新型鍛造高速鋼軋輥材料淬火工藝研究

王大鵬　趙席春　郭　峰

(天津重型裝備工程研究有限公司 ，天津300457)

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新型鍛造高速鋼軋輥材料淬火工藝研究

王大鵬趙席春郭峰

(天津重型裝備工程研究有限公司 ，天津300457)

摘要：對一種新型鍛造高速鋼軋輥材料進行淬火工藝研究，分析了淬火工藝對新型鍛造高速鋼軋輥材料組織、晶粒度、硬度、殘余奧氏體的影響。結果表明，新型鍛造高速鋼軋輥材料的淬火溫度應選擇在1 020℃至1 080℃之間。

關鍵詞：高速鋼軋輥；淬火；組織；硬度；殘余奧氏體

現代化大型冷帶鋼軋機已實現無頭、半無頭軋制，對板帶的質量如冷軋板帶的表面平整度、厚度差等方面要求越來越高，對工作輥的質量要求也越來越高，無論是對表面硬度還是淬硬層深度的要求都有較大的提高。冷軋工作輥材質的研究一直備受軋輥界的高度重視，從最初的軸承鋼逐漸發展到2%Cr、3%Cr、5%Cr型鋼，其發展通常以鉻含量的不斷提高為基本特征[1]。近年來出現了半高速鋼、高速鋼軋輥材質，其組織和碳化物的研究已有一些報導[2]。本文對一種新開發的鍛造高速鋼冷軋工作輥材料的淬火工藝進行研究，分析了淬火溫度對高速鋼軋輥組織、晶粒度、殘余奧氏體和硬度的影響，為開發高端冷軋工作輥提供理論及試驗基礎。

1試驗材料及方法

試驗用新型鍛造高速鋼軋輥材料采用50 kg真空感應爐進行熔煉，化學成分見表1。然后高溫鍛造成100 mm×100 mm×250 mm坯料，經700℃、4 h退火后得到試驗用原始料。金相試樣為15 mm×15 mm×15 mm方塊，采用箱式電阻爐進行不同溫度加熱，空冷淬火。采用660RLD/T型洛氏硬度計檢測硬度，采用X′per Pro X射線衍射儀檢測殘余奧氏體，采用Axiovert 200 MAT光學顯微鏡檢測組織和晶粒度，采用QUANTA400掃描電子顯微鏡觀察碳化物。

表1　新型鍛造高速鋼軋輥材料化學成分

2試驗結果分析

2.1鑄態組織分析

圖1為新型鍛造高速鋼軋輥鑄態組織和碳化物形貌。新型鍛造高速鋼軋輥鑄態組織為下貝氏體+萊氏體+少量馬氏體+條塊狀碳化物+顆粒狀碳化物，其中大塊的條狀碳化物為鋼液凝固過程中析出的一次碳化物，顆粒狀碳化物為冷卻過程中從奧氏體中析出的二次碳化物，碳化物含量為3.6%。

(a)組織

(b)碳化物

2.2淬火溫度對材料組織的影響

圖2為經不同溫度淬火后新型鍛造高速鋼軋輥材料組織。經920℃加熱保溫1 h后空冷，材料組織為馬氏體+萊氏體+少量塊狀碳化物+顆粒狀碳化物，碳化物基本沒有溶解，含量為6.9%。隨著淬火溫度的升高，高速鋼組織狀態并未發生變化，仍是馬氏體、萊氏體與碳化物的混合組織。試樣經1 120℃保溫1 h后空冷淬火，粒狀碳化物已基本溶解。當淬火溫度升至1 200℃，塊狀碳化物已大部分溶解，其組織為馬氏體+萊氏體+少量塊狀碳化物。由此可見，淬火溫度對高速鋼組織的影響主要是通過影響碳化物的溶解來實現的。隨著淬火溫度的升高，碳化物不斷溶解，基體組織的碳含量不斷增加，淬火后馬氏體的過飽和度相應變大。

(a)920℃

(b)1 120℃

(c)1 200℃

2.3淬火溫度對材料殘余奧氏體的影響

圖3 為淬火溫度對新型鍛造高速鋼軋輥材料殘余奧氏體含量的影響。淬火溫度低于1 000℃時，殘余奧氏體含量基本不變，保持在3%左右。淬火溫度超過1 000℃，殘余奧氏體含量開始增加，但增加的趨勢比較平緩，1 080℃淬火，殘余奧氏體含量達到8%。之后隨著淬火溫度的繼續升高，殘余奧氏體含量急劇增加，1 120℃淬火，殘余奧氏體含量達到16%，當淬火溫度達到1 160℃時，殘余奧氏體量增至38%。過多的殘余奧氏體會影響材料的硬度和強度等性能，因此從殘余奧氏體方面考慮，淬火溫度應低于1 080℃。

圖3　淬火溫度對新型鍛造高速鋼

2.4淬火溫度對材料晶粒度的影響

晶粒度的影響因素很多，如加熱溫度、加熱速度、保溫時間、材料的成分以及原始組織等。對于新型鍛造高速鋼軋輥材料，在其它因素相同的情況下，加熱溫度是影響晶粒度的首要因素。圖4為經不同溫度淬火后新型鍛造高速鋼軋輥材料晶粒照片，隨著淬火溫度的升高，高速鋼晶粒不斷長大，淬火溫度超過1 040℃時，晶粒長大趨勢明顯，此時晶粒度為6.5級。淬火溫度超過1 160℃，晶粒度級別已達4.5級，晶粒粗化已十分嚴重。因此從控制晶粒度方面考慮，淬火溫度應低于1 040℃。

