工艺技术_冷轧辊锻后预备热处理工艺的研究论文

上海大学 硕士学位论文 MC5冷轧辊锻后预备热处理工艺的研究 姓名：巩玄君 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：邵光杰 20090301 2 0 0 9 年卜海大学硕上学位论文 摘要 在冷轧板生产中，锻钢冷轧辊的性能和使用效果是影响轧材质量和生产效率 的重要因素。随着汽车和家电的快速发展，冷轧薄板的需求量迅速增长，同时对冷 轧辊的产品质量尤其是其内在质量提出了更高要求，丰要表现在有效淬硬层深度 的增加，表面微观组织的控制，以及抗事故能力。因此，轧辊生产厂家在进一步 完善和改进锻钢冷轧辊的牛产工艺方面给予了高度关注。C r 5 系列承担着目前冷 轧辊用钢的主要任务，但自C r 5 系列冷轧辊广泛应用以来，其热处理生产工艺丰 要在C r 3 钢基础上做适当调整，对该材质的工艺、组织及性能方面的系统研究仍 然较少。因此，本文从M C 5 冷轧辊锻后正火和球化退火处理着手，对其工艺及组 织的关系进行较为全面的研究，并结合实际生产情况，对确定热处理工艺与组织 性能的关系以及现场工艺的优化都具有重要意义。 本文从分析不同公司所生产的M C 5 冷轧辊入手，观察成品辊内部组织，测试 其性能，了解冷轧辊的使用现状，思考存在的问题及其原因，为后续研究的开展 提供方向。 通过对锻后M C 5 钢正火工艺的研究，建立了奥氏体晶粒随加热温度及保温 时间而长大的规律，温度对其影响远远大于时间，在9 6 0 时平均晶粒尺寸出现 长大加快的趋势，在9 8 0 时局部晶粒已出现异常长大现象，尽管M C 5 钢A c m 线达到1 0 5 09 C ，但从晶粒长大的角度考虑加热温度不宜超过9 8 0 。C 。 本文关注到过共析钢锻后容易出现网状碳化物的问题，尤其轧辊工件具有尺 寸大的特点，在正火出炉冷却时，尽管采用强风制冷，往往其内部冷速还是难以 达到控制网状碳化物析出的要求。为改善这一现存问题，一方面建立冷速与组织 的关系，确定该材质抑制网状碳化物析出的平均临界冷速0 2 1 s ，另一方面确 立了借助D E F O R M 模拟M C 5 钢锻后正火热处理过程的模型，并通过模拟结果 与现场实际测温结果的对比，确定其可靠性和有效性，据此，可预测旨在确保抑 制网状碳化物形成的工件从正火加热温度冷却至A r l 点所允许的最长时间，为现 场应用奠定了基础。 本文在对球化退火的研究中发现，加热温度的选择对材料球化影响较大， 2 0 0 9 年I ：海大学硕一L 学位论文 并且对于M C 5 钢而言，由于添加较多合金元素，其加热温度的选择与碳钢不同， 应选取略高于A c l f 的温度，但是适合的加热温度范围比较窄，本文认为选择 8 4 0 左右为宜。同时，对不同温度等温不同时间的球化组织中碳化物的尺寸进 行测定，碳化物的长大符合0 s t w a l d 熟化机制，并建立了碳化物在不同温度等温 时长大动力学方程，随着温度的升高，碳化物粒子粗化速度加大。 利用T E M 和分离萃取的方法对球化退火组织中碳化物进行观察和分析，发 现其中存在碳化物的类型有C r 2 3 C 6 、C r 7 C 3 及F e a C ，质量百分含量为：9 3 1 。 关键词：M C 5 钢；冷轧辊；正火；球化退火；网状碳化物；模拟 I I 2 0 0 9 年上海大学硕上学位论文 A b s t r a c t T h ep r o p e r t yo fc o l dr o l l e ri sa ne s s e n t i a lt ot h eq u a l i t yo fc o l d - r o l l e dp l a t ea n dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h en e e do fc o l d - r o l l e dp l a t e i si n c r e a s i n g M e a n w h i l e ，t h er e q u e s tt o r e a c hah i g hq u a l i t yi sp u tf o r w a r dt ot h er o l l e r , e s p e c i a l l ys u c hi n t e r n a lp r o p e r t ya st h ed e p t ho f q u e n c h h a r d e n e dc a s e ，t h ec o n t r o lo fm i c r o s t r u c t u r ea n da b i l i t yt op r e v e n tt h ea c c i d e n t S om o r e