陳守東,王 銀
(1.銅陵學(xué)院 機械工程學(xué)院,安徽 銅陵 244061;2.銅陵學(xué)院 工程液壓機器人安徽普通高校重點實驗室,安徽 銅陵 244061;3.安徽環(huán)渤灣高速鋼軋輥有限公司 技術(shù)中心,安徽 銅陵 244000)
高性能特殊棒線材是支撐國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)材料,棒線材的軋制生產(chǎn)一直是軋鋼工藝的重要組成部分。特鋼棒材采用有槽軋輥軋制生產(chǎn),軋輥的性能不僅影響實際的生產(chǎn)效益和節(jié)奏,而且直接決定所生產(chǎn)的產(chǎn)品是合格、不合格還是廢品[1-3]。在企業(yè)實際生產(chǎn)過程中,為降低企業(yè)生產(chǎn)成本,將棒材的終軋溫度設(shè)置在870 ℃左右甚至更低,在不降低產(chǎn)量的前提下,必須提高軋輥單槽的過鋼量,這對軋輥的高溫耐磨性能和紅硬性提出了更高的要求。提高軋輥性能主要從合金化和熱處理兩個方面入手,在熱處理方面,復(fù)合軋輥外工作層采用高速鋼材料,合金重量可達到25%以上,含有大量強碳化合物元素,起到固溶和第二相強化作用。待離心鑄造高速鋼外層和澆鑄球墨鑄鐵芯部后,復(fù)合高速鋼軋輥需要經(jīng)過退火-粗加工-淬火-回火-精加工等工序,熱處理工藝可直接調(diào)控軋輥的綜合性能。目前對高速鋼軋輥的退火處理、淬火處理、回火處理以及回火次數(shù)等方面研究者們開展了系列卓有成效的廣泛研究,取得了一些可以借鑒的經(jīng)驗。但是當(dāng)前國內(nèi)高速鋼軋輥的整體性能還不夠穩(wěn)定,一些先進高速鋼材料和構(gòu)件仍需進口,開發(fā)可用于實際生產(chǎn)的新型高速鋼材料及其熱處理工藝,對提升我國鋼鐵工業(yè)整體水平、降低企業(yè)生產(chǎn)成本和實現(xiàn)碳達峰具有重要意義[4-10]。
雖然研究者針對復(fù)合高速鋼軋輥的熱處理各階段開展了大量的研究工作,但是根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)條件制定和探究高速鋼軋輥熱處理工藝的研究較少,且僅僅針對某一單一影響因素開展分析,很難將熱處理工藝應(yīng)用到實際生產(chǎn)。依據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的實際制造條件和水平,探究低成本的復(fù)合高速鋼軋輥熱處理工藝對企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)工藝和降低生產(chǎn)成本具有現(xiàn)實意義[11-16]。本研究以安徽環(huán)渤灣高速鋼軋輥有限公司實際生產(chǎn)復(fù)合高速鋼軋輥工藝為基礎(chǔ),采用硬度測試和金相手段探究復(fù)合軋輥工作外層高速鋼在不同淬火溫度和方式下的硬度和組織形態(tài),分析淬火-回火工藝各階段間的硬度和組織演化規(guī)律,以期獲得滿足實際棒材軋制性能要求的復(fù)合高速鋼軋輥的熱處理工藝并將其應(yīng)用到企業(yè)實際軋輥生產(chǎn)線。
依據(jù)復(fù)合軋輥性能要求,按照設(shè)計的工作層高速鋼成分,將廢鋼和對應(yīng)的含合金元素合金等原材料依次投入到中頻感應(yīng)爐中進行熔煉,熔煉溫度控制在1500 ℃,鋼模冷型預(yù)熱至200 ℃;為便于凝固后脫模,在冷型內(nèi)表面涂一層覆膜砂,預(yù)熱后的冷型放置在離心機上,離心機轉(zhuǎn)速設(shè)定為800 r/min;將熔煉好的鋼液澆鑄到離心機上的鋼模冷型,制備外徑405 mm,內(nèi)徑300 mm,長690 mm的高速鋼輥環(huán),待環(huán)坯凝固冷卻后,采用自制脫模裝置將環(huán)坯與冷型脫離。利用化學(xué)元素分析儀,測定試驗用復(fù)合軋輥外工作層高速鋼的化學(xué)成分如表1所示。
表1 試驗鋼的化學(xué)成分 %
根據(jù)工作層高速鋼的成分,計算出試驗鋼的相變點溫度,結(jié)合企業(yè)已有經(jīng)驗,制定試驗鋼詳細熱處理工藝如表2所示,設(shè)計淬火溫度、淬火方式和一次回火溫度三個參數(shù)。
表2 試驗鋼熱處理工藝
