工作輥高鉻鋼淬回火熱模擬研究

劉紅才 趙文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

從20世紀80年代至今，熱帶連軋機粗軋工作輥材質的變化經歷了由整體鑄造半鋼到離心球芯復合高鉻鑄鐵、再到離心球芯復合高鉻鑄鋼的過程。目前高鉻鑄鋼球芯離心復合軋輥在熱帶連軋機粗軋機架上已得到廣泛應用。高鉻鑄鋼球芯復合軋輥采用離心鑄造而成，芯部為高強度合金球墨鑄鐵，外層材料是高鉻鋼。高鉻鑄鋼通常是用于制作承受高負荷、形狀復雜、變形小、耐磨性高和紅硬性好的模具材料。高鉻鑄鋼化學成分(質量分數，%)為：C 0.7～ 1.4，Cr 8～14，及較高含量的Mo、Ni、V等合金元素。由于高鉻鑄鋼是高碳鋼，因此仍保留了鋼系自身的特點，具有較好的抗咬入性能和抗事故能力。高鉻鑄鋼作為粗軋機軋輥工作層具有較好的熱疲勞特性、良好的耐磨性和較好的防事故性打滑的優點。另外，由于大量的Cr、Mo等合金元素的作用，外層組織中的碳化物形態已不是傳統的M3C型碳化物類型，而是形成了具有較高顯微硬度和耐磨性的孤立塊狀分布的M7C3型和M2C型碳化物。特殊的熱處理工藝使高鉻鑄鋼具有良好的高溫綜合力學性能。為弄清楚高鉻鑄鋼的力學性能特點，本文對工作輥高鉻鋼進行了系統的熱模擬研究。

1 實驗過程

試料取自工廠試驗件，采用10 t工頻爐冶煉鋼水，在離心機上澆注，澆注厚度設定為70 mm，保溫冷卻，打箱取料，制作標準金相試塊，進行熱模擬試驗、檢測分析。工作層高鉻鋼冶煉化學成分(質量分數，%)：C 1.5～2.5，Si 0.5～1.5，Mn 0.5～1.5，Cr 11～15，Ni 1～2，Mo 1～2.5。淬火、回火熱模擬曲線如圖1、圖2所示。

2 結果分析

2.1 硬度變化

在淬火狀態下檢測3個試樣，硬度值如表1所示。

圖1 熱模擬淬火方案Figure 1 Quenching scheme of thermal simulation

圖2 熱模擬回火方案Figure 2 Tempering scheme of thermal simulation

表1 淬火下硬度Table 1 Hardness under quenching

表2 不同回火溫度下硬度Table 2 Hardness under different tempering temperatures

圖3 淬回火過程中硬度變化Figure 3 Hardness change during quenching and tempering

不同回火溫度和回火次數下各硬度值如表2所示。淬回火過程中硬度變化見圖3。

從圖3可以看出，經一次回火后硬度均比淬火硬度有所下降，其中530℃回火硬度下降最大，下降15.8%。570℃二次回火后硬度下降最大，與淬火態硬度相比下降34.8%。530℃二次回火后硬度稍有回升，545℃二次回火后硬度基本持平。

2.2 碳化物量變化

淬火狀態及一次回火和二次回火狀態下碳化物含量如表3、表4所示。淬火過程中碳化物量變化見圖4。

表3 淬火碳化物含量(質量分數，%)Table 3 Quenched carbide content (mass fraction,%)

表4 不同回火溫度下碳化物含量(質量分數，%)Table 4 Carbide content under different tempering temperature(mass fraction,%)

圖4 淬回火過程中碳化物量變化Figure 4 Carbide content change during quenching and tempering

從圖4可以看出，經一次回火后，碳化物含量均有所增加，其中570℃一次回火后碳化物含量增加最明顯。這是因為經回火后大量二次碳化物從馬氏體基體中析出，使得碳化物含量增加。570℃二次回火后碳化物含量減少，細小碳化物重溶于基體中。530℃、545℃二次回火后碳化物均略有增加。