a n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np u to nt h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so ft h ec o l dr o l l e r C r 5s e r i e sp l a y e d am a i nr o l ei nt h ec o l dr o l l e r , h o w e v e r , t h ea 1 1 - a r o u n ds t u d yo fC r 5 h a sb e e nt a k e no n T h i s a r t i c l ew i l lg i v ear e l a t i v es t u d yo nt h en o r m a l i z a t i o na n ds p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n gp r o c e s so fc o l e d r o l l e r , a n dt a k es o m ep r o b l e m sh a p p e n e di nt h ep r o d u c t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n I t sh e l p f u lb o t ht o i n c r e a s et h ep r o p e r t yo fM C 5s t e e la n dg i v es u g g e s t i o nt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c ea n dp r o c e s s f o rn l ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n F i s t l y , t h eM C 5c o l dr o l l e rp r o d u c e db yt h r e ef a c t o r i e sw e r ea n a l y z e d O nt h ef o u n d a t i o no f t h em i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n ds o m ep e r f o r m a n c et e s t ，as u m m a r yo fM C 5p r o d u c t i o nc a nb e i n f o r m e da n di t Su s f u lt og i v ead i r e c t i o nf o rt h es t u d yl a t e r I nt h i sa r t i c l e ，t h en o r m a l i z a t i o na f t e rf o r g e dw a sw e l ls t u d i e d O nt h eb a s eo fe s t a b l i s h i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i m e n s i o no fa u s t e n i t ea n dt h eh e a tt e m p e r a t u r e ，ap h e n o m e n o no f g r a i ng r o wu pW a sf o u n dw h e nt h em a t e r i a lh e a t e d o n9 8 0 。C T h es u g g e s t i o nt oc h o o s et h e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei sn o th i 班t h a n9 8 0 “ C T h i sp a p e rW a sa l s op u tm o r ea t t e n t i o nt ot h ec u r r e n tp r o b l e ma b o u tt h en e t w o r kc a r b i d e T h e i n f l u e n c eo ft h ec o o l i n gr a t eo nt h em i c r o s t m c t u r e w a ss t u d i e da n dm a d es u r et h a tt h ec o o l i n gr a t e w h i c hi sq u i c k e rt h a na b o u t0 21 。