回火工艺对高速钢轧辊残余奥氏体和硬度的影响.doc
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1、高速钢复合轧辊是利用具有高硬度 ,尤其是具有很好的红硬性、耐磨性和淬透 性的高速钢作为轧辊的工作层 ,用韧性满足要求的高强度球墨铸铁作为轧辊的芯部材料 ,把工作层和芯部以冶金结合的方式复合起来的高性能轧 辊。高速钢的基体中固溶有大量合金元素 ,使得淬火后高速钢中有大量的残余奥氏 体 ,过多的残余奥氏体使得轧辊在冷热疲劳过程中产生裂纹的倾向增大。因此,通过热处理将淬火组织中的残余奥氏体转变为马氏体是提高热稳定性能的一个重要途 径。另一方面 ,通过热处理可以使固溶在基体中的合金元素析出 ,形成高熔点、高硬 度的 MC 型碳化物颗粒 ,提高二次硬化能力 1 。本文研究了 1050空淬下 ,不同回火
2、工艺对高速钢轧辊显微组织中残余奥氏体和硬度的影响 ,通过对热处理后轧辊中残 余奥氏体和碳化物含量的测量和分析 ,确定最优的高速钢回火工艺参数 ,为工业生产 提供了科学依据。1 试验材料和测试方法1.1 实验材料来自国内某轧辊厂 ,复合轧辊高速钢工作层的成分见表 1。1.2淬火工艺本实验所用材料是从大块高速钢铸态试样用钼切割的方法切成 15mm×12mm×12mm的试样块,用高温电阻炉加热 (精度±5,在 1050保温 1h 后出 炉空淬。 1050空淬保温 1h 的显微组织如图 1。1050空淬后试样的硬度如表 2。1.3回火工艺及其显微组织为减少试验次数 ,设计
3、了三因素 (回火温度、保温时间和回火次数三水平回火工 艺正交表 ,选用正交表 L9(34 表格2,其因素和水平选择的依据如下。(1 回火温度的选择。 200300时残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体 ,到 300时残余奥氏体分解基本结束 3 。当回火温度低于 350时,只表 2 空淬后试样的硬度热处理工艺硬度 HRC 平均值 HRC 1050保温 1h 空淬 64.864.063.865.064.4回火工艺对高速钢轧辊残余奥氏体和硬度的影响Influence of the Tempering Technology on Retained Austeniteand Hardness of Hi
4、gh-Speed Steel Rolls栗重浩 1姚三九 1 杨仁康 1王武宏 1甘宅平 2刘永志 2(1.武汉理工大学材料科学与工程学院 ,武汉 430070;2.武汉钢铁集团轧辊制造公 司 ,武汉 430070摘要 :采用正交表 L9(34设计高速钢轧辊淬火后的回火工艺 ;经 XRD分析,采用K 值法定量测量不同 热处理工艺下高速钢轧辊中残余奥氏体和碳化物的含量 ;通过方差分析确定残余奥 氏体最少和硬度达到 HRC71 以上的最优热处理工艺。关键词:高速钢轧辊 ,XRD,残余奥氏体 ,硬度中图分类号 :TG142.45;文献标识码 :A;文章编号 :1006-9658(200904-4收稿
5、日期 :2009-04-09文章编号 :2009-054作者简介:栗重浩(1982-,男,硕士研究生 ,从事高性能金属材料的研究、材料成型和热处理工作表 1 高速钢轧辊化学成分 ( 质量百分数 ,%C Si Mn Cr Mo V W Nb P S1.6/2.00.3/1.00.3/1.04.0/8.04.0/6.03.0/5.01.5/2.50.5/1.5<0.08<0.05图 11050空淬后试样的显微组织(a(b100 m50m能消除内应力 ,对硬度影响不大。为使更多碳化物析出 ,提高二次硬化能力 ,且 350回火时 ,在以后随炉冷却过程中有更多残余奥氏体分解 ,回火的最低温度
6、定为 350。 400500回火时 ,析出的合金碳化物主要是以铬的碳化物为主 ,原先析出的 渗碳体也在此温度下逐渐转化为铬的碳化物 ,此碳化物比较稳定、不易聚集 ,这样使 高速钢的硬度逐渐升高 5 。而且 ,马氏体在 300500回火得到回火托氏体组织 ,它 具有很高的弹性极限 ,同时有一定的塑性 ,可以改善高速钢的力学性能 4 。因此 450是回火的又一水平温度。 500600回火时 ,一方面析出弥散度很高且不易聚 集的钨和钒的碳化物 ,出现了明显的 “弥散硬化”现象;另一方面 ,由于在回火过程中 ,残 余奥氏体不断析出碳化物 ,使其碳和合金元素含量都降低 ,从而提高了它向马氏体转 变的温度
7、 ,在此温度回火后的冷却过程中 ,转变为回火马氏体 5。此外 ,共析成分的奥 氏体在 A1550温度范围内等温回火时 ,将发生珠光体转变 ,转变后的珠光体硬度 较低 6。从这三方面考虑 ,550是回火的上限温度。(2 保温时间和回火次数的选择。高速钢基体中固溶有大量合金元素,使过冷奥氏体等温转变 C 曲线右移 ,降低了马氏体转变温度 ,增加过冷奥氏体的稳定性 ,使得淬 火高速钢中有大量的残余奥氏体 ,需多次回火消除。一般经三次回火才能完全消除 残余奥氏体 7 。回火次数过多 ,大量碳化物多次共析易聚集长大 ,韧性和硬度都明显 下降。如果保温时间不足 ,达不到回火目的 ,高速钢的力学性能得不到改
