淬火溫度對新型支承輥用鋼顯微組織和硬度的影響

白興紅　劉建紅

(一重天津研發中心，天津300457)

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淬火溫度對新型支承輥用鋼顯微組織和硬度的影響

白興紅劉建紅

(一重天津研發中心，天津300457)

摘要：采用光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀和洛氏硬度計等研究了淬火溫度對新型支承輥用鋼顯微組織和硬度的影響規律，結果表明：經高溫淬火后的組織為馬氏體和細小顆粒狀碳化物；隨著淬火溫度的升高，M7C3碳化物溶解量逐漸增加，1 050℃時碳化物基本完全溶解；淬火溫度達到960℃后，殘余奧氏體量隨著淬火溫度的升高顯著增加；在880～1 100℃范圍內淬火，940℃時硬度最高。

關鍵詞：新型支承輥用鋼；淬火溫度；顯微組織；碳化物；硬度

隨著軋機向高速化、自動化方向發展，能夠提高軋制效率、降低軋制成本、保證產品質量的鍛鋼支承輥的材料也在不斷演變，總的變化趨勢是降低C含量、提高Cr含量[1-2]。但這些變化趨勢受當時生產技術水平和熱處理工藝所限。隨著冶金質量的提高和熱處理工藝的完善，從改善耐磨性考慮提高碳含量[3]，一重天津研發中心近期開發研制了新型鍛鋼支承輥材質。本文主要探討淬火加熱溫度對新型鍛鋼支承輥材質顯微組織、碳化物溶解、基體硬度的影響，以為該材料推廣使用中熱處理工藝的制定提供參考。

1試驗材料及方法

試驗材料為新型鍛鋼支承輥材質，采用37 kg感應電爐熔煉成鋼錠，鋼錠成分見表1。將鋼錠鍛成?90 mm×300 mm的試棒，經780℃退火熱處理。用線切割切取塊狀試樣，試樣在高溫箱式電阻爐中進行加熱，加熱溫度為880℃、900℃、930℃、940℃、960℃、980℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃，保溫90 min后迅速油冷。采用OM、SEM觀察鋼的顯微組織及碳化物溶解情況，采用X-射線衍射儀對殘余奧氏體進行定量檢測，采用洛氏硬度計檢測試樣硬度。

表1　試驗用鋼化學成分(質量分數，%)

2試驗結果與討論

2.1淬火溫度對顯微組織的影響

圖1為試驗用鋼在退火態及不同淬火溫度下的顯微組織。從圖1(a)可以看出，退火態組織為質點狀珠光體，大量碳化物彌散分布在基體上。試驗用鋼在880℃、900℃、940℃保溫90 min后油冷淬火的組織為馬氏體和顆粒狀碳化物。可見，進行高溫淬火后，基體組織轉變成了馬氏體。對于支承輥用高合金鋼，淬火后的馬氏體組織及均勻分布的顆粒狀碳化物均有利于材料耐磨性和力學性能的提高，有益于支承輥實際使用性能的改善[4]。另外，經X射線衍射分析表明，淬火溫度高于900℃時，奧氏體中合金元素和碳溶解量逐漸增多，致使高溫奧氏體穩定性增加，淬火組織中出現殘余奧氏體。

(a) 退火態

(b) 880℃保溫90 min，油冷

(c) 900℃保溫90 min，油冷

(d) 940℃保溫90min，油冷

2.2碳化物溶解情況

試驗用鋼在球化退火態時碳化物分布見圖2，大量碳化物均勻分布在基體上，尺寸小于1 μm。采用XRD及EDS對其物相進行了測定，碳化物為富鉻的M7C3型碳化物。

圖2　試驗鋼退火態顯微組織中碳化物

圖3為試驗用鋼在不同溫度保溫90 min后的碳化物形貌。可以看出，碳化物含量較退火態減少，尺寸減小至納米級，且隨著保溫溫度的升高，碳化物溶解量逐漸增多。940℃以上碳化物明顯溶解，980℃碳化物大量溶解，1 050℃及以上已基本完全溶解。因此，合適的淬火溫度選擇應低于980℃，保證奧氏體內存在一定量的未溶碳化物顆粒，一方面抑制奧氏體晶粒長大，另一方面提高支承輥耐磨性及抗疲勞性能[5-6]，且使一定量的合金元素溶解在基體中，充分發揮其作用。