C sc a np r e v e n tt h ec a r b i d ep r e c i p i t a t ea r o u n dt h eg r a i nb o u n d a r y O nt h eo t h e rh a n d 。t h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h en o r m a l i z i n gp r o c e s si s p r e s e n t e dw i t ht h eh e l po fD E F O R M s o f t w a r e I t sc o r r e c t n e s sh a db e e np r o v e db yt h ec o m p a r i s o n w i t ht h et e m p e r a t u r em e a s u r er e s u l t so fw o r k p i e c ed u r i n gt h em a n u f a c t u r e C o m b i n i n gw i t ht h e r e s e a r c hr e s u l to fm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dc o m p u t e r a s s i s t e dc a l c u l a t i o n ，t h ef o r e c a s to ft h e i n n e rm i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ei nt h eb i gw o r k p i e c ec a nb er e a l i z e d T h ei n v e s t i g a t e d r e s u l t sh a ds h o w nt h ep r a c t i c ev a l u ea n di t sau s e f u lf o u n d a t i o nf o rt h ea i mo fh e a tt r e a t m e n t o p t i m i z a t i o n O nt h es t u d yo ft h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h ee f f e c t sa f t e rt h es p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n g nT 2 0 0 9 年I ：海大学硕上学位论文 p r o c e s s ，t h eh e a tt e m p e r a t u r em a y b e am o r es e n s i t i v ef a c t o rt ot h er e s u l t Ar e l a t i v en a r r o ws c o p e o ft e m p e r a t u r ec a nb ec h o s e nt oh e a tt h em a t e r i a lt oa c h i e v eaw e l l s p h e r o i d i z e dm i c r o s t r u c t u r e ，a n d8 4 0 “ C ，at e m p e r a t u r eal i t t l eh i g h e rt h a nA clfi sc o m m e n d e d O n t h eo t h e rh a n d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i m e n s i o no fc a r b i d ef o r m e di nt h ei s o t h e r m a ls t a g e a n dt h ei s o t h e r m a lt e m p e r a t u r e ，i tm e e tt h el a wo fO s t w a l dc o a r s e n i n gm e c h a n i s ma n dt h ek i n e t i c e q u a t i o nw a ss u c c e e d e dt op u to u t I tw i l lb eai m p o r t a n te v i d e n c ef o rc h o