鑄造高速鋼軋輥外層金相組織分析

谷珊珊，黃斌斌，陳楓林

（德龍鋼鐵有限公司，河北 邢臺 054009）

鑄造高速鋼軋輥外層金相組織分析

谷珊珊，黃斌斌，陳楓林

（德龍鋼鐵有限公司，河北 邢臺 054009）

本文主要利用金相顯微鏡、圖像分析儀和顯微硬度計分析離心復合鑄造高速鋼軋輥的外層金相組織，并總結了其顯微組織、碳化物及硬度的變化規律。

高速鋼；金相組織；變化規律

隨著世界鋼鐵工業的迅速發展，軋輥的消耗量越來越大，因此，如何提高軋輥的軋制性能和使用壽命是軋輥研制者面臨的新課題。德龍鋼鐵有限公司作為軋輥生產制造企業，經過近十年的努力，將高速鋼材料應用于軋輥制造上，取得了很好的使用效果。

高速鋼作為軋輥材料的應用在1988年始于日本，由于高速鋼具有很高的耐磨性和淬透性，尤其是在高溫時的紅硬性，使得高速鋼很適合于用作制造軋輥。高速鋼軋輥一般被用在熱帶鋼連軋機精軋前段，現在精軋后段和粗軋機架也開始采用，據統計分析，本公司生產的高速鋼軋輥正常磨削一次至少可軋3個周期，這樣在使用過程中就降低了換輥頻率，增加了軋輥使用次數，間接地降低了軋輥消耗和使用維護費用。

一、產品簡介與試驗方法

我公司生產的鑄造高速鋼軋輥采用高速鋼作為工作側，用韌性滿足要求的球墨鑄鐵作為軋輥的芯部材料，由于外層材質與芯部材質成分相差很大，在結合層部位很容易形成大量的粗大碳化物，并降低結合區強度，為此使用三層復合澆注，中間過渡層為石墨鋼，這樣可使成分落差不是很大，結合層位置有足夠的強度。三種材質以離心澆注的方法熔鑄到一起，既滿足外層的高硬度和耐磨性，還使輥頸及芯部具有好的強韌性。

本次試驗隨機抽取了4根鑄造高速鋼的工作層試樣，分別編號為1#、2#、3#、4#，每個試樣統一沿軋輥的橫向由表及里截取，試樣的長度為55mm，經磨制拋光后由外到里每隔5mm做一處標記，再用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用歐波同金相顯微鏡、Leika圖像分析儀和顯微硬度計分別進行金相組織分析、碳化物定量、顯微硬度測量，最后再測量每個標記處的肖氏硬度。碳化物定量時，每個標記位置選取10個視場進行評定，取其平均值。測量顯微硬度值和肖氏硬度時每個位置測量3個點取平均值。

二、試驗結果與分析

1.軋輥外層金相組織及碳化物形態

鑄造高速鋼軋輥經過差溫淬火和高溫回火后，檢測4個試樣的金相。由圖1可見，高速鋼的金相組織主要為馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，但是在3#試樣的后端（40-55mm標記處）出現了細珠光體，見圖2標記處呈黑色的組織形態。分析其原因，主要是3#軋輥在淬火冷卻時其工作層內部冷速不夠，以致在試樣的后段出項珠光體，在此試樣的外層就沒有發現珠光體的存在。

同樣由圖1可以看出，高速鋼軋輥的碳化物形態主要為塊狀、菊花狀和條狀，塊狀碳化物分布在基體組織內部，條狀碳化物主要分布在基體的邊界，而菊花狀的碳化物則是聚集分布，其中條狀碳化物有鏈接成網狀的趨勢，且條狀碳化物明顯多余其它兩種碳化物。究其原因，認為是軋輥使用的高速鋼為了得到較高的硬度和耐磨性，其中含有較多的碳、釩和鉬元素，結合前人的研究結果可知，釩含量較多時將迫使大量的鉬元素形成M2C型碳化物，而經電鏡分析，條狀碳化物主要就是M2C型碳化物，因此碳化物多呈條狀分布。