8、善。一般保 温时间至少一小时。保温时间过长时 ,一方面碳化物聚集长大 ,甚至再晶接成网状 ,使 韧性明显降低。另一方面 ,大多固溶在马氏体中的合金元素大量析出 ,降低了马氏体 的固溶强化效果 ,基体马氏体硬度降低。此外 ,在高温回火中 ,长时间保温易于组织粗大。所以保温时间应 在 15h。回火工艺正交表见表 3。不同回火工艺下的显微组织如图 2(a、 (b、(c、(d。1.4残余奥氏体和碳化物的测量本试验所用 X 射线衍射仪型号为 D/Max-IIIA, 其试验仪器参数 :额定功率3kW;Cu 靶;管压 35 kV;管流 30mA;仪器稳定度优于 1%;测角精确度 2± 0.0测2
9、° 试速度为 10deg/min;测试范围 20°100°(。2 用 MDI Jade5.0软件(PDF2004卡片数据库建立的卡片索引进行 XRD 分析,并采 用 RIR 方法定量测试残余奥氏体的含量 8 。此方法可以定量地测出各物相的含量 ,对于本实验高速钢组织中主要有回火马氏体 M 、残余奥氏体 和碳化物。具体操作方法 8:(1 准确鉴定每一个物相 ;(2 打开峰的物相鉴定报告 , 将标准卡片上标明为 I%=100 的峰留下 ,保存结果 ;(3查看峰搜索报告 ,并保存 ;(4打开物相鉴定过程中产生的 PDF卡片列表 ,样品中包含的物相都在此表中 ,文 件中保
10、存的是每个相的名称、化学式和 RIR 值。有了以上三个文件保存的数据就可以计算出每个相的质量分数 :W A=I Ai=A I iA图 2 不同回火工艺下的显微组织50m(a350×3h 炉冷、二次回火 (b450×3h炉冷、三次回火 (c550×3h炉冷、 次回火 (d550 ×5h炉冷、二次回火50m50m50m表 3 回火工艺正交表编号回火温度 /保温时间 /h 回火次数350113503235053445012545033645051755013855031955052123其中 A 表示被选定的样品中的任一相。 I=A N 表示样品中有 N 个相
11、。其 中 RIR 的值都可以在MDI Jade 的数据库中查到。实验中测到的物相名称、化学式、 RIR 值和 I%=100 的峰的晶面指数如表 4。试验中 VC 的(200晶面的衍射峰和奥氏体 (111 晶面衍射峰峰重叠 ,所以在计算 各物相衍射积分强度时要扣除 VC 对 Austenite 的干扰。本试验的碳化物相主要为 VC 、少量的 Mo 2C 和极少量 Mo 2V 4C 5 等复杂化 合物,其它碳化物检测不到 ,为计算方便碳化物只考虑 VC 和 Mo 2C 。此方法计算物相含量的优点 :一是避免用电解定量萃取高速钢中碳化物含量带 来电解工艺繁杂、周期长、成本高的缺点 ;二是可以测量出具
12、体某一种碳化物的含 量;三是试验的操作简单、方便、快捷。 2 试验结果和分析2.1 高速钢轧辊空淬组织的 XRD 图谱分析1050空淬条件下高速钢组织的 XRD 图谱分析如图 3。1050淬火后 ,基体组织中有大量的淬火马氏体和残余奥氏体 ,还有从奥氏体中析出的共晶碳化物 VC 及少量的二次碳化物Mo 2C 。由于背低的影响 Cr 7C 3难以检测,它9是从奥氏体中析出 ,能溶入 W 、Mo 、V 等元素,呈长条状,长轴尺寸可达 5070m较 , 聚集,不易通过 XRD 检 测。2.2 高速钢轧辊 1050空淬的组织和硬度1050空淬下不同回火温度的高速钢轧辊碳化物、残余奥氏体和硬度平均值见
13、表 5 。通过三次回火 ,残余奥氏体量基本为零或含量极少。随回火温度升高和保温时 间延长碳化物含量增多 ,但在 550时 ,大多碳化物聚集长大 ,但呈减少趋势。碳化物 Mo 2C 随回火温度和保温时间延长而增多 ,说明在回火温度较高和保温时间较长的 情况下,碳化物 Mo 2C 才容易析出。 450保温 3h 回火 3次时,碳化物含量明显增多 呈颗粒状、块状和细棒状 ,此温度正好为上贝氏体和回火托氏体的转变温度 ,回火托 氏体有很高的弹性和一定的塑性 ,使组织力学性能有所改善 ,并且硬度达到峰值。 550保温 1h 回火 3次时,碳化物含量较高 ,但硬度相对较低 ,是因为 550回火时 ,大 量
14、碳化物从基体析出 ,易使奥氏体体转变为珠光体或铁素体 ,同时马氏体中合金元素降低 ,固溶强化效果有所下降550保温 3h 回火 1 次时,仍有较多的残余奥氏体 ,虽然碳化物含量没有达到最高 ,但硬度很高 ,说明在此热处理工艺下 ,碳化物颗粒和基体组织 都没有粗大 ,一部分合金元素析出后形成碳化物颗粒均匀分布于基体 ,起到明显的 “弥 散硬化 ”现象,另一部分合金元素留于马氏体中 ,起到固溶强化的效果 ,最终使基体的 加权硬度较高。从图 1(a 和(b 可以看出,空淬组织中大多是大表5不同回火温度下高速钢轧辊碳化物、残余奥氏体 (质量百分数 ,%和硬度热处理工艺 -Fe 含量-Fe 含量碳化物
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