o s i n gt h ei s o t h e r m a l t e m p e r a t u r et oc o n t r o lt h ed i m e n s i o no fc a r b i d e T h ec a r b i d ei nt h em i c r o s t r u c t u r ea f t e rs u f f e r i n gt h es p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n gp r o c e s sW a s s t u d i e dm a k i n gu s eo fT E Ma n dX R Dm e t h o d T h eC r 2 3 C 6 、C r 7 C 3 及F e 3 Cw e r ef o u n da n d m a s sp e r c e n tw a sm e n s u r a t e da s9 31 K e yW o r d s ：M C 5 s t e e l ；C o l dr o l l e r ；N o r m a l i z a t i o n ；S p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n g ； N e t w o r kc a r b i d e ；S i m u l a t i o n I V 2 0 0 9 年上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盟坌鱼E l 期：刽：兰 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 2 0 0 9 年l ：海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来，我国钢铁行业继续保持高速发展势头，宏观调控为钢铁工业搞好结 构调整提供了新的机遇。钢铁企业从提高市场竞争力的战略高度出发，大力推进 技术进步和创新，使板、管、带产量大幅度增长，其中仅冷轧板产量同比就增长了 2 5 8 。而冷轧板产量的激增，对国内冷轧辊制造业便提出了新的要求。 众所周知，在冷轧薄板牛产中，锻钢冷轧辊的性能和使用效果是影响轧材质 量和生产效率的重要因素。汽车和家用电器行业的快速发展，导致对冷轧薄板的 需求量迅速增长，同时对冷轧薄板的产品质量( 如板厚、板形和表面特性等) 提出 了更高要求。为了达到这些要求，钢铁企业在轧钢工艺中普遍采用了六辊H C 或 C V C 轧机，这类轧机具有自动化程度高、轧制压力大、高速、低耗等特点，同时 其连轧机工作辊的内在质量要求也比传统的冷轧辊高得多，突出表现在以下几个 方面【l 】：一是锻钢冷轧辊的有效淬硬层深度更高，以便在轧辊的整个使用寿命期 间减少重淬处理次数，降低轧辊总的使用成本；二是对轧辊表面微观组织提出了 特殊要求，以便满足汽车车身钢板和家用电器钢板表面质量的要求；三是要求更 高的轧辊使用性能，特别是抗事故能力【4 】。这样一来，用户在对锻钢冷轧辊性能 传统要求( 如高强度、高硬度和高耐磨性、良好的韧性) 的基础上，又加上了这些 新的技术要求，使得轧辊生产厂家必须进一步完善和改进锻钢冷轧辊的生产工 艺。 1 2 锻钢冷轧辊材质的发展： 上世纪6 0 年代以来，国内外冷轧辊材质一直沿用9 C r 2 系或8 6 C r M o V 7 钢。 为提高冷轧辊使用寿命，曾采用工频双感应器加热淬火，或提高冷去l J i i 力等方法 增加淬硬层，因为当时认为只有高强度才有高的耐磨性，忽略了未溶碳化物对耐 磨性的作用；上世纪7 0 年代以后，日本开始使用铬含量为3 的M C 3 钢冷轧辊， 有效地提高了轧辊的耐磨性及使用寿命；上世纪8 0 年代，日本、德国等国家又 2 0 0 9 年I ：海大学硕上学位论文 在大型冷轧机，H C 轧机和森吉米尔轧机上使用了铬含量为5 - - 1 0 的中铬和高铬 冷轧辊，使轧辊寿命提高1 2 倍。 1 2 1 冷轧工作辊用C r 系锻钢的发展 a 、C r 2 系列 上世纪8 0 年代以前主要钢种是2 C r 型。我国牌号为9 C r 2 M o 、9 C r 2 M o V ，其 碳含量在0 8 5 一0 9 5 ，具有较高淬硬性，但存在淬硬层脆性大，抗热冲击差、 淬透性不高( 一般在1 2 m m - 1 5 m m ) ，等弱点。为提高抗失效性，原苏联开放了低C 高S i 型冷轧工作辊用钢6 0 C r 2 S i M o V ( 0 5 7 一0 6 5 C 1 1 - 3 S i ) 。西欧传统的 C r 2 钢相对碳含量低一些，如德国的8 6 C r M o V 7 、法国的8 5 C D V 7 、比利时的8 0 C D V 7 ， 抗事故性较好些。