試樣用線切割機從離心輥環(huán)坯同一位置切取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的塊體。試樣經(jīng)砂紙預(yù)磨、機械拋光后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕10 s,以制取金相試樣。采用HRS-150洛氏硬度計測試試驗鋼硬度,每個試驗鋼塊在其一面中心以及與中心距離3 mm且相互垂直的4個點測量洛氏硬度數(shù)值,取5點平均值和方差做硬度分布圖,載荷選擇150 kgf,采用金剛石四棱錐壓頭;采用LEICAQ550IW光學(xué)顯微鏡觀察試驗鋼的顯微組織。
采用離心鑄造高速鋼外層,芯部澆鑄球墨鑄鐵或半鋼,制造出復(fù)合高速鋼軋輥,復(fù)合高速鋼軋輥主要用于特種棒材的軋制,軋制過程中軋件直接與軋槽接觸,軋件產(chǎn)生塑性變形,同時施加冷卻和潤滑。軋輥處于十分惡劣的服役環(huán)境,對軋輥實際工作時的耐磨性和紅硬性提出更高要求。復(fù)合高速鋼軋輥出廠技術(shù)主要標(biāo)準(zhǔn)是測試最終熱處理后輥面硬度及其分布均勻性,輥面硬度反映了復(fù)合軋輥服役條件下所需耐磨性能和紅硬性要求,根據(jù)高速鋼輥面硬度優(yōu)化軋輥熱處理工藝,再配以相應(yīng)硬度下的輥面顯微組織,可最終確定制造滿足使用性能要求的復(fù)合高速鋼軋輥的熱處理工藝。鑒于復(fù)合高速鋼軋輥的尺寸和重量都較大,采用風(fēng)冷淬火代替水冷和其他冷卻方式淬火在企業(yè)實際生產(chǎn)中具有切實的現(xiàn)實可行意義[17]。
圖1為離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火后的硬度及均勻程度分布,兩種淬火溫度下經(jīng)風(fēng)冷淬火后的輥面硬度相近,較低溫度風(fēng)冷淬火后的輥面硬度較高且分布更為均勻,而1250 ℃風(fēng)冷淬火后的輥面硬度略低于低溫淬火,則高溫淬火后的輥面應(yīng)力略低于低溫淬火,降低了軋輥在淬火及后續(xù)熱處理過程中開裂報廢的風(fēng)險。圖2顯示了離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火后的顯微組織狀態(tài),兩種溫度下風(fēng)冷淬火后,工作層高速鋼顯微組織都由淬火馬氏體、硬質(zhì)碳化物相和部分殘余奧氏體組成,淬火后在基體組織中形成了大量的位錯,殘余應(yīng)力較大,因此兩種淬火溫度處理后的輥面硬度較高,達到55 HRC,析出碳化物相的數(shù)量較少、尺寸差異較大且分布極不均勻,析出的硬質(zhì)相主要分布在晶界,1250 ℃風(fēng)冷淬火析出碳化物的尺寸較均勻??梢姶慊饻囟扔绊懟w顯微組織的分布狀態(tài),決定輥面初始硬度及分布,為進一步優(yōu)化軋輥的熱處理工藝,探究了兩種淬火溫度下不同淬火方式對輥面硬度和組織的影響規(guī)律。
圖1 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火后的硬度
圖2 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火后的顯微組織
圖3為離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火后的硬度分布,水冷淬火后的輥面硬度顯著高于風(fēng)冷淬火,但是風(fēng)冷淬火后的輥面硬度均勻性較好,可見在相同的淬火溫度下,水的冷卻速度大于風(fēng)冷,相應(yīng)輥面硬度較高。圖4顯示了離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火后的顯微組織狀態(tài),兩種冷卻方式淬火后在工作層高速鋼中都形成了淬火馬氏體、殘余奧氏體和碳化物,水冷淬火后基體馬氏體組織更細、析出硬質(zhì)碳化物相數(shù)量更多,但是碳化物的尺寸相差較大;在當(dāng)前淬火溫度和冷卻方式下淬火,顯微組織中網(wǎng)狀碳化物斷網(wǎng)、縮頸,形成部分球狀碳化物分布于晶界;1220 ℃水冷淬火后的輥面硬度及其分布和顯微組織狀態(tài)優(yōu)于相同條件下的風(fēng)冷淬火。
圖3 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火后的硬度
圖4 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火后的顯微組織