2.3淬火溫度對殘余奧氏體含量的影響

淬火溫度對淬火后殘余奧氏體的含量具有顯著影響，采用X射線衍射儀測定了930～1 050℃下淬火試樣中殘余奧氏體體積分數，結果如圖4所示。可見，隨著淬火溫度升高，淬火組織中殘余奧氏體量逐漸增加。當溫度達到960℃后，殘余奧氏體量增加更為顯著。

結合上述碳化物溶解情況的分析，當淬火溫度為960℃時，碳化物溶解量不斷增加，奧氏體中合金元素及碳含量增加，高溫奧氏體穩定性增加，使得Ms點降低，導致淬火組織中殘余奧氏體含量增加。

2.4淬火溫度對硬度的影響

對經不同溫度淬火的試樣進行洛氏硬度檢測，結果見圖5。可以看出，在880～1 100℃范圍內，隨著奧氏體化溫度升高，試驗鋼的淬火硬度呈現出先升高后降低的規律。940℃淬火時的硬度最高，達63.2HRC。

圖3不同溫度保溫90 min后試驗鋼中碳化物溶解情況

Figure 3Dissolving situation of carbides in tested steel after 90 min of different holding temperatures

圖4　淬火溫度對殘余奧氏體量的影響

圖5　不同溫度淬火后試樣硬度

當溫度高于940℃時，硬度呈降低趨勢，其原因是淬火組織中殘余奧氏體量增多。淬火溫度較低時，奧氏體中溶解的碳和合金元素含量少，淬火后馬氏體中飽和的碳和合金元素含量較少，因此硬化效果不佳。

3結論

(1)新型支承輥用鋼經高溫淬火后，顯微組織均為馬氏體和顆粒狀碳化物，且碳化物尺寸細小，彌散分布在基體上。

(2)隨著淬火溫度的升高，M7C3碳化物溶解量逐漸增加。溫度高于940℃時，碳化物溶解量不斷增加，溫度達到980℃時，碳化物大量溶解，在1 050℃時碳化物基本完全溶解。

(3)930～1 050℃淬火溫度范圍內，隨著淬火溫度升高，淬火組織中殘余奧氏體量逐漸增加。當溫度達到960℃后，殘余奧氏體量增加更為顯著。

(4)在880～940℃范圍內淬火，隨著淬火溫度升高，硬度呈現升高趨勢。超過940℃后，硬度出現下降趨勢。

參考文獻

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[2]俞誓達，陳菡.我國軋輥業現狀及發展中應注意的問題[J].鋼鐵, 2007,42(7):1-6.

[3]唐志國，等.淬火溫度對Cr5型冷軋工作輥用鋼組織及性能的影響[J].熱加工工藝, 2011,40(2): 167-169.

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[5]王文炎.調質前后Cr5鍛鋼支承輥碳化物[J].鋼鐵, 2014,49(9):71-76.

[6]HaraldLeitner, Michael Bischof, Helmut Clemens,et al. Precipitation Behaviour of a Complex Steel[J]. Advanced Engineering Materials, 2006, 8(11): 1066.

編輯杜青泉

Influence of Quenching Temperature on Microstructure and Hardness of New Type Steel Used for Back-up Roll

Bai Xinghong, Liu Jianhong

Abstract：By adopting the optical microscope, the scanning electron microscope, the X-ray diffractometer and the Rockwell hardness tester, the influence rule of quenching temperature on microstructure and hardness of new type steel used for back-up roll has been studied. It turned out that after the high temperature quenching process, the microstructure was the martensite and the fine particle type carbide; with the rising of quenching temperature, the dissolved amount of M7C3carbide increased gradually, and the carbide completely dissolved at 1050℃; when the quenching temperature reached 960℃, the residual austenite increased obviously with the rising of quenching temperature; when the quenching process performed in the range of 880～1100℃, the maximum hardness appeared at 940℃.

Key words：new type steel used for back-up roll; quenching temperature; microstructure; carbide; hardness

作者簡介：白興紅(1984—)，工程師，從事鍛造支支承輥材料開發及熱處理工藝研究。電話：15022460601，E-mail：yanyuanbai@126.com

收稿日期：2015—10—14

中圖分類號：TG156.31

文獻標志碼：B