此类材质组织中碳化物为M 3 C 型，辊身表面淬火后碳化物颗粒 数量较少，属于以高碳量强化基体为主的。这种浅淬硬层的轧辊在轧制事故时易 产牛剥落，同时在淬硬层磨损后需再次淬火。 b 、C r 3 钢 7 0 年代末期到8 0 年代，日本及其他国家制造厂陆续开发推广了C r 3 深淬硬 层冷轧工作辊，3 C r 型材质是在2 C r 材质的基础上将铬含量增加至3 左右，通 过镍、钼等元素合金化，提高了轧辊的淬透性，淬硬层可达3 0 m m 。3 C r 型材质 组织仍以M 3 C 型碳化物为主，并出现了M 7 C 3 型。辊身淬火后碳化物数量较2 C r 系列材质增加约一倍，其耐磨性较2 C r 系列材质提高约3 0 ，淬硬层较深，作 为一般轧机工作辊不需重淬，但出现轧制事故时易造成深度剥落，导致轧辊报废。 c 、C r 5 钢f 2 3 】 C r 5 冷轧辊是含铬量5 左右的新材质冷轧辊，通过化学成分的科学匹配和合 理的生产工艺，其与传统的C r 2 材质和深淬硬C r 3 材质相比，具有以下优良的技术 特性： 一、优化了碳化物的类型和分布。由于主要元素C r 含量发生了变化，提高了C r C 比，由C r 2 、 C r 3 材质以M 3 C 类型碳化物为主变为了以M 7 C 3 类型碳化物为主，碳 化物的硬度发生了变化。同时，由于多元合金化的作用，其碳化物的颗粒度更细小， 2 2 0 0 9 年上海大学硕上学位论文 集中在0 1 - 0 5 u m 之间( M C 3 材质碳化物颗粒尺寸集中在0 3 - 0 8 u m 之间) ，碳 化物面积百分比3 7 5 6 之间，且分别弥散，圆整度也很好，为提高轧辊耐磨 性和抗事故性提供了组织基础。 二、提高了耐磨性。C r 5 材质由于合金元素含量的提高，基体固溶量增加，提高了 强化效果：同时，碳化物类型发生变化，碳化物硬度提高，因而提高了轧辊的耐磨 性。试验室耐磨性试验表明：C r 5 材料的耐磨性比C r 2 材质提高了两倍，比C r 3 材质的耐磨性提高了一倍以上。 三、增加了硬层深度。轧辊淬硬层深度的获得，一方面通过合金元素的调整来实 现，另一方面，合理科学的热处理工艺是保证轧辊获得深淬硬层的必不可少的手 段。通过合理的成分设计和热处理工艺方法，国内邢机C r 5 材质冷轧辊可以获得 4 5 r a m 以上深度的淬硬层，可满足国内几乎所有轧辊工作层深度要求，冷轧辊不再 需进行二次重淬，避免了轧辊重淬带来的轧辊尺寸精度和形位精度的变化。与 C r 2 、C r 3 材质相比，C r 5 材质冷轧辊具有更深的等硬度层，为提高轧制稳定性创 造了条件【5 】。 四、断裂韧性相当。材料的断裂韧性是衡量材料裂纹扩展抗力的指标，通常随着 材料合金元素含量的提高，材料的断裂韧性值往往降低。但通过碳化物的形态和 分布、基体组织及组织均匀性的合理控制，材料的断裂韧性并未因C r 含量的增加 而明显降低。试验表明，C r 5 与C r 2 材质断裂韧性相当。 五、抗事故性提高。C r 5 材质轧辊由于基体的固溶强化效果提高了基体强度指标， 同时碳化物尺寸减小，分布更加弥散，减轻了对基体的割裂作用，轧辊抗事故性也 相应提高。有入进行了粘钢试验统计，结果表明，C r 5 冷轧辊平均每次粘钢后产 生的裂纹深度比C r 3 冷轧辊要减少3 4 2 3 。使用结果表明，C r 5 轧辊比C r 3 轧辊 的抗事故能力提高3 0 左右【6 7 】。 1 2 2 冷轧工作辊用钢中主要合金元素在钢中的作用 9 0 年代后，冷轧辊用钢突破了铬系锻钢的局限，进一步向高合金化发展， 钼、钒等合金元素的添加不仅增加了冷轧辊用钢的强度，而且提高了冷轧辊用钢 的综合性能。 a 、C r 2 0 0 9 年上海大学硕十学位论文 铬和铁形成连续固溶体，与碳形成多种碳化物，铬与碳的亲和力在形成碳化 物的诸元素中大于铁和锰而低于钨、钼等。它可以取代一部分铁而形成复合渗碳 体( F e ，C r ) 3 C ，随着铬含量的增加，先出现含铬渗碳体( F e ，C r ) 3 C ，其次是。 碳化铬( C r ，F e ) 7 C 3 ，最后出现( C r ，F e ) 2 6 C 6 ，此外，在这些碳化物的中间区 域，有两种碳化物共存的混合区域。那么，铬的复杂碳化物对于钢的性能有显著 的影响，特别是钢的耐磨性【8 A2 0 1 。 铬使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少，即使铁碳平衡相图 中的S 点及E 点向左移。在等温转变时，铬能有效地延长奥氏体转变的孕育期， 也就是减缓奥氏体分解速度，从而提高钢的淬透性。 b 、M o 钼属于缩小y 相区的元素，钼在钢中存在于固溶体相和碳化物相中。