球化處理工藝對高速鋼軋輥使用性能的影響

袁乃博，梁利斌，楊金剛

上世紀八十年代后期，國外熱帶連軋機上開始試用高速鋼軋輥，由于耐磨性優異，換輥周期成倍延長，換輥周期內軋制薄材時間延長，軋材質量、軋輥使用壽命和生產效率顯著提高。二十世紀九十年代，日本高速鋼軋輥應用已非常普遍，并將其推廣至精軋后段，呈現出取代傳統的高鉻鋼、高鉻鑄鐵軋輥的態勢。因此，對高速鋼軋輥性能的研究是非常有必要的[1,2]。

1 試驗方法

本試驗所用試樣材料為中鋼邢機公司生產的新型高速鋼軋輥，試樣形狀為方柱體，邊長10～20mm，高約10mm。

為了保證所選取的試樣的金相組織與原部件一致，即不發生組織變化，采用線切割的方法將鑄態的新型高速鋼軋輥切割成尺寸規則的小試樣，分為兩組，分別進行如下熱處理：（1）對鑄態組織進行金相觀察；（2）將一組鑄態試樣進行球化退火：880℃×對球化退火組織進行觀察；（3）將鑄態和球化后的試樣均進行1040℃、1080℃、1100℃和1120℃淬火處理，對淬火組織進行金相觀察和硬度測試。

2 顯微組織觀察結果及分析

2.1 鑄態組織

一般高速鋼的鑄態組織可以看成是由兩大部分構成：一是鋼的基體組織，由孤立的不連續的奧氏體晶粒組成，這種晶粒亦可稱為初生晶粒；二是存在于各晶粒之間的共晶萊氏體網以及先共晶碳化物。而鋼的化學成分和凝固時的冷卻速度等因素都會對這些組織產生很大的影響，因此高速鋼的鑄態組織是很不均勻的。由于新型高速鋼軋輥的碳含量較高，因此，其初生奧氏體晶粒內部組織是均勻的，無明顯的晶內偏析。晶粒內部是最先凝固得到奧氏體晶粒，冷卻的同時繼續發生共晶反應L→γ+M6C。鑄態的顯微組織見圖1，結合X射線衍射分析可確定魚骨狀萊氏體組織為M6C萊氏體。鑄態組織的不均勻性，尤其是共晶萊氏體組織是任何熱處理方法不能消除的。

圖1 鑄態顯微組織

2.2 球化組織

由于新型高速鋼軋輥鑄態組織中存在魚骨狀共晶碳化物，這種狀態隨著軋輥凝固速度的減慢和輥型尺寸的增大而加劇，這種碳化物分布不均勻或纖維方向性的現象，導致材料的各向異性，嚴重影響軋輥的使用壽命，因此改善高速鋼軋輥中碳化物的分布是提高軋輥質量的重要途徑，須首先對其進行球化退火處理。球化退火工藝曲線見圖2。

經過球化退火的組織中可確定為均勻分布的球狀珠光體基體和在基體上均勻分布的顆粒合金碳化物及大量彌散分布的細粒合金碳化物，見圖3。

圖3 球化后顯微組織

2.3 淬火組織

將鑄態和球化退火后的試樣分別加熱到1040℃、1080℃、1100℃和1120℃進行淬火，工藝曲線見圖4。

圖4 淬火工藝曲線示意圖

2.3.1 鑄態淬火組織

鑄態未經球化處理的高速鋼軋輥試樣經不同淬火溫度淬火的顯微組織見圖5，主要是馬氏體基體和分布在其上的碳化物，碳化物類型主要是M6C、M7C3和MC?？梢钥闯鲨T態試樣在1040℃、1080℃、1100℃和1120℃進行淬火的，隨淬火溫度升高，碳化物含量逐漸減少，組織也有所細化均勻。這是因為隨淬火溫度的提高，鋼中的碳化物（主要是M6C）溶入了基體中，溫度越高溶解的也越多，MC和M2C溶解量較少。圖中黑色塊狀組織為馬氏體組織，白色塊狀為一次碳化物，細小的為二次碳化物和少量的殘余奧氏體。2.3.2 球化淬火組織

球化淬火組織和鑄態未球化組織一樣主要是馬氏體基體和分布在其上的碳化物，碳化物類型主要是 M6C、M7C3和 MC。球化退火試樣在 1040℃、1080℃、1100℃和1120℃進行淬火，可看出隨淬火溫度升高，碳化物含量逐漸減少，組織也更加均勻。圖中黑色塊狀組織為馬氏體組織，白色塊狀為一次碳化物，細小的為二次碳化物和少量的殘余奧氏體，如圖6所示。

2.3.3 鑄態淬火和球化后淬火硬度分析

圖7為鑄態和球化后不同溫度淬火硬度分布曲線。從圖中可以看出，相同淬火工藝下球化后的硬度比未球化的高，鑄態和球化的硬度均隨淬火溫度的提高先升后降。這是因為鋼中的Cr等合金元素在奧氏體中的固溶量隨溫度的升高而增加，在隨后冷卻中彌散析出鉻等的碳化物，彌散強化作用增加，因此宏觀硬度值隨淬火溫度的升高而提高，但隨奧氏體化溫度的提高，析出的碳化物重新聚集長大，彌散強化作用降低導致了硬度值的降低。對新型高速鋼軋輥，其硬度的最高值出現在奧氏體化溫度為1100℃時。

圖5 鑄態淬火顯微組織（a）淬火溫度1040℃（b）淬火溫度1080℃（c）淬火溫度1100℃（d）淬火溫度1120℃

圖6 球化淬火顯微組織（a）淬火溫度1040℃（b）淬火溫度1080℃（c）淬火溫度1100℃（d）淬火溫度1120℃

3 結論

（1）新型高速鋼軋輥在相同淬火工藝下球化后的硬度比未球化的高。

（2）新型高速鋼軋輥組織中含有一次碳化物（M6C、M2C 和 MC）、二次碳化物（M6C、M7C3和 M3C等）和殘余奧氏體；隨淬火溫度的提高，這些組織有減小的趨勢。

圖7 鑄態和球化后不同溫度淬火硬度曲線

（3）無論是否經過球化處理，淬火后的高速鋼軋輥硬度隨奧氏體化溫度的升高先升后降，硬度最高值出現在1100℃。

[1] 符寒光，劉金海.高速鋼軋輥的研究和應用[J].中國鑄造裝備與技術,2002（5）:4-8.

[2] 符寒光.高碳高速鋼制造工藝研究現狀及展望 [J].中國鎢業,2002,17（2）:37-42.