圖5為離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火后的硬度分布,水冷淬火后的輥面硬度最低且波動最小,風(fēng)冷淬火后的輥面硬度最高,油冷淬火后輥面硬度居中但其分布均勻性較差,在較高溫度淬火時,風(fēng)冷淬火后輥面硬度高于水冷淬火,這與1220 ℃淬火的結(jié)果相反,可見適當(dāng)提高淬火溫度,可用風(fēng)冷淬火代替水冷或其他冷卻方式淬火的可能,簡化了復(fù)合軋輥的熱處理工藝,降低了對熱處理裝備的性能要求。
圖5 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火后的硬度
圖6顯示了離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火后的顯微組織狀態(tài),三種淬火方式后的輥面顯微組織都由淬火馬氏體、殘余奧氏體和硬質(zhì)相組成,網(wǎng)狀碳化物斷網(wǎng)、縮頸并初步球化,但是硬質(zhì)相主要分布在晶界且尺寸和均勻性差異較大;風(fēng)冷淬火后的基體馬氏體組織更細且晶粒尺寸較小、析出碳化物相較多且尺寸較小,少量尺寸異常大的碳化物分布于三角晶界;水冷淬火后的基體晶粒尺寸大于風(fēng)冷淬火且差異較大,有較大尺寸的碳化物且主要分布在晶界處,淬火馬氏體組織沒有風(fēng)冷淬火的細?。挥屠浯慊鸷蠡w晶粒尺寸與水冷淬火相近,析出的硬質(zhì)相碳化物主要分布在晶界和晶粒內(nèi)部,但是油冷淬火后硬質(zhì)相在基體組織中的分布非常不均勻,輥面硬度波動較大;各冷卻方式下淬火后顯微組織的狀態(tài)與其輥面硬度及其均勻性一致對應(yīng)。
圖6 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火后的顯微組織
在相同的淬火冷卻方式下,較高溫度淬火與較低溫度淬火的結(jié)果不同,可見淬火溫度和淬火冷卻方式顯著影響復(fù)合高速鋼軋輥輥面初始硬度和組織狀態(tài)。通過對以上不同溫度和冷卻方式淬火結(jié)果的分析,1250 ℃溫度淬火時,可用風(fēng)冷淬火代替水冷和油冷淬火,簡化熱處理工藝和淬火裝備。
淬火后的復(fù)合高速鋼軋輥輥面硬度很大,內(nèi)部殘余應(yīng)力大,不能直接用于實際的棒材軋制生產(chǎn),經(jīng)過淬火后的軋輥需要進行回火處理,以降低輥面硬度和殘余應(yīng)力,促使淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體以及調(diào)控硬質(zhì)碳化物相的析出、狀態(tài)及分布。因淬火冷卻速度大,淬火后高速鋼組織中殘余高溫奧氏體,隨回火的進行,高溫奧氏體不穩(wěn)定進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體以及促進碳化物的析出,經(jīng)過恰當(dāng)?shù)幕鼗鹛幚恚瑥?fù)合高速鋼軋輥可獲得優(yōu)異的綜合性能,滿足實際棒材的軋制生產(chǎn)。高速鋼軋輥中含有25%以上的合金元素,回火過程中高溫奧氏體轉(zhuǎn)變和碳化物析出的阻力大,存在組織和相轉(zhuǎn)變不完全的情況,因此設(shè)計多次回火工藝具有必要意義。回火處理引起復(fù)合軋輥工作層高速鋼硬度下降、基體組織和碳化物相轉(zhuǎn)變,一次回火后的硬度較低,不能滿足棒材軋制的性能要求,需經(jīng)過多次回火處理,實現(xiàn)輥面硬度的再次提高,即形成二次硬化。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)過程中已有經(jīng)驗,淬火高速鋼軋輥經(jīng)回火處理后出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象,輥面硬度升高但不超過淬火硬度,可滿足棒材軋制時對輥面耐磨性能和紅硬性的要求。探索采用兩次回火處理就能達到軋輥的使用性能要求對實際復(fù)合高速鋼軋輥的制造具有指導(dǎo)意義和現(xiàn)實可行性。
2.2.1高低溫淬火-回火
