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(zhǎng)期使用容易發(fā)生變形、開(kāi)裂等失效問(wèn)題。有些軋輥的失效是由于在生產(chǎn)過(guò)程中采用了不適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒?，顯微組織不符合要求，最終導(dǎo)致軋輥在短期內(nèi)報(bào)廢，從而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此制定合理的熱處理工藝關(guān)系到軋輥的使用壽命，對(duì)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本也起著決定性作用。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線——CCT(Continuous Cooling Transformation)曲線是分析連續(xù)冷卻過(guò)程中奧氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能的依據(jù)，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(duì)象，繪制該鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，并研究奧氏體化溫度對(duì)其顯微組織的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為一種新型軋輥用鋼，原始狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。試樣尺寸為?3 mm×10 mm。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]在L78 RITA型淬火相變儀上以不同冷卻速度(2℃/min～1 200℃/min)進(jìn)行連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)定和分析，在Axiovert 200MAT光學(xué)顯微鏡下觀察各個(gè)冷卻速度下試樣的金相組織，以金相組織輔助分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變，最終得到該鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。

表1 軋輥用鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Main chemical composition of roll steel(mass fraction,%)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 CCT曲線的測(cè)定結(jié)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(guò)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。可見(jiàn)，隨著冷卻速度增大，該鋼經(jīng)歷了珠光體、貝氏體和馬氏體組織轉(zhuǎn)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(shí)間發(fā)生擴(kuò)散，最終得到珠光體組織(圖2a)；當(dāng)冷卻速度提高至10℃/min時(shí)，合金元素的擴(kuò)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(kāi)始出現(xiàn)馬氏體(圖2b)；當(dāng)冷卻速度提高至20℃/min時(shí)，珠光體完全消失，馬氏體增多(圖2c)；當(dāng)冷卻速度繼續(xù)增大時(shí)，馬氏體的量繼續(xù)增多，貝氏體逐漸減少，直至冷卻速度高于120℃/min時(shí)貝氏體完全消失(圖2f)，并測(cè)得該鋼的馬氏體點(diǎn)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(kuò)散激活能逐漸增大，軋輥用鋼逐漸由擴(kuò)散型珠光體、貝氏體相變過(guò)渡到非擴(kuò)散型馬氏體相變。通過(guò)觀察金相組織發(fā)現(xiàn)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(xù)冷卻轉(zhuǎn)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(nèi)部物理和力學(xué)性能不均勻，在力學(xué)性能較差的相的晶界和晶粒內(nèi)部易生成初始裂紋，裂紋的端部形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，裂紋迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)軋輥失效報(bào)廢，所以對(duì)于長(zhǎng)期處于嚴(yán)峻工作條件下的工件應(yīng)該避免出現(xiàn)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(guò)程中全部溶解到奧氏體晶粒中，進(jìn)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(dāng)奧氏體化溫度為880℃時(shí)，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(dāng)奧氏體化溫度進(jìn)一步升高到920℃時(shí)，在奧氏體化過(guò)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(guò)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(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后的金相組織Figure 4 Metallographic structures after continuous cooling transformation of roll steel under higher austenizing temperature

3 結(jié)論

(1)利用膨脹法結(jié)合金相組織測(cè)得了一種新型軋輥用鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。

(2)在很寬的冷卻速度范圍(2℃/min～1 200℃/min)內(nèi)，隨著冷卻速度的增大，軋輥用鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后的顯微組織經(jīng)歷了由珠光體到貝氏體再到馬氏體的演變過(guò)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(guò)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(jī)械工業(yè)出版社.1981,169-209.

[2] 楊勝蓉.YB/T5128-93鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測(cè)定方法(膨脹法).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[3] 路妍，王軍華，蘇杰，楊卓越，謝剛.奧氏體化溫度對(duì)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(duì)Cr5合金鋼組織和性能的影響.金屬熱處理.2010,35(1):110-113.