含硼高速鋼軋輥的組織和性能探究

強少光　郭紅星　楊智強　劉忠全

摘要：文章對含硼高速鋼軋輥的組織和性能進行了研究。先對不同成分的含硼高速鋼軋輥材料進行金相組織分析，再對含硼高速鋼軋輥材料和硬度測試、磨損試驗以及沖擊韌性試驗等進行了研究。研究發現，未經過變質的試樣組織中的硼化合物在晶體的邊界處呈連續網狀分布，而經變質的試樣材料組織細化，韌性及耐磨性有所提高。

關鍵詞：含硼高速鋼軋輥；變質處理；組織性能；硬度；耐磨性；金相組織分析 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG333 文章編號：1009-2374（2015）36-0065-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.031

高速鋼軋輥是在高速工具鋼基礎上，通過提高碳、釩含量，從而增加高硬度MC型碳化物數量而發展起來的一類新型軋輥材料。這類軋輥具有良好的熱穩定性和抗高溫耐磨性，在軋鋼生產中，具有良好的使用效果。但是高速鋼軋輥中往往需要加入大量的合金元素，比如鉻、釩、鎢、鈷以及鈮等，這些元素價格昂貴，在生產過程中會提高制造成本，不利于大范圍的生產制造。本文主要針對含硼高速鋼軋輥的組織和性能探究，研究使用硼元素部分代替貴合金元素的可能，從而降低制造成本。

1 試驗材料與方法

高速鋼軋輥材料熔煉采用中頻感應電爐，主要的配料包括廢鋼、生鐵，所有原材料熔化為鋼水之后，加入鉻鐵、鎢鐵、鉬鐵以及鎳鐵，待鋼水出爐之前加入的釩鐵、鈦鐵及硼鐵，并實施脫氧處理，待所有的成分比例調整到設計要求之后，控制好鋼水的出爐溫度以及澆注溫度，將出爐溫度控制在1570℃～1590℃之間，澆注溫度應該控制在1450℃～1470℃之間，變質采用鋼液沖包的方法，然后澆鑄成φ350×600×1530的軋輥。在變質前后分別澆注20×20×120mm的試樣，之后通過切割機將試塊切割成20×20×20mm以及10×10×55mm的兩種試樣，總共制作的試樣有4種，分別對其組織和性能進行探究。這4種試樣的基本成本主要如表1所示：

主要的試驗方法如下：所有試樣的硬度測量采用的是HR-150A洛氏硬度計，在試驗荷載選項上調節到1470N，測試過程中需要對試樣在不同的地方標記上7個點，在計算試樣硬度的時候去掉其中的一個最大值和最小值，然后其他五項求取平均值；試樣的顯微硬度測量采用的是MICROMET-5103數字顯微硬度計，選擇荷載的時候調節到50g，荷載持續時間15s，顯微硬度值的計算方法同上，還是求其平均值；試樣的磨損實驗采用的是銷盤磨損試驗機，轉速為60r/min，使用280號SiC水砂紙作為磨料，試樣的進給量控制在4mm/s，磨損過程中最初的半徑確定為13mm。試驗結束后的半徑確定為103mm，整個實驗階段磨盤的行程為16.4m，荷載4.0kg。

2 實驗結果

2.1 含硼高速鋼軋輥的組織形式

試樣中的1#和2#試樣是沒有經過變質處理的含硼高速鋼軋輥試樣，利用金相顯微鏡及掃描電鏡觀察其顯微組織如圖1所示，通過對其組織形式觀察，含硼高速鋼軋輥在鑄態下的組織主要包括碳硼化合物、α-Fe以及所占比例較少的殘余奧氏體，碳硼化合物在組織形式上主要是呈連續網狀分布，但是在局部會表現出網狀的斷裂。由Fe-B二元合金相圖可知硼在γ相中的最大固溶度為0.02%，多余的硼原子就會集聚并產生結晶。1#和2#試樣使用XRD分析后，可以確定沒有變質的軋輥材料的物相，軋輥材料的基本組成主要是奧氏體以及α-Fe，這兩種組織中，奧氏體數量的下降、馬氏體數量的上升有助于提高材料的耐磨性。

3#和4#試樣采用了變質處理工序，經過變質處理后的金相以及掃描的電鏡照片如圖2所示，而與沒有變質的1#含硼高速鋼軋輥試樣相比其組織中的碳化物形態上出現了網狀的斷裂。通過加入變質劑進行變質處理，可以減小共晶組織枝晶間距，細化組織中共晶組織以及奧氏體晶粒，并使其分布更加均勻，而變質劑中的鈦元素屬于強碳化合物形成元素，鈦元素在與碳元素發生反應，形成高硬度耐磨相。含硼高速鋼軋輥經過變質處理后，奧氏體晶粒細化明顯；共晶組織團簇減少且分布更加均勻；硼碳化合物變細小；組織形態網狀形態明顯，但呈現出了斷開、不連續的現象。

2.2 含硼高速鋼軋輥的硬度及磨損試驗

對制作的軋輥材料進行硬度測試，對于含硼高速鋼軋輥的宏觀硬度以及顯微硬度分別如圖3和圖4所示，從圖中可以看出，1#材料和其他幾種材料相比，1#試件的強度是最低的，這是因為1#試件的含碳量明顯的低于其他幾組試件的含碳量，較高的碳含量會形成大量碳化物出，從而使材料具有較高的硬度。但4#樣組織細小均勻，其耐磨性和韌性更好。

3 結論

通過對以上的實驗數據分析，得出以下結論：（1）含硼高速鋼軋輥的鑄態組織包括馬氏體、奧氏體以及其他的一些碳硼化合物；（2）經過變質處理之后的試樣，在組織形態網狀形態明顯，但呈現出了斷開、不連續的現象，組織得到細化，回火的溫度對于含硼高速鋼軋輥的力學性能影響較小，對其耐磨性影響也較小。但是回火溫度的升高，材料的硬度表現出下降趨勢；（3）經變質處理后，4#樣耐磨性、韌性高，硬度更穩定，而且在抗切削以及疲勞磨損方面都強于其他幾個試件。

4 結語

含硼高速鋼軋輥合金材料中用廉價硼元素部分的替代昂貴的合金材料，降低了高速鋼軋輥制造成本，同時擁有較高的耐磨性、強韌性和高硬度，是高性能軋輥發展的趨勢和方向。

參考文獻

[1]王天義，曹建芳，饒建華.軋輥材料及其熱處理工藝發展的現狀與趨勢[J].西部探礦工程，2005，（7）.

[2]賈建平.中國軋輥制造業技術現狀與發展趨勢（上）[J].中國鋼鐵業，2008，（9）.

[3]劉光俊.金屬加工用的硬質合金軋輥進展[J].硬質合金，1994，（1）.

作者簡介：強少光（1985-），男，陜西扶風人，云南昆鋼重型裝備制造集團有限公司助理工程師，研究方向：離心鑄造及熱處理工藝。

（責任編輯：陳 潔）