分級淬火對高鉻鑄鐵軋輥組織的影響

張博涵， 李浩楠， 高鵬沖， 喬桂英， 劉杰兵， 肖福仁

(1. 燕山大學 材料科學與工程學院 亞穩材料科學與制備技術國家重點實驗室， 河北 秦皇島 066004;2. 燕山大學 材料科學與工程學院 河北省金屬產品工藝與性能優化重點實驗室， 河北 秦皇島 066004;3. 燕山大學 環境與化學工程學院 河北省應用化學重點實驗室， 河北 秦皇島 066004;4. 邢臺德龍機械軋輥有限公司 河北省軋輥綠色制造技術創新中心， 河北 邢臺 054009)

軋輥是鋼鐵軋制最重要的零部件之一，其服役性能、使用壽命和成本直接影響軋材的質量、生產效率和成本[1-3]。然而，由于不同軋制生產線的軋材產品、服役工況的不同，在軋輥的選材上不僅追求軋輥的性能，更需要考慮軋輥綜合成本[4-5]。高鉻鑄鐵軋輥因其具有良好的適應性和低的成本，仍然是目前熱連軋生產線應用量最大的軋輥之一[4-5]。

大型高鉻鑄鐵軋輥通常采用離心復合鑄造工藝生產，離心鑄造高鉻鑄鐵工作層的組織中，馬氏體/殘留奧氏體基體及大量的高硬度M7C3型共晶碳化物保證了鑄態高鉻鑄鐵軋輥具有高的硬度[6]。但大型軋輥凝固及冷卻時間長，基體中Cr含量的不均勻分布提高了奧氏體的穩定性，增加軋輥中殘留奧氏體含量和分布的不均勻[6-7]。大量殘留奧氏體不僅影響鑄態軋輥的硬度，還會在服役過程中因殘留奧氏體轉變引起應力集中，增加軋輥開裂風險[7]。研究表明[8-9]，通過優化去穩熱處理加熱溫度和回火溫度，改善基體組織及二次碳化物的形態和分布，從而改善和提高軋輥的性能。然而，這些研究中，淬火往往采用小試樣直接空冷的方式，這種冷卻方式與實際軋輥工藝有很大的不同。對于大型軋輥而言，因其尺寸大、冷卻速度低，而且為避免軋輥的開裂，當軋輥冷卻至表面低于回火溫度時直接進行第一次回火[10]。然而，從理論上看，高鉻鑄鐵在該溫度條件下處于奧氏體穩定區，等溫過程的實質是軋輥內外的均溫過程，應屬分級淬火范圍[11]。但到目前為止，實際上軋輥的分級淬火溫度主要依據其回火溫度制定[8,10,12]，為使軋輥快速冷卻到該溫度，在軋輥冷卻后期通常采用吹風冷卻的方式，這會增加開裂的風險。因此，研究分級淬火溫度對軋輥組織和性能的影響，對在保證軋輥淬火后性能的同時降低軋輥開裂風險具有重要的意義。本文針對離心復合鑄造高鉻鑄鐵軋輥，通過模擬軋輥的淬火冷卻過程，研究了分級淬火溫度對其組織和性能的影響，為合理制定軋輥的淬火工藝，降低軋輥開裂傾向提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料取自商用離心復合鑄造高鉻鑄鐵軋輥工作層，軋輥直徑φ800 mm，其主要化學成分(質量分數，%)為2.45C、0.70Si、0.88Mn、17.10Cr、1.33Mo、0.44V、1.15Ni、0.005Ti。為研究分級淬火冷卻過程對軋輥組織和硬度的影響，采用LINSEIS L78膨脹儀模擬軋輥熱處理工藝，試樣尺寸為φ3 mm×10 mm，差溫分級淬火工藝為試樣快速加熱到900 ℃，保溫5 min后以40 ℃/min的升溫速率加熱到1100 ℃，保溫20 min后再冷卻至1070 ℃并保溫30 min；保溫結束后以約11.5 ℃/s的冷卻速度冷卻至840 ℃；再以20 ℃/s的冷卻速度冷卻至750 ℃，然后以12.5 ℃/s的冷卻速度冷卻至500 ℃和560 ℃，保溫60 min 模擬分級淬火，最后以約300 ℃/min冷卻速度空冷至室溫，具體工藝如圖1 所示。同時采用膨脹法測定冷卻過程中的相變點。為對比分級淬火溫度對相變的影響，同時測試從分級淬火溫度直接冷卻至室溫的試樣相變點。采用馬弗爐對淬火后試樣進行回火，回火工藝為400～550 ℃保溫10 h，回火兩次。

