劉紅才

(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(zhì)變化經(jīng)歷了由整體鑄造半鋼到離心球芯復(fù)合高鉻鑄鐵、再到離心球芯復(fù)合高鉻鑄鋼(或離心復(fù)合半高速鋼)的過程。目前高鉻鑄鋼球芯離心復(fù)合軋輥在熱帶連軋機粗軋機上已得到廣泛應(yīng)用。高鉻鋼離心復(fù)合軋輥屬于萊氏體鋼，其熱處理工藝決定了最終的使用性能。目前，關(guān)于高鉻鋼材料開發(fā)及成分設(shè)計的研究較多，而有關(guān)熱處理工藝對該材質(zhì)使用性能及組織轉(zhuǎn)變的影響的研究沒有系統(tǒng)性。為此，我們對復(fù)合軋輥用高鉻鋼設(shè)計了4種不同的退火溫度(550℃、600℃、650℃、700℃)，通過金相法、X射線衍射、掃描電子顯微鏡觀察、能譜分析以及硬度測試等手段，系統(tǒng)研究了高鉻鋼在不同退火溫度下的顯微組織與性能轉(zhuǎn)變規(guī)律。

1 實驗過程

試料取自工廠生產(chǎn)試驗件。工作層鋼水采用10t工頻爐熔煉，模具規(guī)格為?550 mm×2 000 mm。離心機澆注，先澆注工作層，待工作層冷卻后再澆注芯部材料，澆注層厚度設(shè)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)。在不同的退火溫度下進行熱模擬實驗，檢測分析。工作層高鉻鋼冶煉化學(xué)成分范圍為(質(zhì)量分數(shù)，%)：C1.5～2.5，Si0.5～1.5，Mn0.5～1.5，Cr11～15，Ni1～2，Mo1.5～2.5。熱模擬曲線見圖1所示。

圖1 退火模擬曲線Figure 1 Annealing simulation curve

2 實驗分析

2.1 金相組織分析

對不同退火試樣進行金相組織檢驗，檢驗標準為GB/T13298—1991、GB/T6394—2002。檢驗設(shè)備為200MAT金相顯微鏡圖像分析儀。組織見圖2。

由圖2(a)、(b)可知：鑄態(tài)下高鉻鋼材質(zhì)的金相組織為大量的殘余奧氏體，晶界周圍分布大量的共晶碳化物和一次碳化物，魚骨狀的M6C型碳化物和花狀的M7C3型碳化物呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；由圖2(c)、(d)可以看出：經(jīng)低溫退火，殘余奧氏體開始析出顆粒狀第二相，隨著退火溫度增加，第二相增多，基體組織由原來的奧氏體逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。550℃、600℃退火組織與鑄態(tài)組織類似，其中奧氏體內(nèi)析出細小的碳化物顆粒，由于細小碳化物對基體組織進行強化作用，其硬度要比鑄態(tài)硬度有所升高；由圖2(e)、(f)可知：殘余奧氏體大部分轉(zhuǎn)化為珠光體，剩余轉(zhuǎn)化為白色基體組織，為分析白色組織及相組成，我們做了SEM微區(qū)能譜分析及XRD檢測。

2.2 SEM分析

由金相組織分析可以看出，經(jīng)過650℃和700℃退火后，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏闹楣怏w和白色轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。為分析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及相組成，對650℃退火試樣進行SEM微區(qū)能譜分析。采用標準GB/T 13298—1991、GB/T17359—1998，檢驗設(shè)備使用Quanta400 掃描電鏡及能譜儀，分析結(jié)果見圖3。

由圖3可知，1區(qū)為白色轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，2區(qū)為黑色轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。由能譜分析結(jié)果可知，1區(qū)為富Cr轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，根據(jù)金相組織和能譜分析不能確定是殘余奧氏體還是其它組織；2區(qū)為貧Cr產(chǎn)物，主要為珠光體組織，第二相以Cr系元素為主。

2.3 XRD檢測

為系統(tǒng)研究工作輥用高鉻鋼在不同退火溫度下相的轉(zhuǎn)變規(guī)律，我們對鑄態(tài)和退火試樣進行了XRD檢測，檢驗設(shè)備為PW 3040/60 X射線衍射儀。