在碳化 物中，当钼的含量较低时，与铁及碳化物形成复合的渗碳体；当含量较高时，则 形成它自己的碳化物。钼在钢中的作用可以归纳为提高淬透性、提高热强性、防 止回火脆性、提高剩磁和矫顽力，提高在某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向等。 c 、N i 镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的丰要合金元素。在这面的作 用仅次于碳和氮。镍和铁以互溶的形式存在于钢中的a 相和y 相中，使之强化， 并通过细化a 相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性。但是镍含量过高会在 淬火时使基体中残余奥氏体量增加，所以用量不可太高。 d 、V 钒是强化铁索体和Y 相圈形成元素之一，它和碳、氮、氧都有极强的亲和力， 与之形成相应的极为稳定的化合物。钒和Q 铁形成连续的固溶体；但在钢中丰要 以碳化物的形态存在。它在钢中的主要作用：1 、细化钢的组织和晶粒，提高晶 粒细化温度，能有效地阻止加热时奥氏体的晶粒粗大，降低钢的过热敏感性，并 提高钢的强度和韧性。2 、当在高温溶入奥氏体时，增加钢的淬透性；相反，如 以碳化物形态存在时，却将降低钢的淬透性。3 、增加淬火钢的回火稳定性，并 产生二次硬化效应。 e 、M n 锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化 4 2 0 0 9 年上海大学硕上学位论文 物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。锰在钢中由于降低临界转变温度， 起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰扩大铁碳平 衡相图中的Y 相区；它使钢形成和稳定奥氏体组织的能力仅次于镍；它也强烈增 加钢的淬透性。但是，作为合金元素来说，锰也有它不利的一面。锰含量较高时， 有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性。冶炼浇铸和锻轧后冷却不当 时，容易使钢产生白点。 f 、S i 硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。它 提高钢中固溶体的强度和冷J j n - r 变形硬化率的作用极强，仅次于磷；但同时也在 一定程度上降低钢的韧性和塑性。硅是封闭Y 相区的元素之一，提高钢的A c 。温 度；因此含硅钢一般要求较高的淬火和退火温度。硅对钢的淬透性影响中等，但 对提高钢的回火稳定性和抗氧化性有很大的好处。 1 3 冷轧辊的主要性能要求 冷轧辊是直接参与轧制的带钢冷轧机的重要部件，其性能直接影响冷轧板带 材质量，特别是高级冷轧板的表面质量以及轧机轧制牛产效率。2 0 0 5 年，国内大 型钢铁企业冷连轧机数量已由上世纪末的8 套增加至1 6 套，加上民营等其他所有 制企业已建或拟建的轧机，连轧机总数已达到2 0 套左右。同时，单机可逆或双机 可逆冷轧机的数量也己成倍增加。这些新上轧机尤其是连轧机大多采用酸轧联机， 选择相关的等板形控制技术，可实现无头车L a J J 及自由规程轧制，具有轧制效率高、 控制技术先进、轧制板材薄、板面质量要求高等共同特点，使得轧辊的服役条件 更加恶劣，对冷轧辊的使用性能提出了更高的要求。 现代化轧机对冷轧辊的主要性能要求有以下五条【l 训： 一、纯净的冶金质量和均匀的组织，以提高轧辊材料抗疲劳强度； 二、良好的抗事故能力，降低出现轧制事故时对轧辊的损伤； 三、高硬度和高耐磨性，延长轧辊的换辊周期，提高轧制效率； 四、足够的淬硬层深度，满足轧辊工作层深度的需要而不必进行轧辊的重淬； 五、高而均匀的辊身表面硬度，保证板材的表面质量。 5 2 0 0 9 年J ：海大学硕十学位论文 1 4 冷轧辊的热处理工艺 冷轧辊制造工艺复杂、难度大、周期长，具体步骤为：电炉冶炼( 钢包精炼 和真空处理) 一铸锭( 铸造电极) - - - j ；L $ 0 电极坯料一电渣重熔一锻造一锻后正火 一球化退火一去氢退火一粗加工一探伤及检验一调质处理一半精加工一表面淬 火一冷处理一低温回火一精磨一去应力回火一精加工一检验交货。其中，对于锻 后冷轧辊的热处理而言，大致可分为三个阶段：( 1 ) 锻后热处理；( 2 ) 调质热 处理；( 3 ) 最终热处理【1 1 】。 1 4 1 冷轧辊的锻后热处理 锻后热处理工艺主要包括正火、球化退火和扩氢退火三个阶段，其工艺特点： 轧辊锻造过程中出现局部过热，造成锻件粗晶组织和较大的残余应力、组织 应力和锻造残余应力，以及氢析出过程中产生的应力综合作用所形成的白点，故 在制定锻后热处理工艺时，需要缓慢加热到8 5 0 - 8 7 0 ，以减少锻件中的残余应 力，细化晶粒，使氢在整个截面上分别均匀，降低锻件对白点的敏感性。