孫世清, 梁文瑞, 張 楠

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

作為冷軋?jiān)O(shè)備的最重要消耗性部件，冷軋輥的質(zhì)量直接關(guān)系到冷軋生產(chǎn)的效率、質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益[1]。軋輥的壽命主要取決于其硬度和強(qiáng)度，硬度決定了軋輥的耐磨性，所以在很大程度上也決定了軋輥的使用壽命。目前國內(nèi)外大部分軋輥廠采用提高鉻含量和改進(jìn)常規(guī)熱處理工藝的方法[2-3]。9Cr5MoV鋼是含鉻量在5%左右的高碳合金鋼，含鉻量高，形成了比M3C硬度高且彌散分布的M7C3型碳化物[4]，具有良好的淬透性和耐磨性。冷軋輥鋼的優(yōu)異性能還需要通過合理的處理工藝組合來保證。

鋼中的殘余奧氏體(Ar)與鋼的淬火溫度密切相關(guān)，Ar可導(dǎo)致低溫回火零件如冷軋輥的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度下降，耐磨性和硬度不足，壽命縮短，接觸疲勞抗力下降等[5]。因此，本研究首先結(jié)合磁性法[6-8]分析鋼中Ar量在冷處理[9]時(shí)的變化規(guī)律，進(jìn)一步調(diào)整9Cr5MoV鋼淬火工藝、冷處理工藝和回火工藝，提高9Cr5MoV鋼的硬度。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料成分及狀態(tài)

試驗(yàn)用9Cr5MoV鋼的化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)材料原始組織為調(diào)質(zhì)態(tài)。

表1 9Cr5MoV鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)條件及方法

將試驗(yàn)材料切割成12 mm ×14 mm×16 mm的試樣備用。9Cr5MoV鋼的Ac1=778 ℃，Accm=1 040 ℃[10]，將此作為制定淬火工藝的參考依據(jù)。采用SLX-80深冷處理系統(tǒng)進(jìn)行冷處理試驗(yàn)。對不同處理狀態(tài)的試樣進(jìn)行洛氏硬度測試，每個(gè)試樣測得5個(gè)點(diǎn)的硬度值，并求得硬度平均值。

1.2.1 磁性分析試驗(yàn)

淬火工藝：930 ℃，30 min，水冷。對調(diào)質(zhì)態(tài)和930 ℃淬火態(tài)試樣進(jìn)行碳化物定量金相分析，金相腐蝕液采用4%的硝酸酒精。淬火后續(xù)冷處理工藝：-80 ℃，-120 ℃，保溫時(shí)間均為30 min。采用線切割方法由不同狀態(tài)試樣切取Φ3 mm×3.2 mm 的樣品用于磁性分析，樣品質(zhì)量在萬分之一光電天平上稱取。在 Model 6000型 Physics Property Measurement System的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)選件(VSM)上對樣品進(jìn)行室溫(27 ℃)磁滯回線測試，所加最大外磁場強(qiáng)度H為20 000 ×79.6 A·m-1。

1.2.2 淬火后深冷處理試驗(yàn)

工藝流程：淬火→深冷處理。

淬火工藝：910 ℃，930 ℃，950 ℃，970 ℃，990 ℃，1 010 ℃，保溫時(shí)間均為30 min，水冷。深冷處理工藝：-120 ℃,30 min。

1.2.3 回火后深冷處理試驗(yàn)

工藝流程：淬火→回火→深冷處理。

淬火工藝： 950 ℃，30 min，水冷?；鼗鸸に嚕?40 ℃，250 ℃，450 ℃，650 ℃，750 ℃，回火時(shí)間均為120 min。深冷處理工藝： -120 ℃，30 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磁性分析結(jié)果與討論

圖1為調(diào)質(zhì)態(tài)和930 ℃淬火態(tài)試樣的金相組織。經(jīng)定量金相分析，調(diào)質(zhì)態(tài)試樣的碳化物含量為7.2%，而930 ℃×30 min淬水后試樣的碳化物含量為2.6%。

圖1 試樣的金相組織 Fig.1 Metallographic structure

圖2為不同狀態(tài)樣品的室溫(27 ℃)磁滯回線?？梢?，所有樣品均可在20 000×79.6 A·m-1的磁場強(qiáng)度下達(dá)到磁化強(qiáng)度M(即單位質(zhì)量的磁化強(qiáng)度)的飽和，可得到樣品的飽和磁化強(qiáng)度(MS)，MS數(shù)值大小可以反映樣品中鐵磁相即鐵素體及馬氏體的相對數(shù)量。