圖1 差溫加熱分級淬火工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the differential heating and step quenching process

采用Axiovert 200 MAT光學顯微鏡(OM)、S-3400掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析鑄態和熱處理后試樣的組織及成分分布；采用D/MAX2500 PC型X射線衍射儀(XRD)分析相結構。采用HR-150C硬度計測定不同工藝處理后試樣的硬度。

2 試驗結果及分析

2.1 鑄態組織

離心復合鑄造高鉻鑄鐵軋輥工作層鑄態組織為典型的亞共晶鑄鐵組織[13]，如圖2所示，主要為先共晶奧氏體基體和分布在基體周圍的共晶組織(見圖2(a))。此外，基體中還分布著大量菱形和點狀二次碳化物，二次碳化物分布不均勻，在共晶碳化物和大尺寸二次碳化物附近幾乎沒有二次碳化物析出，且共晶組織由形狀不規則的共晶碳化物和奧氏體枝晶組成(見圖2(b))。XRD分析結果表明，高鉻鑄鐵軋輥的鑄態顯微組織主要為馬氏體、奧氏體和M7C3型碳化物(見圖2(c))。由此可以證實，鑄態軋輥的基體組織主要為馬氏體和殘留奧氏體，共晶碳化物則為M7C3型碳化物。通過定量分析得出，共晶M7C3型碳化物和殘留奧氏體的體積分數分別約為25.2%和21.7%。大量高硬度的M7C3型共晶碳化物和馬氏體基體使高鉻鑄鐵軋輥具有較高的硬度，為58.5 HRC。

圖2 高鉻鑄鐵軋輥的鑄態組織(a, b)和XRD圖譜(c)Fig.2 Microstructure(a, b) and XRD pattern(c) of the as-cast high-Cr cast iron roller

另外，由于鑄態凝固的特點，基體組織中的碳及合金元素分布極不均勻，如圖3所示。共晶碳化物為富Cr的M7C3型碳化物；而在基體內部Cr含量高，析出了大量富Cr的二次碳化物；而共晶碳化物周圍的基體因冷卻過程中富Cr的二次碳化物析出并依附共晶碳化物生長，導致沒有碳化物析出，促使該區域奧氏體的穩定性增加，以殘留奧氏體形式保留到室溫。這種不均勻分布的殘留奧氏體顯著影響軋輥的性能。

圖3 高鉻鑄鐵軋輥的鑄態組織(a)及其Cr、Fe元素分布(b)Fig.3 Microstructure(a) and Cr and Fe element distribution(b) of the as-cast high-Cr cast iron roller

2.2 分級淬火溫度對Ms點及顯微組織的影響

圖4為模擬差溫加熱分級淬火冷卻過程中膨脹量-溫度曲線?？梢?，在冷卻過程中，即使改變冷卻速度及分級淬火溫度，冷卻過程中并沒有相變發生。而分級淬火溫度對Ms略有影響，如表1所示。直接冷卻時Ms點為235 ℃，分級淬火則使Ms點降低，當分級淬火溫度為500 ℃時，Ms點降低到216 ℃；而當分級淬火溫度升高到560 ℃時，Ms點略有升高，為232 ℃。

表1 高鉻鑄鐵軋輥不同淬火處理時的Ms點、殘留奧氏體量和硬度Table 1 Ms point, amount of retained austenite and hardness of the high-Cr cast iron roller after different quenching processes

圖4 高鉻鑄鐵軋輥淬火過程的膨脹曲線Fig.4 Dilatometric curves of the high-Cr cast iron roller during quenching processes