在 接近临界温度A 1 时长时间保温，利用片状渗碳体的自发球化趋势球化，以获得 点球状珠光体和颗粒状共晶碳化物，改善切削加工性，并为随后的终处理做好组 织准备。利用氢在Q - F e 组织状态下的溶解度小，扩散速度较大，选择适宜温 度保温利于氢的析出。 1 4 2 正火工艺 轧辊在经过锻造之后，如果冷却速度不够，就容易造成渗碳体在晶界偏聚形 成了粗大的碳化物网。这种网状碳化物，会对最后轧辊的性能造成致命影响。因 此，通过正火，不但可以消除网状碳化物，还能提供细片状的珠光体为之后的球 化退火工艺带来较好的效果。理论上而言，一般正火加热温度为A c m + ( 3 0 - - - “ 5 0 “ C ) 1 2 】。 据文献【l6 】报道，国内工厂在生产中一般将正火温度定为9 5 0 。C ，因为加热温 度越高，残存的碳化物越少，当高于9 5 0 。C 时碳化物数量起变化已不明显，并且 温度过高会使晶粒急骤长大，对探伤和疲劳产生不良影响，因此将正火温度规 6 2 0 0 9 年卜海大学硕士学位论文 定在9 5 0 “ ( 2 - I - I O C 。保温时间一般视工件大小而定，但是保温时间短，奥氏体组 织不易均匀化，保温时间适宜，可使奥氏体组织均匀化，因此，保温时间一般定 为7 - 1 0 h 。 1 4 3 球化退火 大型冷轧工作辊经锻造成形后，都需要进行球化退火，其目的是获得球状珠 光体组织，降低轧辊硬度，便于切削加工，为调质做好准备。球化珠光体直接影 响着冷轧工作辊的耐磨性，冷轧辊经表面淬火后，在有效淬硬区内球状碳化物球 化越细小，数量越多，分布越细密，轧辊在轧制过程中，抗剥落性越强，耐磨性 就越高。 1 、球化退火的原理【1 3 1 ： 片状珠光体加热到h c l 以上2 0 一3 0 时，因温度不高，渗碳体溶解不充分， 片状渗碳体溶断成许多细小的碳化物质点，分布于不均匀奥氏体中，在随后缓冷 时，未溶碳化物作为非自发核心，奥氏体中的富碳区便成为碳化物晶核，长成晶 粒。在缓冷或略低于A c l 温度的等温过程中，聚集长大成一定尺寸的粒状渗碳体， 获得球状组织。因确定促使片状珠光体分解成细小碳化物质点的温度很重要，该 温度必须选定适宜，不宜过高或过低，根据实际情况，有的牛产厂家在一次球化 退火的基础上，再进行一次球化退火，从而进一步获得高质量的球状珠光体。 2 、影响球化热处理的因素【1 4 1 ： 1 ) 原始组织的影响： 锻造后的冷轧辊用钢8 6 C r M o V 7 、M C 3 、M C 5 系列的原始组织为层片状的珠光体。 加热h c l 温度以上时，珠光体中的片状碳化物开始溶解，但又未完全溶解，导致 奥氏体的成分极不均匀，在随后的冷却过程中，以未溶的细小碳化物微粒为核心， 而均匀地长大形成颗粒状的碳化物。冷轧辊用钢加热N A c l - - 一h c 3 之间温度时，未 溶解的游离碳化物被奥氏体包围，渗碳体片的两端棱角处界面的曲率小，表面的 碳原子易于迁移而使奥氏体的碳浓度增高，碳原子不易由渗碳体表面转入奥氏体 中，因而其附近奥氏体的浓度较低。这样，就造成奥氏体晶粒内碳原子的浓度差， 引起碳原子的扩散，导致尖端处碳原子的溶解，而平直处碳原子的沉积并析出渗 7 2 0 0 9 年上海大学硕十学位论文 碳体。如此不断进行最终形成球状渗碳体。经过两次等温球化的轧辊，基本上能 消除原始组织所带来的影响。 2 ) 加热温度和保温时间的影响： 加热温度和保温时间主要是通过改变奥氏体成分和状态来影响珠光体的转 变。奥氏体的成分并不一定是钢的成分。例如，当奥氏体化温度较低时钢中的残 余碳化物较多，则奥氏体中碳和合金元素的含量就会相对降低，故奥氏体化温度 的高低，可以在一定范围内影响奥氏体成分。保温时间的长短也可起一定的作用。 所以提高奥氏体化温度和延长保温时间，即相当于提高奥氏体中碳和合金元素的 含量，都可使珠光体转变的孕育期变长，转变速度降低。另一方面，加热温度越 高，保温时闾越长，奥氏体成分愈均匀，奥氏体晶粒愈粗，都会导致珠光体形核 减少，相应的使珠光体转变速度变慢。相反，则碳化物没有完全溶解或还未均匀 化，此时奥氏体中碳和合金元素的含量将低于钢的含量。未溶解的碳化物，可作 为珠光体转变的晶核；已溶解还未均匀化，则高碳区和低碳区均可以为珠光体的 转变的形核准备有利条件。所以奥氏体化温度低、时间短均将加速以后珠光体转 变【2 2 1 。 3 ) 奥氏体晶粒度的影响： 下图为珠光体转变的进程与奥氏体晶粒度的关系： 可以看出，奥氏体晶粒越细，珠光体转变越快。冷轧辊钢含碳量较高，在锻 造过程中先共析碳化物沿晶界析出易形成网状碳化物。所以球化之前的正火是非 常必要的。