一種新型軋輥用鋼的連續冷卻轉變研究

趙 玥 張明珠 樊翔宇

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

軋輥的工作條件苛刻，需承受很高的軋制力和摩擦力，長期使用容易發生變形、開裂等失效問題。有些軋輥的失效是由于在生產過程中采用了不適當的熱處理方法，顯微組織不符合要求，最終導致軋輥在短期內報廢，從而造成不必要的經濟損失。因此制定合理的熱處理工藝關系到軋輥的使用壽命，對生產效率和生產成本也起著決定性作用。連續冷卻轉變曲線——CCT(Continuous Cooling Transformation)曲線是分析連續冷卻過程中奧氏體的轉變過程以及轉變產物的組織和性能的依據，可以確定臨界冷卻速度，得到理想的組織，為熱處理工藝的制定提供參考[1]。本文以一種新型軋輥用鋼為研究對象，繪制該鋼的連續冷卻轉變曲線，并研究奧氏體化溫度對其顯微組織的影響。

1 試驗方法

試驗材料為一種新型軋輥用鋼，原始狀態為調質態，化學成分見表1。試樣尺寸為?3 mm×10 mm。根據相關試驗標準[2]在L78 RITA型淬火相變儀上以不同冷卻速度(2℃/min～1 200℃/min)進行連續冷卻轉變曲線的測定和分析，在Axiovert 200MAT光學顯微鏡下觀察各個冷卻速度下試樣的金相組織，以金相組織輔助分析連續冷卻轉變，最終得到該鋼的連續冷卻轉變曲線。

表1 軋輥用鋼的主要化學成分(質量分數，%)Table 1 Main chemical composition of roll steel(mass fraction,%)

2 試驗結果

2.1 CCT曲線的測定結果

圖1為軋輥用鋼的原始組織，其原始組織為片狀珠光體+粒狀貝氏體+碳化物。

圖1 軋輥用鋼的原始組織Figure 1 Original structure of roll steel

由于原始組織中存在較多的碳化物，為使其在奧氏體化過程中充分溶解，CCT曲線的奧氏體化溫度最終確定為840℃。不同冷卻速度下得到的試樣金相組織如圖2所示?？梢?，隨著冷卻速度增大，該鋼經歷了珠光體、貝氏體和馬氏體組織轉變，并且硬度趨于逐漸增大。在較低冷卻速度(5℃/min)下，C和合金元素有充分的時間發生擴散，最終得到珠光體組織(圖2a)；當冷卻速度提高至10℃/min時，合金元素的擴散受到一定程度的抑制，珠光體減少，冷卻組織主要為針狀貝氏體，并開始出現馬氏體(圖2b)；當冷卻速度提高至20℃/min時，珠光體完全消失，馬氏體增多(圖2c)；當冷卻速度繼續增大時，馬氏體的量繼續增多，貝氏體逐漸減少，直至冷卻速度高于120℃/min時貝氏體完全消失(圖2f)，并測得該鋼的馬氏體點MS=268℃。最終得到軋輥用鋼的CCT曲線，如圖3所示。

隨著冷卻速度增大，原子擴散激活能逐漸增大，軋輥用鋼逐漸由擴散型珠光體、貝氏體相變過渡到非擴散型馬氏體相變。通過觀察金相組織發現不同冷卻速度下得到的組織中均存在未溶碳化物，且碳化物的分布不均勻，這就造成了組織偏析，降低了組織均勻性。

(a)5℃/min (b)10℃/min

(c)20℃/min (d)60℃/min

(e)120℃/min (f)300℃/min圖2 不同冷卻速度下軋輥用鋼連續冷卻轉變后的金相組織Figure 2 Metallographic structures after continuous cooling transformation of roll steel under different cooling speeds

圖3 軋輥用鋼的CCT曲線Figure 3 CCT curve of roll steel

組織偏析造成軋輥內部物理和力學性能不均勻，在力學性能較差的相的晶界和晶粒內部易生成初始裂紋，裂紋的端部形成一個應力集中區，裂紋迅速擴展，最終導致整個軋輥失效報廢，所以對于長期處于嚴峻工作條件下的工件應該避免出現組織偏析。以往研究[3,4]中多用提高奧氏體化溫度的方法，使鋼中碳化物在奧氏體化過程中全部溶解到奧氏體晶粒中，進而消除組織偏析。

2.2 碳化物的溶解和組織均勻化

為使碳化物充分溶解、最終得到均勻的冷卻組織，將奧氏體化溫度分別提高到880℃、920℃，保溫20 min，然后以300℃/min的速度冷卻試樣，得到的軋輥用鋼的金相組織，如圖4所示。從圖4可以看出，當奧氏體化溫度為880℃時，碳化物已大部分溶解，但是仍然有少量未溶，組織偏析得到明顯改善(圖4a)；當奧氏體化溫度進一步升高到920℃時，在奧氏體化過程中碳化物幾乎全部溶入奧氏體晶粒中，最終得到單一的馬氏體組織，與較低奧氏體化溫度下得到的組織相比，均勻性顯著提高(圖4b)。因此，通過提高奧氏體化溫度的方法可以消除組織偏析，組織均勻化。

(a)奧氏體化溫度880℃ (b) 奧氏體化溫度920℃圖4 較高奧氏體化溫度下得到的軋輥用鋼連續冷卻轉變后的金相組織Figure 4 Metallographic structures after continuous cooling transformation of roll steel under higher austenizing temperature

3 結論

(1)利用膨脹法結合金相組織測得了一種新型軋輥用鋼的連續冷卻轉變曲線。

(2)在很寬的冷卻速度范圍(2℃/min～1 200℃/min)內，隨著冷卻速度的增大，軋輥用鋼連續冷卻轉變后的顯微組織經歷了由珠光體到貝氏體再到馬氏體的演變過程。

(3)軋輥用鋼在不同冷卻速度下得到的組織均存在未溶碳化物，且存在組織偏析。通過提高奧氏體化溫度的方法可使碳化物充分溶解，使組織均勻化。

[1] 劉云旭.金屬熱處理原理. 機械工業出版社.1981,169-209.

[2] 楊勝蓉.YB/T5128-93鋼的連續冷卻轉變曲線圖的測定方法(膨脹法).北京:中國標準出版社，1996.

[3] 路妍，王軍華，蘇杰，楊卓越，謝剛.奧氏體化溫度對30Cr3SiMnNiWMo鋼組織性能的影響.特殊鋼.2011,32(4):60-63.

[4] 李順杰，楊弋濤，彭坤，金曼，邵光杰.奧氏體化溫度對Cr5合金鋼組織和性能的影響.金屬熱處理.2010,35(1):110-113.