圖5為高鉻鑄鐵經不同淬火處理后的顯微組織，圖6為560 ℃分級淬火后的基體和共晶組織形貌。可見，與鑄態組織相比，淬火對高鉻鑄鐵軋輥的共晶組織及共晶碳化物影響不大，但基體組織均勻性得到明顯改善，且粗大二次碳化物數量減少。然而，淬火對基體周圍與共晶碳化物交界處的無碳化物析出區的組織形態影響不大，但該區域及共晶區的基體中馬氏體針的數量有增加的趨勢(見圖6(b))，導致殘留奧氏體含量略有降低。分級淬火對Ms點及組織的影響也影響高鉻鑄鐵軋輥的硬度(見表2)。與鑄態的硬度相比，淬火后的硬度由58.5 HRC提高到60.6 HRC；而經500 ℃分級淬火后，硬度降低到57.3 HRC；相反，當分級淬火溫度為560 ℃時，淬火后的硬度則升高到62.1 HRC。分級淬火降低Ms點與奧氏體熱穩定性有關[14]，而淬火后硬度的變化與Ms點的變化引起殘留奧氏體含量的變化有關。在500 ℃和560 ℃分級淬火溫度下，高的分級淬火溫度對冷卻過程中的相變影響不大，淬火后的硬度則略有提高。從軋輥的淬火冷卻過程看，選擇高的分級淬火溫度有利于降低軋輥淬火開裂的風險。

圖5 高鉻鑄鐵軋輥不同淬火處理后的顯微組織(a)直接冷卻；(b) 500 ℃分級淬火；(c) 560 ℃分級淬火Fig.5 Microstructure of the high-Cr cast iron roller after different quenching processes(a) direct cooling; (b) step quenching at 500 ℃; (c) step quenching at 560 ℃

圖6 高鉻鑄鐵經560 ℃分級淬火后的基體(a)和共晶(b)SEM形貌Fig.6 SEM images of the matrix(a) and eutectic microstructure(b) of the high-Cr cast iron roller after step quenching at 560 ℃

2.3 回火對組織和硬度的影響

圖7為高鉻鑄鐵軋輥經560 ℃分級淬火和不同溫度回火后的SEM組織形貌。當回火溫度低于460 ℃時，與淬火組織圖相比，組織沒有明顯的變化(見圖8(a, b))，但隨著回火溫度的升高，靠近共晶碳化物的無碳化物析出區馬氏體含量有增加的趨勢；而當回火溫度升高到500 ℃時，組織明顯細化，殘留奧氏體分解，馬氏體轉變為回火馬氏體，且有大量細小碳化物析出，但組織仍保持馬氏體特征；隨回火溫度進一步升高到550 ℃時，組織變得更加均勻，馬氏體組織特征消失，組織向回火索氏體轉變。圖8高鉻鑄鐵為不同溫度回火后的XRD圖譜，與鑄態相比，經淬火和回火后組織中仍主要為馬氏體、奧氏體和M7C3型碳化物，但殘留奧氏體含量明顯減少，而且隨回火溫度的增加，殘留奧氏體含量進一步降低。圖9為回火溫度對硬度的影響，當回火溫度低于500 ℃時，硬度隨著回火溫度的增加而增加，由淬火后的62.1 HRC增加到64.4 HRC；而回火溫度進一步增加到550 ℃時，硬度則快速降低到55.5 HRC。

圖7 高鉻鑄鐵軋輥不同溫度回火后的組織Fig.7 Microstructure of the high-Cr cast iron roll tempered at different temperatures(a) 400 ℃； (b) 450 ℃； (c) 500 ℃； (d) 550 ℃

圖8 高鉻鑄鐵軋輥回火后的XRD譜Fig.8 XRD patterns of the high-Cr cast iron roll after tempering

圖9 高鉻鑄鐵軋輥回火后的硬度Fig.9 Hardness of the high-Cr cast iron roll after tempering

綜上所述，在500和560 ℃分級淬火溫度下，提高分級淬火溫度，高鉻鑄鐵的Ms點升高，淬火后硬度增加；在450～500 ℃回火范圍內出現二次硬化，硬度進一步增加。另外，高的分級淬火溫度有利于減小軋輥冷卻過程中的內外溫差及熱應力，降低軋輥開裂風險。因此，對大型高鉻鑄鐵軋輥，在差溫加熱分級淬火處理時，為保證淬透應適進行當提高分級淬火溫度。

3 結論

1) 高鉻鑄鐵軋輥分級淬火的冷卻過程中沒有其它相變發生，僅發生低溫馬氏體轉變。與直接淬火相比，分級淬火降低Ms點，且隨分級淬火溫度的降低，Ms點降低幅度增大。

2) 提高分級淬火溫度有利于減少殘留奧氏體含量，增加軋輥的硬度，減少淬火冷卻過程中內外溫差、熱應力和軋輥開裂傾向。

3) 高鉻鑄鐵軋輥經分級淬火后在450～500 ℃溫度范圍內回火，可獲得最大的硬度。