(a)1 040℃

(b)1 160℃

(c)1 200℃

2.5淬火溫度對材料碳化物的影響

圖5為新型鍛造高速鋼軋輥材料經不同溫度淬火后的碳化物形貌及分布情況掃描照片。920℃淬火高速鋼中含有少量的塊狀碳化物(一次碳化物)、大量的彌散分布的粒狀碳化物及更為細小的質點碳化物，經能譜分析及查閱相關文獻發現，塊狀碳化物為MC、M6C混合碳化物，粒狀碳化物為M6C、M7C3、M23C6碳化物。隨著淬火溫度的升高，粒狀及質點狀碳化物逐漸溶入基體。1 000℃淬火時，細小的質點狀碳化物已基本溶解；1 120℃淬火時，大部分粒狀碳化物均已溶解。從碳化物溶解情況考慮，淬火溫度應至少高于1 000℃。

(a)920℃

(b)1 000℃

(c)1 120℃

2.6淬火溫度對材料硬度的影響

圖6為新型鍛造高速鋼軋輥材料硬度隨淬火溫度變化曲線。當淬火溫度低于1 040℃時，隨著淬火溫度的升高，硬度逐漸升高，在1 040℃淬火時，硬度達到極值64.1HRC(97.1HSD)。當淬火溫度高于1 080℃時，隨著溫度的升高，硬度開始降低，在1 200℃淬火時，硬度降至53.8HRC(73.8HSD)。其原因是高速鋼淬火后的硬度值除了取決于鋼的組織因素外，還與馬氏體中飽和的碳及合金元素含量、殘余奧氏體含量以及晶粒度大小有關。淬火溫度低時，奧氏體中溶解的碳及合金元素含量較少，淬火轉變后的馬氏體中的碳及合金元素含量相應也較少，馬氏體過飽和度較低，固溶強化效果較弱，因此硬度較低。當淬火溫度高于1 080℃時，隨著奧氏體中碳及合金元素含量的增加，導致奧氏體穩定性增加，殘余奧氏體量增加，硬度下降。此外，隨著淬火溫度的升高，晶粒長大傾向加劇，導致晶粒粗化，硬度下降。

圖6　新型鍛造高速鋼軋輥材質經

溫度在1 020～1 080℃時，馬氏體中飽和碳含量、合金元素含量與殘余奧氏體含量達到合適的分配，硬度達峰值。因此從淬硬性方面考慮，新型鍛造高速鋼軋輥材料淬火溫度應選擇在1 020～1 080℃之間。

3結論

(1)淬火溫度影響碳化物的溶解，隨著淬火溫度的升高，高速鋼軋輥淬火組織中碳化物含量逐漸減少，當溫度升至1 200℃時，粒狀碳化物(二次碳化物)已基本溶解，僅剩少量塊狀碳化物(一次碳化物)。

(2)隨著淬火溫度的升高，高速鋼晶粒不斷長大，當淬火溫度超過1 040℃時，晶粒長大趨勢明顯，淬火溫度超過1 160℃，晶粒度達4.5級，晶粒粗化已十分嚴重。

(3)隨著淬火溫度的升高，殘余奧氏體含量不斷增加，當淬火溫度在1 080℃以下時，殘余奧氏體含量增加較平緩，隨后其含量急劇增加，當淬火溫度達到1 160℃時，殘余奧氏體含量增至38%，因此從殘余奧氏體含量控制方面考慮，淬火溫度應低于1 080℃。

(4)在1 040℃淬火時，硬度達到峰值，最高可達64.1HRC(97.1HSD)，此時高速鋼軋輥組織、晶粒度、殘余奧氏體含量匹配達到最佳。

(5)新型鍛造高速鋼軋輥材料淬火溫度應選擇在1 020～1 080℃之間。

參考文獻

[1]康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理.龍門書局出版，1998：465-466.

[2]尹鐘大，劉德富，徐德祥，孫學樂，李朝華.冷軋工作輥用半高速鋼的二次硬化效應.鋼鐵，2006(2):71-75.

[3]于震，符寒光，杜忠澤，李萍，雷永平. 淬火對高硼高速鋼軋輥材料組織和性能的影響.材料熱處理學報，2013，34(4):138-142.

[4]符寒光，邢建東.高速鋼軋輥制造技術[M].北京：冶金工藝出版社，2007.

[5]張洪月.高速鋼軋輥的研究和應用.鋼鐵釩鈦，2004,25(3):54-59.

Research on Quenching Process of

New Material High Speed Steel Roll Forging

Wang Dapeng, Zhao Xichun, Guo Feng

Abstract：The quenching process of a new material high speed steel roll forging has been studied. Meanwhile, the influences of quenching process on the material microstructure, the grain size, the hardness and the residual austenite have been analyzed. It turned out that the quenching temperature of new material high speed steel roll forging should be in the range of 1 020℃～1 080℃.

Key words：high speed steel roll; quenching; microstructure; hardness; residual austenite

收稿日期：2015—08—10

中圖分類號：TG156.3

文獻標志碼：B