热处理对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响.pdf

热处理对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响符寒光1 ，张孝红2( 1 ．清华大学先进成形制造重点实验室，北京1 0 0 0 8 4 )( 2 ．太原钢铁( 集团) 公司轧辊制造有限公司，太原0 3 0 0 0 3 )摘耍研究了淬火温度、淬火冷却方式和回火温度对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响结果表明，油冷条件下，淬火温度低于1 0 0 0 “ ( 2 ，随着淬火温度升高，硬度升高，随后硬度反而下降，雾冷和空冷条件下，淬火温度对硬度的影响规律与油冷时相似，获得最高硬度的淬火温度超过油冷时的淬火温度，达到1 0 2 5 “ ( 2 回火温度低于5 0 0 ℃时，高铬铸铁轧辊硬度变化不明显，超过5 7 5 “ C ，硬度明显下降，高铬铸铁轧辊在4 5 0 ℃回火4 小耐，具有良好的综合力学性能和优异的耐磨性关键词高铬铸铁轧辊，淬火，回火，冷却方式，硬度，耐磨性1 前言近年来，随着轧钢生产对节能、提高与控制轧制精度以及降低成本的要求，轧辊材料不断地得到改进和发展，从早期的普通冷硬铸铁、无限冷硬合金铸铁到半钢、高铬铸铁和高速钢[ 1 ^ 2 ] 其中高铬铸铁轧辊具有生产成本相对较低，加工性能好，耐磨性和抗热疲劳性能好等特点，已广泛地应用于轧钢生产中[ 3 - - 4 ] 。

目前，高铬铸铁轧辊的热处理主要有两种形式，一种是低于临界转变温度的亚临界热处理[ 5 ] ，另一种是高于临界点A 3 的高温热处理【6 | 国内对高铬铸铁轧辊的亚临界热处理研究较多[ 7 | ，而对高于临界点A 3 的高温热处理研究较少国外研究结果显示，高铬铸铁轧辊高温热处理后，其性能可以明显改善⋯8 为了进一步提高高铬铸铁轧辊性能，我们研究了淬火温度、冷却方式、回火温度对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响，获得了高铬铸铁轧辊最佳热处理工艺，应用于工业生产中，取得了较好的效果2 试验材料和方法高铬铸铁轧辊用1 0 0 0 K g 碱性中频感应电炉采用不氧化法熔炼铁水熔清后用铝脱氧，铁水出炉温度1 5 2 0 ～1 5 8 0 ℃试验材料取自与高铬铸铁轧辊同炉浇注的Y 形试块，试块长度1 6 0 m m ，高度1 0 0 m m ，上部宽度3 0 m m ，下部宽度2 5 m m 高铬铸铁轧辊化学成分是( w t ．％) ：2 ．8 3 C ，1 8 ．7 9 C r ，1 ．0 5 M o ，0 ．7 2 N i ，1 ．2 3 S i ，0 ．8 9 M n ，0 ．1 1 T i ，0 ．0 8 c e 。

试块热处理在尉X —1 8 一1 3 型高温电阻炉内进行为防止脱碳和氧化，试块表面涂覆2 0 2 型抗氧化涂料，涂料厚度大于1 ．2 m m 试块用线切割机加工成2 0 ×2 0 ×1 l O ( m m ) 无缺口冲击试样和1 0 ×2 0 ×1 0 0 ( m m ) 断裂韧性试样断裂韧性试样上用如．1 4 m m 钼丝加工出深5 r a m 、宽0 ．2 m m 的缺口在J B 3 0 A 型摆锤式冲击试验机上测试冲击韧性( a k ) 在I n s t r o n l 6 0 3 电磁共振式高频疲劳试验机上测试断裂韧性( K 1 用H R 一1 5 0 A 型硬度计测量硬度在G r e e b l e 一1 5 0 热模拟试验机上测试临界点用金相显微镜观察组织，残余奥氏体( A r ) 量在D ～M A X ／Y B 型X 射线衍射仪上测出磨损试验在 M L 一1 0 型销盘磨损试验机上完成用1 0 0 目石英水砂纸与试样对磨，磨损试样尺寸中6 ×2 5 m m ，磨程1 0 ．4 0 9 m ，载荷分别为1 9 ．6 N ，用磨损失重( V w ) 的倒数表示耐磨性3 试验结果与分析3 ．1高铬铸铁的临界点和等温转变曲线7 1高铬铸铁的临界点测试结果见表1 。