高鉻鋼XRD圖譜見圖4。

上述XRD分析結(jié)果可知，在550℃、600℃退火物相主要有奧氏體+鐵素體+Cr7C3，與金相組織結(jié)合分析，一部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，還有大量的奧氏體殘留。650℃、700℃退火，鑄態(tài)的奧氏體基體一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，因此XRD峰與鐵素體峰相同，一次碳化物Cr7C3幾乎沒有變化。由圖4(c)、(d)可知，隨退火溫度升高，析出更多的二次碳化物相。

2.4 硬度檢測

工作輥輥身硬度是最重要的性能技術(shù)指標，因此對高鉻鋼材質(zhì)性能的檢測主要以硬度檢測為主。其硬度隨退火溫度變化曲線見圖5。

3 討論

綜上所述，結(jié)合金相和SEM分析，隨著退火溫度的升高，鑄態(tài)下奧氏體晶界的一次碳化物形態(tài)和量幾乎沒有變化，還是以Cr7C3相為主。鑄態(tài)下的奧氏體基體向珠光體轉(zhuǎn)變，550℃退火有少量的顆粒狀第二相析出。奧氏體組織幾乎沒有轉(zhuǎn)變，第二相以Cr7C3顆粒彌散分布。由于低溫退

圖2 不同退火溫度下高鉻鋼微觀組織照片F(xiàn)igure 2 High chrome microstructure pictures at different annealing temperatures

圖3 650℃退火能譜分析Figure 3 650 ℃ annealing energy spectrum analysis

圖4 高鉻鋼XRD衍射圖譜Figure 4 High chrome XRD diffraction mapping

火消除了鑄造應(yīng)力，經(jīng)550℃退火后硬度有所降低。600℃退火可以看出，一部分奧氏體組織從內(nèi)部開始向珠光體轉(zhuǎn)變，第二相大量析出，由于晶格畸變和第二相強化作用，硬度升高。結(jié)合650℃退火XRD圖譜分析可知，面心立方晶格結(jié)構(gòu)殘余奧氏體已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe。從金相照片可以看到奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨珔^(qū)域和黑色區(qū)域。對白色和黑色區(qū)域做能譜分析發(fā)現(xiàn)，白色區(qū)域富Cr，黑色區(qū)域貧Cr。對白色區(qū)域和黑色區(qū)域進行顯微硬度分析，白色區(qū)域的平均硬度為485HV，黑色區(qū)域的平均硬度為449HV。由此我們判斷黑色為奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，第二相以顆粒狀Cr系元素彌散分布在珠光體中；白色區(qū)域Cr系元素合金以過飽和形勢固溶在α-Fe中，硬度比黑色區(qū)域還要高，為回火馬氏體組織。用定量金相法測定650℃退火態(tài)高鉻鋼各組織體積分數(shù)，珠光體體積分數(shù)約為66.7%。在650℃退火，碳化物幾乎不發(fā)生變化。因此回火馬氏體為21.6%。700℃退火與650℃退火組織轉(zhuǎn)變類似，白色區(qū)域(回火馬氏體)量變少，因此700℃退火試樣硬度有所下降。

圖5 硬度與退火溫度的關(guān)系Figure 5 The relations of hardness and the annealing temperature

4 結(jié)論

(1)經(jīng)退火后，分布在晶界的一次碳化物及共晶碳化物體積分數(shù)幾乎沒有變化，約為11.7%。

(2)隨退火溫度的升高，基體組織由殘余奧氏體向珠光體和回火馬氏體轉(zhuǎn)變，650℃退火回火馬氏體體積分數(shù)最大，700℃退火回火馬氏體量變少。

(3)硬度隨退火溫度變化趨向為：先降后升再降。

(4)最終熱處理工藝(淬火回火)對該材質(zhì)的組織性能影響還待進一步研究。

[1] 胡勝.高鉻鋼的熱處理工藝優(yōu)化及組織性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[2] 趙鳳杰.高鉻復(fù)合鑄造軋輥綜述[J].鑄造技術(shù)，1994(3)：31-35.

[3] 劉太斗.高鉻鑄鋼軋輥應(yīng)力分析[J].太原重型機械學(xué)院學(xué)報，2004(25)：81-84.

[4] 秦英方，毛衛(wèi)民.高鉻鑄鋼離心軋輥斷裂原因分析[J].特種鑄造及有色合金，2006，26(7)：449-451.

[5] 劉春杰.高鉻軋輥及應(yīng)用[J].鋼鐵研究，1989(4)：39.