以調(diào)質(zhì)態(tài)樣品作為磁性分析的標(biāo)樣，其他狀態(tài)樣品作為待測樣品。根據(jù)定量金相分析結(jié)果，即調(diào)質(zhì)態(tài)樣品的碳化物含量(PC)r=7.2%，而930 ℃×30 min淬水樣品的碳化物含量為PC=2.6%，同時(shí)認(rèn)為冷處理時(shí)的碳化物含量沒有變化，即其他待測樣品的PC也取2.6%。根據(jù)樣品磁性測試分析得到的MS結(jié)果，按式(1)進(jìn)行殘余奧氏體量PA的計(jì)算分析。

PA=[ (標(biāo)樣MS-待測樣MS)/標(biāo)樣MS]×100%+[(PC)r-PC]。

(1)

不同處理狀態(tài)樣品殘余奧氏體定量分析結(jié)果見表2。

表2 不同處理狀態(tài)樣品殘余奧氏體定量分析結(jié)果

鋼在調(diào)質(zhì)態(tài)，碳化物量為7.2%，余為鐵素體，其飽和磁化強(qiáng)度最高。

鋼在930 ℃淬火態(tài)及隨后冷處理時(shí)，碳化物量均為2.6%。-80 ℃和-120 ℃冷處理后殘余奧氏體含量由13.5%分別減少為11.7%和10.1%。這表明，-120 ℃深冷處理較-80 ℃冷處理能更有效地減少鋼中殘余奧氏體。

2.2 淬火后深冷處理試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3 不同溫度淬火后-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼的硬度Fig.3 Effect of quenching temperatures and cryogenic treatment on the hardness of 9Cr5MoV steel

圖3為不同溫度淬火后，-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼的硬度變化情況?？梢?，深冷處理前鋼的硬度隨淬火溫度首先升高，淬火溫度在930～950 ℃之間鋼的硬度很高(約為65 HRC)，進(jìn)一步提高淬火溫度，鋼的硬度反而下降，這與淬火后鋼中殘余奧氏體量增加，碳化物量減少有關(guān)。深冷處理后鋼的硬度隨淬火溫度首先升高，而后硬度穩(wěn)定在約66 HRC，這是由于殘余奧氏體在-120 ℃深冷處理時(shí)轉(zhuǎn)變成了馬氏體的緣故，而且淬火溫度愈高硬度提高愈明顯，硬度提高值由約0.5 HRC(淬火溫度910 ℃)提高到約2 HRC(淬火溫度1 010 ℃)。表明淬火溫度愈高，深冷處理的作用愈明顯。綜合分析，如不進(jìn)行深冷處理，淬火溫度選擇在950 ℃，鋼的硬度達(dá)到最高值(65 HRC)；如進(jìn)行深冷處理，淬火溫度選擇在950 ℃，鋼的硬度已超過未經(jīng)深冷處理最高值(66 HRC)，進(jìn)一步提高淬火溫度，鋼的硬度也不再明顯變化。因此，鋼的淬火溫度選擇在950 ℃是合理的，此后深冷處理可使鋼的硬度再提高約1 HRC。

2.3 回火后深冷處理試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4 不同溫度回火后-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼的硬度Fig.4 Effect of tempering temperatures and cryogenic treatment on the hardness of 9Cr5MoV steel

圖4為950 ℃×30 min淬火，不同溫度回火后，-120 ℃深冷處理前后9Cr5MoV鋼硬度變化情況。可見，低溫回火后，鋼中的殘余奧氏體尚未分解，-120 ℃深冷處理可促使其向馬氏體轉(zhuǎn)變，從而鋼的硬度提高約1 HRC。隨著回火溫度的提高，殘余奧氏體已在回火時(shí)分解，深冷處理時(shí)已不再有相變發(fā)生，硬度也不再明顯變化。

綜上所述，淬火、淬火+低溫回火后，深冷處理均可使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，提高鋼的硬度。淬火+高溫回火后，殘余奧氏體已經(jīng)在回火時(shí)分解，深冷處理無法再提高鋼的硬度。

3 結(jié) 論

1)9Cr5MoV鋼在930 ℃淬火態(tài)、-80 ℃和-120 ℃冷處理態(tài)，鋼中殘余奧氏體含量分別為13.5%，11.7%和10.1%，深冷處理(-120 ℃)較冷處理(-80 ℃)能更有效地減少鋼中殘余奧氏體。

2)950 ℃淬火可使淬火態(tài)鋼的硬度達(dá)到最大值(65 HRC)，此后-120 ℃深冷處理可使鋼的硬度再提高至66 HRC。

3)950 ℃淬火+140 ℃低溫回火后，-120 ℃深冷處理可使鋼的硬度提高約1 HRC。

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