工作輥用高鉻鋼熔合層熱模擬分析

劉紅才 趙文輝

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

雖然高鉻鋼軋輥在熱帶鋼粗軋機上的應用日益廣泛，但是由于高鉻鑄鋼軋輥外層材質成分容易偏析，和芯部材料成分差別較大，易產生碳化物密集區，導熱性差，彈性模量較大，對輥面溫度的驟然升降比較敏感等，導致在使用過程中易出現失效。由于熔合層結合不好而造成的軋輥失效屢屢發生。本文對高鉻鋼軋輥材質熔合層在熱模擬試驗中的顯微組織及性能進行研究，著重解決其中的一些關鍵問題，以求對高鉻鋼軋輥的應用提供相關參考。

1 試驗過程

試料取自工廠生產的試驗件。工作層鋼水采用10 t工頻爐熔煉，并采用?550 mm×2 000 mm模具澆注。待工作層冷卻后再澆注芯部材料。芯部材料在離心機上澆注，澆注層厚度設定為70 mm。保溫緩冷，打箱取料，制作標準金相試塊(25 mm×25 mm×20 mm)，經退火及淬火后，在不同溫度下進行回火熱模擬試驗，檢測分析。工作層高鉻鋼冶煉化學成分(質量分數，%)為：C 1.5～2.5，Si 0.5～1.5，Mn 0.5～1.5，Cr 11～15，Ni 1～2，Mo 1.5～2.5。芯部材料為球墨鑄鐵，化學成分(質量分數，%)為：C 1.5～3.3，Si 1.5～2.5，P<0.1，S<0.1，Mn<0.7，Ni<1.0。為系統研究熔合層在熱模擬過程中的組織、碳化物類型、物相及性能的變化，分別對熔合層試樣進行了退火、淬火和回火熱模擬試驗，并對熱模擬后各熱處理狀態進行理化檢驗分析。熔合層熱模擬路線方案為：熔合層鑄態→650℃退火→淬火試驗→545℃一次回火→545℃二次回火。

熱模擬曲線如圖1、圖2所示。對各熱處理狀態下的熱模擬試樣進行硬度、金相等理化檢測。

2 結果分析

2.1 熔合層硬度檢測

圖1 淬火熱模擬曲線Figure 1 Thermal simulation curve of quenching

圖2 回火熱模擬曲線Figure 2 Thermal simulation curve of tempering

圖3 不同熱處理狀態下的熔合層各位置硬度值Figure 3 Hardness values of every position of fusion zone under different heat treatment conditions

熱處理狀態位置HRCHRC平均值鑄態近外層中間近芯部49.244.727.548.744.428.447.644.128.048.544.428.0650℃退火近外層中間近芯部50.342.722.548.242.426.448.442.126.049.042.425.0淬火近外層中間近芯部59.239.419.161.441.818.360.937.120.160.539.419.2545℃回火近外層中間近芯部54.035.622.853.633.022.854.431.922.85433.522.8545℃+545℃回火近外層中間近芯部53.041.717.653.231.719.453.838.319.353.337.218.8

對各熱處理狀態的試樣進行硬度檢測。因熔合層由兩種材料熔合而成，為細致區分，將熔合層分為近外層、中間、近芯部三區，其硬度值如表1所示。

不同熱處理狀態下的熔合層各位置硬度值如圖3所示。

由圖3可知，在不同熱處理狀態下靠近外層的硬度值都是最高的，隨熱處理狀態的變化，各個位置的硬度也發生變化?？拷鈱游恢玫挠捕认仍黾雍蠼档汀Ｖ虚g位置硬度則先降低，在一次545℃回火后硬度值達到最低，經過二次545℃回火后，中間位置硬度有所升高?？拷静课恢茫浣M織形態和碳化物與球墨鑄鐵相似，變化較小。

2.2 XRD物相轉變

(1)鑄態XRD分析

在鑄態對整個CRS-B熔合層成分試樣進行XRD分析，其圖譜如圖4所示。

物相組成：α-Fe+Fe3C+Cr7C3+γ-Fe。

(2)退火XRD分析

熔合層650℃退火狀態下XRD分析圖譜如圖5所示。

物相組成：α-Fe+Fe3C+Cr7C3+γ-Fe。

(3)淬火XRD分析

熔合層650℃淬火狀態下XRD分析圖譜如圖6所示。

物相組成：α-Fe+Fe3C+Cr7C3+γ-Fe。

(4)回火XRD分析

熔合層545℃回火狀態下XRD分析圖譜如圖7所示。

物相組成：α-Fe+Fe3C+Cr7C3+γ-Fe。

2.3 能譜分析

熔合層鑄態、退火、淬火和回火條件下的能譜分析如圖8～圖11所示。

圖4 熔合層鑄態XRD分析圖譜Figure 4 XRD analysis chart of as-cast fusion zone

圖5 熔合層650℃退火狀態下XRD分析圖譜Figure 5 XRD analysis chart of fusion zone under annealing condition at 650℃

圖6 熔合層650℃淬火狀態下XRD分析圖譜Figure 6 XRD analysis chart of fusion zone under quenching condition at 650℃