奥氏体化温度为1 0 2 5 ℃的等温转变曲线见图1 ，其珠光体( P ) 转变开始温度约为6 9 5 ℃左右，没有发现贝氏体转变，马氏体相变点( M )约为2 7 1 ℃，马氏体转变终点温度( M f ) 低于室温，高铬铸铁淬火组织转变具有不完全性，淬火组织中将会残留较多的奥氏体珠光体转变临界冷却速度V —1 0 —2 5 面- - 6 9 —5 = 0 ．5 2 * ( 2 ／s ，V P 值较小，表明高铬铸铁轧辊具有较好的淬透性表1 高铬铸铁的临界点( ℃)3 ．2 淬火温度和冷却方式对高铬铸铁轧辊硬度的影响淬火温度和冷却方式对高铬铸铁轧辊硬度的影响见图2 油冷条件下，淬火温度低于1 0 0 0 ℃，随着淬火温度升高，图I 高铬铸铁等温转变曲线硬度升高，超过1 0 0 0 ℃，硬度反而降低雾冷和空冷条件下，淬火温度对硬度影响结果相似，获得最高硬度的淬火温度高于油冷时的淬火温度随淬火温度升高，基体中溶解的共晶碳化物数量增加，碳化物的尖角变得圆滑，薄弱区域断开，淬火温度1 i 0 0 ℃时，组织明显粗化高铬铸铁轧辊硬度的淬火硬度值除了合金的组织因素外，还由马氏体中饱和的碳和合金元素量及未转变的残留奥氏体决定∽J ，淬火温度低时，奥氏体中溶解的碳和合金元素少，淬火转变后马氏体中饱和的碳和合金元素量也较少，故硬度相对较低。

淬火温度低于8 5 0 ℃淬火，加热不足而出现硬度较低的珠光体组织淬火温度超过1 1 0 0 ℃后，奥氏体中溶解的碳和合金元素量过多，M s 点下降，而且温度高使奥氏体成分均匀，奥氏体稳定化程度增加，淬火后残余奥氏体( A r ) 量增多，见图3 ，导致硬度明显下降淬火组织中残留奥氏体多除了与M s 点低有关外，还由于高铬铸铁轧辊硬度的发生马氏体相变时伴随着较大的体积应力，阻碍着马氏体相变的继续进行E l o 】在1 0 0 0 ～1 0 2 5 ℃时，马氏体中溶解的碳和合金元素量适中，获得了硬度的峰值由于雾冷和空冷速率小于油冷，相同淬火温度下，淬火组织中的残留奥氏体量少于油冷，获得最高硬度的温度高于油冷时的温度6 56 46 36 26 1u6 0手5 95 8蓍5 7 5 65 s5 4s 35 2 9 0 09 5 01 0 ∞1 0 5 01 1 ∞丁，C图2 淬火温度和冷却方式对高铬铸铁轧辊硬度的影响3 ．3 高铬铸铁轧辊的淬透性9 0 09 5 01 0 0 01 0 5 01 1 ∞r ，o c图3 淬火温度和冷却方式对残留奥氏体数量的影响不同冷却条件下高铬铸铁轧辊的淬透性见图4 。

油冷高铬铸铁轧辊淬透性最好，雾冷次之，空冷最差，但油冷和雾冷差别不大尽管高铬铸铁轧辊中含有较多的合金元素，具有较好的淬透性，但空冷条件下，由于冷却速率太小，离表面3 0 r a m 时，硬度已下降到5 5 H R C 以下轧辊工作层厚，通常大于3 0 m m ，高铬铸铁轧辊空冷淬火无法满足使用要求研究中还发现，高铬铸铁轧辊油冷淬火时，由于冷却速率太高，热应力大，在热应力和组织转变应力作用下，易出现裂纹高铬铸铁轧辊雾冷淬火既有较高的淬透性，又不易出现裂7 2纹，应用于实际生产中是可行的3 ．4回火温度对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响上述研究发现，高铬铸铁轧辊经1 0 2 5 ℃加热后雾冷淬火，具有很好的淬透性和淬硬性，而且淬火冷却时不会产生裂纹在此基础上，研究回火温度对1 0 2 5 ℃加热后雾冷淬火高铬铸铁轧辊硬度、韧性和耐磨性的影响，结果见图5 ～7 回火温度低于5 0 0 ℃时，随回火温度升高其硬度变化不大，超过5 2 5 ℃硬度稍有下降，5 7 5 ℃以后硬度明显下降这主要是由于高铬铸铁轧辊中碳和铬含量较高，形成大量的合金碳化物，同时马氏体中也含有一定量的合金元素，使马氏体的分解温度提高，故而其硬度变化不大。