2.3 組織演變

淬回火過程中組織演變圖片如圖5所示。

組織組成：

淬火組織：馬氏體+萊氏體+珠光體+一次不規則塊狀碳化物和分布在馬氏體基體上的細粒狀碳化物。

回火組織：回火馬氏體+萊氏體(回火馬氏體+共晶碳化物)+少量珠光體+一次不規則狀碳化物+細粒狀碳化物。

2.4 電鏡及能譜分析

淬火狀態下電鏡照片見圖6。回火狀態下電鏡照片見圖7。不同溫度下各區能譜分析見圖8～10。

分析發現，一次碳化物在整個熱模擬過程中沒有變化，以Cr7C3為主。從圖9可以看出，2區組織為珠光體組織。

對比圖8和圖10發現，3區碳化物與1區碳化物相比，顏色較淺，Mo含量增加，碳化物以Cr碳化物為主。

淬火狀態下

530℃回火530℃+530℃回火

545℃回火545℃+545℃回火

570℃回火 570℃+570℃回火圖5 淬回火過程中組織演變(500×)Figure 5 Microstructure transformation during quenching and tempering(500×)

圖6 淬火狀態下電鏡照片Figure 6 SEM photograph under quenching

530℃545℃570℃(a)一次回火狀態下

530℃545℃570℃(a)二次回火狀態下圖7 回火狀態下電鏡照片Figure 7 SEM photograph under tempering

圖8 545℃回火狀態下1區能譜分析Figure 8 Energy spectrum analysis of No.1 zone under tempering at 545℃

圖9 545℃回火狀態下2區能譜分析Figure 9 Energy spectrum analysis of No.2 zone under tempering at 545℃

圖10 545℃回火狀態下3區能譜分析Figure 10 Energy spectrum analysis of No.3 zone under tempering at 545℃

圖11 淬火狀態下XRD分析圖譜Figure 11 XRD analysis chart under quenching

圖12 545℃一次回火狀態下XRD分析圖譜Figure 12 XRD analysis chart under primary tempering at 545℃

圖13 545℃二次回火狀態下XRD分析圖譜Figure 13 XRD analysis chart under secondary tempering at 545℃

2.5 XRD轉變

淬火、一次回火、二次回火狀態下XRD分析圖譜如圖11～13所示。

由圖11、圖12、圖13 XRD衍射圖譜可知，淬火狀態下物相主要由以下物質組成：α-Fe+A+Cr7C3+Mo2C。一次回火狀態下物相組成為：α-Fe+A+Cr7C3+Mo2C。二次回火狀態下物相組成為：α-Fe+Cr7C3+Mo2C。二次回火后奧氏體相消失。530℃、570℃回火狀態下XRD物相轉變與545℃回火狀態下XRD物相轉變相似，不再做贅述。

4 結論

(1)經一次回火后硬度均比淬火硬度有所下降，其中530℃回火后硬度下降較大，下降15.8%。570℃二次回火后硬度下降最大，與淬火態硬度相比下降34.8%。530℃二次回火后硬度稍有回升。545℃二次回火后硬度基本持平。

(2)經一次回火后，碳化物含量較淬火態均有所增加，其中570℃一次回火后碳化物含量增加最明顯，這是因為經回火后大量二次碳化物從馬氏體基體中析出，使得碳化物含量增加。570℃二次回火后碳化物含量減少，細小碳化物重溶于基體中。530℃、545℃二次回火后碳化物均略有增加。組織變化主要表現在細粒狀二次碳化物增加和珠光體的減少。

(3)在淬火回火熱模擬過程中，基體組織由馬氏體轉變為回火馬氏體，晶格結構均表現為α-Fe，XRD物相分析無變化。無論是淬火后，還是回火后均存在珠光體，說明在特定的冷卻速度(直徑)下基體組織不完全是馬氏體。經過二次回火后，殘余奧氏體消失。

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