圖7 熔合層545℃回火狀態下XRD分析圖譜Figure 7 XRD analysis chart of fusion zone under tempering condition at 545℃

圖8 熔合層鑄態下能譜分析Figure 8 Energy spectrum analysis of as-cast fusion zone

圖9 熔合層退火狀態下能譜分析Figure 9 Energy spectrum analysis of fusion zone under annealing condition

圖10 熔合層淬火狀態下能譜分析Figure 10 Energy spectrum analysis of fusion zone under queching condition

圖11 熔合層回火狀態下能譜分析Figure 11 Energy spectrum analysis of fusion zone under tempering condition

由上述XRD分析和能譜分析可知，在各熱處理狀態下物相組成及碳化物類型相同。在對熔合層進行能譜分析時，其碳化物及芯部組織組成相似，因此能譜分析只列舉典型的碳化物能譜分析，其他熱處理狀態的能譜不做贅述。

通過對熔合層試樣碳化物進行能譜分析可以看出，一次碳化物類型沒有改變，靠近外層仍為Cr7C3，芯部仍為Fe3C，碳化物類型可能改變，在熔合層成針狀。鑄態下芯部為層片狀的珠光體組織，淬火下外層為馬氏體基體，由細小二次碳化物析出，類型為Cr系顆粒狀碳化物。

2.4 金相組織分析

熔合層熱處理狀態下的金相組織見圖12、圖13。熔合層組織分為3個區，分別為近外層、芯部和近芯部。各區的組織變化很大，需要定性定量的描述。

鑄態 650℃退火(a)靠近芯部

鑄態 650℃退火(b)熔合層

鑄態 650℃退火(c)靠近外層圖12 熔合層各區鑄態及退火狀態下的金相組織(500×)Figure 12 Metallographic structure of fusion zone under casting and annealing conditions (500×)

(1)鑄態

過渡區靠芯部：珠光體+萊氏體(共晶碳化物+珠光體)+少量貝氏體+少量奧氏體+一次塊狀、條狀碳化物。

過渡區靠外層：奧氏體+馬氏體+萊氏體(奧氏體+馬氏體+貝氏體+共晶碳化物)+少量珠光體+少量貝氏體+一次塊狀、條狀碳化物。

(2)650℃退火

過渡區靠芯部：珠光體+萊氏體(共晶碳化物+珠光體)+少量貝氏體+少量奧氏體+一次塊狀、條狀碳化物。

過渡區靠外層：奧氏體+馬氏體+萊氏體(奧氏體+馬氏體+貝氏體+共晶碳化物)+少量珠光體+少量貝氏體+一次塊狀、條狀碳化物。

(3)淬火態

過渡區靠芯部：珠光體+少量萊氏體(珠光體+共晶碳化物)+不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

過渡區：珠光體+萊氏體(珠光體+共晶碳化物)+馬氏體+不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

過渡區靠外層：馬氏體+萊氏體(馬氏體+共晶碳化物)+珠光體+不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

(4)一次545℃回火

過渡區靠芯部：珠光體+萊氏體(珠光體+共晶碳化物)+一次不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

過渡區：珠光體+萊氏體(珠光體+共晶碳化物)+回火馬氏體+一次不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

靠芯部 過渡區 靠外層

(a)淬火狀態

靠芯部 過渡區 靠外層

b)545℃回火狀態

靠芯部 過渡區 靠外層

(c)545℃+545℃回火狀態

圖13 熔合層各區淬回火狀態下的金相組織(500×)

Figure 13 Metallographic structure of fusion zone under quenching and tempering conditions (500×)

過渡區靠外層：回火馬氏體+萊氏體(回火馬氏體+共晶碳化物)+一次不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

(5)二次545℃回火

過渡區靠芯部：珠光體+萊氏體(珠光體+共晶碳化物)+一次不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

過渡區：珠光體+萊氏體(珠光體+共晶碳化物)+回火馬氏體+一次不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

過渡區靠外層：回火馬氏體+萊氏體(回火馬氏體+共晶碳化物)+一次不規則塊、粒狀及條狀碳化物。

3 結論

(1)在各熱處理狀態下靠近外層的硬度值是最高的，各個位置的硬度隨熱處理狀態的變化而出現變化?？拷鈱游恢玫挠捕认仍黾雍蠼档?。中間位置硬度則先降低，在一次545℃回火后硬度值達到最低，經過二次545℃回火后，中間位置硬度有所升高?？拷静课恢玫慕M織形態和碳化物與球墨鑄鐵相似，變化較小。

(2)熔合層在各熱處理狀態下的物相組成均為：α-Fe+Fe3C+Cr7C3+γ-Fe。

(3)一次碳化物類型在熱模擬過程中并沒有改變，靠近外層為Cr7C3。芯部仍為Fe3C，碳化物形狀可能改變，在熔合層成針狀。鑄態下芯部為層片狀的珠光體組織，淬火下外層為馬氏體基體，由細小二次碳化物析出，類型為Cr系顆粒狀碳化物。

(4)在熔合層發現了影響結合力的碳化物聚集帶，且碳化物聚集帶不隨熱模擬而改變。因此提高熔合層的結合質量要從中間層材料及工藝方面著手，熱處理不能改變其形態分布及數量。

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