温度超过5 2 5 ℃以后，一方面马氏体分解，另一方面由于碳化物聚集长大使弥散度减小，从而导致硬度稍有下降6 66 46 26 05 8 U釜5 6—5 4 型 髫5 25 04 84 6O1 02 0∞4 05 06 0离冷却端距离／n l n l图4 冷却方式对高铬铸铁轧辊淬透性的影响( 淬火温度1 0 2 5 ℃)6 46 26 0o5 8 正 工、、5 6型 髫“5 25 04 8乙2 2 0g2 1 0《2 ∞ 警，9 0 藿2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0r ，℃图5回火温度对高铬铸铁轧辊硬度的影响( 保温4 h )2 0 03 ∞4 0 05 0 06 0 07 0 0T ／o C图6 回火温度对高铬铸铁轧辊图7回火温度对高铬铸铁轧辊韧性的影响( 保温4 h )耐磨性的影响( 保温4 h )由图6 看出，冲击韧性a k 值和断裂韧性k l c 值随回火温度的变化规律基本相同，即在3 5 0 ℃时出现低谷，在4 5 0 ℃出现峰值其原因是，在4 5 0 ℃回火时应力消除比较完全，碳化物尚未长大，细小且均匀弥散的分布在马氏体基体上，不利于裂纹的扩展，故叽值和k l 。

值较高当温度高于4 5 0 ℃以后，由于碳化物的聚集长大使其弥散度减小【1 1 I ，导致口^ 值和k 1 值有所降低3 5 0 ℃回火时吼值和k 1 值出现低谷，与残余奥氏体分解和第一类回火脆性有关回火温度超过5 0 0 ℃后，随着回火温度的进一步提高，合金碳化物开始聚集、长大，马氏体中固溶的碳和合金不断减少，马氏体塑性提高，抵抗裂纹萌生和扩展的能力提高，导致高铬铸铁轧辊韧性提高由图7 看出，回火温度低于4 5 0 ℃时，随回火温度升高，高铬铸铁轧辊耐磨性增大，高于4 5 0 ℃时，耐磨性反而下降高铬铸铁轧辊在4 5 0 ～4 7 5 ℃区间回火，具有优异的耐磨性因为材料承受磨料磨损时，磨损率由两部分组成L 12 | ，即7 3W ￡= W c 十W ，( 1 )D W c = K I 吾( 2 )p吩2K 2 看丽( 3 )式中，眠一磨损率；耽一切削机制引起的磨损；W s 一疲劳机制引起的磨损；P 一外界压力；H 一材料硬度；K 1 、K 2 一磨损系数；e r 一单轴拉伸时的断裂应变由式( 1 ) ～式( 3 ) 可知，在磨料磨损条件下，材料的磨损主要切削磨损和疲劳磨损组成，前者主要决定于材料的硬度，而后者与材料的硬度和塑性两个因素有关，高铬铸铁轧辊在低温下回火时，韧性较低，耐磨性差。

高温下回火时，尽管韧性提高，但硬度明显下降，抗切削磨损能力差，综合作用的结果导致高铬铸铁轧辊耐磨性下降，4 5 0 ～4 7 5 ℃回火的高铬铸铁轧辊，硬度高，抗切削磨损能力强，而且冲击韧性也较高，具有较好的抗疲劳磨损能力，综合作用的结果使高铬铸铁轧辊具有优异的耐磨性高铬铸铁轧辊经1 0 2 5 ℃保温2 h后雾冷淬火，并在4 5 0 回火4 h 后，可以得到由回火马氏体、共晶碳化物、二次碳化物和残留奥氏体组成的组织，具有优异的综合力学性能和耐磨性4结论( 1 ) 测试了成分为2 ．8 3 ％C ，1 8 ．7 9 ％C r ，1 ．0 5 ％M o ，0 ．7 2 ％N i ，1 ．2 3 ％S i ，0 ．8 9 ％M n ，0 ．1 1 ％T i 和0 ．0 8 ％C e 的高铬铸铁轧辊的临界点和T 1 v r 曲线，其八1 为7 1 2 1 2 ，氏3 为8 0 7 1 2 ，M s 为2 7 1 1 2 ，V p = 0 ．5 2 1 2 ／s ，具有较好的淬透性 2 ) 油冷淬火条件下，淬火温度低于1 0 0 0 1 2 ，随着淬火温度升高，硬度升高，超过1 0 0 0 ℃，随着淬火温度升高，硬度反而降低。

雾冷和空冷淬火条件下，淬火温度对硬度影响结果相似，获得最高硬度的淬火温度高于油冷淬火温度 3 ) 雾冷淬火条件下，回火温度低于5 0 0 ℃时，随回火温度升高其硬度变化不大，超过5 2 5 ℃硬度稍有下降，5 7 5 ℃以后硬度明显下降冲击韧性和断裂韧性随回火温度的变化规律基本相同，在3 5 0 ℃时出现低谷，在4 5 0 1 2 出现峰值。