圖1 高速鋼軋輥外層金相圖片

圖2 基體組織中出現珠光體

圖3 碳化物含量變化曲線

2.碳化物含量

碳化物的含量多少是軋輥性能的一個重要指標，因此試驗采用圖像分析儀對每個標記位置的碳化物進行定量，并將得到的數據整理成圖3，由圖3中可以看到碳化物的變化趨勢是由外層到里層含量先增加再降低，離心澆注的高速鋼軋輥外層含有較多的合金元素，這些形成碳化物的合金元素在離心澆注過程中會有一個偏析分布，即外層合金含量多于內層含量，這就造成外層的碳化物含量大于內層，但是由于最外層冷卻速度太快，奧氏體中的碳化物來不及析出，造成碳化物含量較少。

3.肖氏硬度及顯微硬度測量

利用硬度計對做好標記的試樣進行測量，得到的試驗結果見圖4、圖5，由試驗結果可知，軋輥外層0-55mm的肖氏硬度值基本維持在HS75-82之間，硬度落差不大，穩定性較好，總體由外向內呈現降低趨勢，分析認為是由于軋輥的內層冷卻速度較慢，而外層冷卻較快，造成軋輥外層冷卻后，芯部還有較高的溫度，這樣芯部對冷卻的外側起了退火的作用。

圖4 肖氏硬度變化曲線

圖5 微觀硬度測量值比較圖

基體的顯微硬度多集中于HV550-750之間，這是由于基體組織以馬氏體為主的緣故，馬氏體的硬度較高，一般都在HV550以上，比較4個試樣的基體硬度發現4#試樣的硬度值偏低，這主要是因為其基體組織中的殘余奧氏體含量較多，硬度計壓頭沒有壓在完全的馬氏體組織上，以致整體硬度較低。

綜合分析兩種硬度的測量數值發現，基體顯微硬度高的試樣，其肖氏硬度值也高，兩者幾乎呈正比關系，4個試樣的硬度值由高到低依次排序：3#＞1#＞2#＞4#。再聯系4個試樣碳化物的分布情況來看，碳化物含量高則硬度值也高。由此可以得出軋輥的宏觀硬度與碳化物和基體硬度有關，鑄造高速鋼的碳化物含量多，基體中殘余奧氏體的含量少時，其在宏觀性能上的表現就是硬度值偏高。

三、結論

第一，鑄造高速鋼軋輥的外層組織一般為馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，如果內層冷速不夠，基體上會出現細珠光體。

第二，鑄造高速鋼軋輥由外層到內層碳化物含量逐漸降低，碳化物形態呈條狀、菊花狀和塊狀，尤以條狀居多。

第三，軋輥肖氏硬度由外到內呈現降低趨勢，但硬度落差較小。基體馬氏體的顯微硬度集中在HV550-750，基體中殘余奧氏體含量多時，顯微硬度會減低。

第四，軋輥的宏觀硬度與碳化物和基體硬度有關，鑄造高速鋼的碳化物含量多時，基體中殘余奧氏體的含量少時，其在宏觀性能上的表現就是硬度值偏高。

［1］葉榮茂.鑄造工藝設計簡明手冊［M］.北京：機械工業出版社，1997.

［2］楊洋，何國球等. 輪軸鋼35CrMoA單軸微動疲勞失效機理［J］.金屬功能材料，2015（1）：21-26.

［3］王文清，李魁盛.鑄造工藝學［M］.北京：機械工業出版社，1998.

Analysis on Outer Layer Microstructure

GU Shan-shan，HUANG Bin-bin，CHEN Feng-lin

（Delong Iron & Steel Co. Ltd， Xingtai， Hebei 054009， China）

By means of metallographic microscope， image analyzer and micro hardness meter analysis outer microstructure of centrifugal composite casting high speed steel roll， and the paper summarizes the rule of microstructure， carbides and hardness.

high speed steel； metallographic structure； carbides

TG260

A

1008—6129（2015）03—0074—03

（責任編輯 王傲冰）

2015—03—25

谷珊珊（1986—），女，河北寧晉人，德龍鋼鐵有限公司，助理工程師。