本文設(shè)計并制備了Cr5和Cr8型中碳合金鑄鋼，通過不同的熱處理工藝獲得馬氏體組織。利用金相法，硬度和沖擊韌性的測試等手段，研究了不同鉻含量對軋輥顯微組織與力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果表明鉻可以提高材料的回火穩(wěn)定性使硬度降低緩慢，隨含鉻量增加沖擊韌性提高。

[關(guān)鍵詞]合金鑄鋼 熱處理 顯微組織 力學(xué)性能

中圖分類號：TG151.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）04-0279-01

1 引言

現(xiàn)代軋鋼行業(yè)的發(fā)展日新月異，軋材產(chǎn)品的品種和數(shù)量迅速增加，從而導(dǎo)致軋輥消耗量劇增。軋鋼技術(shù)的迅速發(fā)展，使得軋機速度和自動化程度不斷提高，熱軋薄板和高強鋼板量的增加，使得軋制條件變得更加復(fù)雜苛刻。這些條件要求軋輥具有高硬度、高韌性、優(yōu)良的耐磨性和低表面粗糙度[1]。而目前，我國軋輥的生產(chǎn)、研究與使用水平，與發(fā)達國家相比，仍有相當(dāng)大的差距。低質(zhì)量的軋輥不僅降低了軋制質(zhì)量，還提高了軋鋼生產(chǎn)成本。因此，如何提高軋輥的性能和使用壽命，制備出性能優(yōu)良的新型軋輥以適應(yīng)軋鋼企業(yè)飛速發(fā)展需要，成為我國軋輥行業(yè)面臨的新課題。本文設(shè)計了兩組不同的合金成分（鉻元素的含量不同），通過不同的熱處理工藝后對最終獲得的材料進行組織和性能的分析，為支撐輥外層材料組織成分的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

2 試驗方法

2.1 成分設(shè)計

軋輥的性能取決于化學(xué)成分和顯微組織特征。用于制造軋輥的合金鑄鋼，因軋制鋼種、軋機條件和軋輥制造方法的不同，成分也有所差異。成分設(shè)計的目的是確定軋輥各種合金元素的含量，從而獲得合適的組織特征和優(yōu)良的使用性能，從而滿足生產(chǎn)實際需要。.

2.2 試樣制備

造型原料使用原砂100㎏，水玻璃7.5㎏。將上述原料放置型號為S14的混砂機中混合2～3分鐘，然后取砂制成梅花試棒砂型。本試驗采用容量為100㎏～130㎏的普通中頻感應(yīng)電爐熔煉，熔煉時采用嚴格的脫氧制度，在澆注試樣模時采用濾渣片過濾。試樣采用砂型梅花試棒，出爐溫度在1620℃～1640℃，并在包內(nèi)進行變質(zhì)處理。采用生鐵、廢鋼、碳素鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鉬鐵、硼鐵、稀土合金等進行配料，其中由于感應(yīng)電爐采用的非氧化法熔煉不易去除磷、硫等有害元素，故為保證鋼液中較低的磷、硫含量，此試驗中使用增碳劑代替部分生鐵來保證含碳量。

2.3 熱處理設(shè)計

梅花試樣首先進行退火處理，退火工藝定為870℃，保溫6個小時，然后隨爐緩冷。這樣可以保證先共析鐵素體的析出和過冷奧氏體在Ar1以下較高溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，從而達到消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度和改善切削加工性的目的。退火之后在980℃淬火保溫50分鐘后油淬，并在240℃，340℃，440℃，520℃，580℃，640℃下回火，保溫一段時間后空冷。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鑄態(tài)組織觀察

圖1是兩種成分的鑄態(tài)組織，從圖中可以看出，1號和2號成分的鑄態(tài)組織中均出現(xiàn)了馬氏體，且比較細小。1號組織中還有共晶碳化物及二次碳化物的析出，2號出現(xiàn)了較大的白亮區(qū)，為高碳馬氏體組織[2]。

3.2 退火態(tài)組織觀察

經(jīng)過870℃下6h的退火工藝處理之后，從兩種成分的梅花試棒的中心位置分別取一塊小試樣，經(jīng)4%的硝酸酒精腐蝕之后得到退火態(tài)的金相組織如圖2所示。觀察后發(fā)現(xiàn)2種成分均為比較均勻的粒狀珠光體組織，說明退火處理大大減少了化學(xué)成分偏析和顯微組織的不均勻性，組織結(jié)構(gòu)都得到了一定的優(yōu)化[3]，因此在進行各種后續(xù)的熱處理工藝之前不再進行正火處理。

3.3 回火溫度對合金鑄鋼組織和力學(xué)性能的影響

淬火后的回火相當(dāng)重要，通過回火可以在適當(dāng)降低硬度的同時，消除大部分淬火應(yīng)力而改善鋼的塑性、韌性。同時使其尺寸穩(wěn)定性大大提高，在很大范圍內(nèi)改善鋼的強度、塑性、韌性間的配合，從而可以滿足不同磨損工況對耐磨件提出的不同要求。

在回火過程中，由于殘余奧氏體和碳化物的轉(zhuǎn)變，以及合金元素的重新分布，都會對性能產(chǎn)生較大的影響，特別是對沖擊韌性的影響更大。

4 結(jié)論

1）回火時由于存在大量Cr元素以及Mo、V等合金元素，可以顯著提高鋼的回火穩(wěn)定性，推遲馬氏體的轉(zhuǎn)變，從而使硬度降低緩慢。并且隨著鉻含量的增加，沖擊韌性明顯的提高，當(dāng)鉻元素過多會增加回火脆性，導(dǎo)致韌性下降。

2） 強碳化物形成元素在較高回火溫度強烈阻止馬氏體進一步分解，使得組織在較高溫度回火時仍能等到回火馬氏體。

3） 對受沖擊力不大的軋輥材料，可選擇較低的含鉻量；對沖擊力很大的工況下的軋輥材料，可選用較高的含鉻量，以獲得硬度和韌性的良好配合，取得最佳的耐磨效果。

參考文獻

[1] Corbett R B.Rolls for the Metalworking Industries [J].The Iron and Steel Society，1990（3）：215-226.

[2] 黃積榮.鑄造合金金相圖譜[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986.

[3]黃孟域.金相圖譜[M].上海：高等教育出版社，1987.

[4] 劉云旭.金相分析[M].上海：上海市科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1987.

[5] 王志華.55Cr5SIMOVNi耐磨合金鑄鋼熱處理工藝的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2002.

基金項目

2014年河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究自籌資金項目（Z2014092）。

作者簡介

黃曼曼（1983-），女，河北省河間市人，碩士，講師，主研方向為機械制造，材料加工。