圖7為離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火-回火硬度分布,經(jīng)一次回火后兩種工藝下的輥面硬度都降低且基本一致,但是經(jīng)過二次回火處理后,1250 ℃淬火+650 ℃回火工藝的輥面硬度出現(xiàn)了明顯的二次硬化,即輥面硬度經(jīng)第二次回火后出現(xiàn)升高但低于淬火,而1220 ℃淬火+560 ℃回火工藝的輥面硬度則一直降低,沒有二次硬化;提高一次回火溫度對輥面硬度狀態(tài)幾乎沒有影響,兩種工藝下的一次回火后輥面硬度基本一樣。
圖7 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火-回火后的硬度
圖8顯示了離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火-回火顯微組織,經(jīng)回火處理后,淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體,殘余奧氏體減少,殘余應(yīng)力降低,碳化物進一步析出且網(wǎng)狀碳化物出現(xiàn)斷網(wǎng)和縮頸,出現(xiàn)球形碳化物分布在晶界和晶粒內(nèi)部;兩種工藝下一次回火后的顯微組織幾乎一樣,網(wǎng)狀碳化物沒有完全斷網(wǎng),在晶界分布斷續(xù)的碳化物相,基體組織晶粒尺寸增大,位錯密度降低;1220 ℃淬火+560 ℃回火第二次后,網(wǎng)狀碳化物進一步縮頸斷網(wǎng)、球化,回火馬氏體增多,基體晶粒尺寸減小,析出碳化物尺寸增大且分布不均勻,部分碳化物聚集異常長大;1250 ℃淬火+650 ℃回火第二次后,回火馬氏體轉(zhuǎn)變增多,網(wǎng)狀全部碳化物消失,殘余奧氏體進一步減少,球化碳化物進一步增多且尺寸減小,較為均勻地分布在晶粒內(nèi)部和晶界位置,沒有異常長大的碳化物;較高的淬火溫度有利于合金元素更多且均勻地溶入高溫奧氏體,在隨后的回火處理中,促進碳化物的均勻析出,形成有效的固溶和第二相強化。1250 ℃風(fēng)冷淬火+650 ℃兩次回火處理后的復(fù)合高速鋼軋輥出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象,輥面硬度分布和顯微組織優(yōu)異,具有良好的綜合性能。
圖8 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃和1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火-回火后的顯微組織
2.2.2低溫下不同方式淬火-回火
風(fēng)冷淬火工藝在企業(yè)實際生產(chǎn)中具有操作方便和對熱處理裝置要求低的特點,探究不同淬火溫度下淬火方式對復(fù)合高速鋼軋輥硬度的影響規(guī)律對優(yōu)化軋輥生產(chǎn)流程具有重要作用。
圖9為離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火-回火硬度分布,風(fēng)冷淬火后再經(jīng)兩次回火處理,輥面硬度一直減小,殘余應(yīng)力降低,沒有二次硬化作用;水冷淬火經(jīng)一次回火處理后,輥面硬度減小,再經(jīng)第二次回火處理后,輥面硬度升高,但是遠低于淬火硬度,增加很小,出現(xiàn)了較弱的二次硬化效應(yīng);淬火-回火階段的輥面硬度分布均勻性在風(fēng)冷和水冷兩種工藝下都較差,輥面硬度差異大,軋輥性能不均勻。圖10顯示了離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火-回火顯微組織狀態(tài),風(fēng)冷淬火后一次回火和二次回火處理后的顯微組織幾乎沒有變化,沿晶界分布的網(wǎng)狀碳化物逐步斷網(wǎng)、縮頸,碳化物隨回火處理而聚集長大,基體回火馬氏體組織和碳化物相幾乎一樣;水冷淬火后經(jīng)一次回火,淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體,網(wǎng)狀碳化物斷網(wǎng),初步形成球形碳化物,但仍主要沿晶界分布,再經(jīng)二次回火處理后,回火馬氏體組織更加細小,網(wǎng)狀碳化物消失,球形碳化物尺寸進一步減小,但是存在多邊形碳化物,碳化物形狀和分布均勻性較差,這與輥面硬度分布一致。
圖9 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火-回火后的硬度
圖10 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220 ℃保溫120 min風(fēng)冷和水冷淬火-回火后的顯微組織
可見在1220 ℃淬火時,淬火方式影響著輥面硬度分布和組織狀態(tài),水冷淬火經(jīng)二次回火處理后出現(xiàn)二次硬化效應(yīng),但是輥面硬度增加較小,遠低于淬火硬度,風(fēng)冷淬火經(jīng)二次回火處理不具有二次硬化,主要是由于兩次回火后組織相同。
2.2.3高溫下不同方式淬火-回火
分析表明,1220 ℃風(fēng)冷淬火+兩次回火工藝沒有二次硬化,出現(xiàn)較弱的二次硬化效應(yīng),同時水冷淬火工藝操作復(fù)雜和熱處理裝備要求高。而1250 ℃風(fēng)冷淬火+兩次回火工藝具有較好的二次硬化作用,為探這種工藝在企業(yè)生產(chǎn)復(fù)合高速鋼軋輥的可行性,對1250 ℃不同淬火冷卻方式輥面硬度和顯微組織演化規(guī)律進行分析。圖11為離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火-回火硬度分布,風(fēng)冷和油冷淬火經(jīng)一次回火和二次回火處理后的輥面硬度變化趨勢一致,一次回火后硬度顯著降低,然而二次回火后硬度又顯著升高,出現(xiàn)明顯的二次硬化現(xiàn)象。兩種工藝在一次回火后硬度幾乎一樣,但是油冷淬火+兩次回火工藝后的輥面硬度稍微比淬火高;水冷淬火經(jīng)一次回火和二次回火處理后的輥面硬度則一直逐漸增加,輥面硬度沒有減小反而一直增大,回火沒有起到明顯的降低輥面殘余應(yīng)力的作用;在1250 ℃淬火時,三種淬火方式+一次回火+二次回火處理過程中,輥面硬度差異逐漸減小,硬度分布均勻度增大,軋輥性能更加均勻穩(wěn)定。從輥面硬度和分布均勻性演化可知,1250 ℃溫度淬火下,風(fēng)冷方式淬火+兩次回火工藝獲得輥面硬度性能最佳,風(fēng)冷淬火工藝操作簡單且裝備要求低,具有實際應(yīng)用的可能。
圖11 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火-回火后的硬度
圖12顯示了離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火-回火顯微組織狀態(tài),風(fēng)冷和油冷淬火經(jīng)一次回火后,基體形成回火馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組織,位錯密度顯著降低,殘余應(yīng)力降低,基體晶粒尺寸較大,兩種工藝再經(jīng)二次回火處理后,回火馬氏體組織增多且進一步細小,析出碳化物尺寸減小,碳化物分布較淬火時更加均勻,風(fēng)冷和油冷淬火+兩次回火工藝各階段的組織演化相似,油冷淬火+兩次回火后的組織和第二相較風(fēng)冷淬火更細小;水冷淬火的冷卻速度最快,高溫奧氏體在淬火過程中轉(zhuǎn)變的更多,一次回火后形成更多的回火馬氏體,殘余奧氏體較少,析出碳化物增多,再經(jīng)二次回火處理后,基體回火馬氏體組織更加細小,析出球形碳化物增多且尺寸減小,基體組織和碳化物分布更加均勻。由此可見,在1250 ℃淬火時,風(fēng)冷和油冷的冷卻速度相近,經(jīng)兩次回火處理后,輥面具有相似的性能。
圖12 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷、水冷和油冷淬火回火后的顯微組織
1220 ℃風(fēng)冷淬火+兩次回火工藝處理后沒有出現(xiàn)二次硬化效應(yīng),1220 ℃水冷淬火+兩次回火工藝處理后出現(xiàn)較弱的二次硬化效應(yīng),1220 ℃風(fēng)冷、水冷淬火+兩次回火工藝處理后輥面硬度分布波動較大,多邊形碳化物較多,軋輥性能不穩(wěn)定。
1250 ℃風(fēng)冷、油冷+兩次回火工藝處理后的復(fù)合軋輥具有相似的性能和組織狀態(tài),經(jīng)二次回火后都出現(xiàn)了顯著的二次硬化現(xiàn)象,但是油冷+兩次回火工藝處理后的硬度略微高于淬火,提高淬火溫度,可用風(fēng)冷淬火代替水冷和油冷淬火,簡化熱處理操作工藝和降低對熱處理裝備的要求。
最終確定以1250 ℃保溫120 min風(fēng)冷淬火+650 ℃/120 min+650 ℃/120 min回火的熱處理工藝作為現(xiàn)場復(fù)合高速鋼軋輥的生產(chǎn)工藝,生產(chǎn)的軋輥性能穩(wěn)定,顯著降低了制造成本。