正火后，碳化物溶于奥氏体中，使球化退火时珠光体形核减少，降低 了珠光体的形成速度。 4 ) 等温温度的影响： 等温退火是在A c l 以下的某一温度等温，使之发生珠光体转变。由I T 图可知， 等温退火可以缩短退火时间，所得组织更均匀。从图l 可以看出，我们将轧辊加 热到8 1 0 I O * C 保温一定时间后，冷却到7 2 0 进行等温球化，等温球化有一临界 8 2 0 0 9 年j ：海大学硕士学位论文 过冷度A T o ，T o = A c l 一等温温度，中野平曾做过证明【1 5 】： 球状珠光体的成长速度G s = A A T S 片状珠光体成长速度G = B T 2 式中A 、B 为边界平均迁移率的常数项；S 碳化物的平均粒间距：T 一过冷度。 奥氏体向珠光体转变时，可能生长成球状也可能牛长成片状，只有当G B G A 时， 才能生长成球状，即A A T S B T 2 。 T 1 0 2 1 “ C s ，并可据 此预测旨在确保抑制网状碳化物形成的工件从正火加热温度冷却至A r l 点所允 许的最长时间。 5 、通过实验验证了结合模拟结果对大截面工件内部组织预测工作的可行性，为 现场应用奠定了基础。 2 0 0 9 年上海大学硕十学位论文 第五章球化退火的研究 球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢，其主要目的在于降低硬度， 改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。球化退火工艺方法很多，最常用的两 种工艺是普通球化退火和等温球化退火，本实验采用等温球化退火。等温球化退 火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于A r l 的温度进行 等温，等温时间为其加热保温时间的1 5 倍，等温后随炉冷至5 0 0 左右出炉空 冷。和普通球化退火相比，等温球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均 匀，并能严格地控制退火后的硬度瞄0 1 。 对同范 图5 1 等温球化退火上艺图 辊坯材质是影响冷轧工作辊使用寿命的重要因素之一。退火处理的目的是为 中间调质处理和最后的表面淬火作好组织准备。M C 5 钢作为过共析的合金工具 钢，钢锭开坯锻造后所获得的组织将是珠光体+ 网状碳化物，只采用不完全退火 或高温回火是无法得到呈颗粒状形态和均匀分布的碳化物，这就削弱了冷轧工作 辊的抗剥落和抗断裂性能 3 1 、3 2 1 ，同时对于后面的表面淬火也增加了开裂的危险 性【3 。因此，为改变碳化物的形态和分布，对轧辊毛坯采用了等温球化退火， 使之获得在铁素体基体上均匀分布的颗粒状碳化物即球状珠光体组织【3 叉3 4 。 5 1 还原片状珠光体 片状碳化物在加热过程中的破碎分断及粒化与原始组织有密切关系。原始组 5 9 2 0 0 9 4 海火 学位论i 织中片状碳化物愈细薄，丰爿界而税愈人，片状碳化物破断的驱动力愈大；旧时， 断开后尖角部何的曲率半径愈小，尖角同钝化得愈f J ，有利于获得更人弥散度的 碳化物质点，从m 提高球化率，文献【6 ”给出T 1 0 钢分别绛砂冷、空冷和喷水冷 的方式冷却，再进行相同的球化退火热处坪J = 艺，所得结果为喷水冷的方式拎却 歌得极细片状珠光体的原始组织球化率最高p ”。由于来荆己是成品轧辊，其纠 织并1 ：符台研究的需耍，因此在进行球化退火之前必须先对其进行组织还原，将 其恢复到原始片层状珠光体状态。 考虑到现实牛产中轧辊尺寸较大，J 下火冷却时其内外冷速差异较大，从而造 成组织上的差异，理论上分析会表现为珠光体闺尺寸的不同和片问距的粗细| 6 “。 l 扎比，在对球化退火工艺的研究中，需考虑原始组织这影响冈素。 根据文献的研究结果珠光伴转变的区域人敛在7 8 0 。C 一5 0 0 。C 之间p 5 I ，在珠 光体转变区内，转变温度越低，形成的渗碳体片层问距越薄，所形成的珠光体品 粒越细小，以此使试样在小刊温度等温转变来模拟因冷速I f u 造成的原始组织筹 异。因此，将状组织还原热处理工艺定为：将尺寸为1 5 n g n l5 m m 15 m m 原始 试样加热到9 8 0 保温1 h ，然后分别在7 0 0 干7 5 0 “ C 等温4 h ，进行组双还原。 所得组织的金相图片如下： 豳飘 倒527 0 0 粜濉4 h ( x 1 0 0 0 ) 州5 - 37 5 0 保温4 h ( 1 0 0 0 ) 观察以上金相罔片发现，7 保温与7 5 0 保温所得珠光体组织差异较小， 均未出规粗片状的珠光体，可见等温实验选取温度已较高l 町仍未得到较粗的片状 珠光体，对于该现致认为可能足由于C r 5 钢巾合金禽量和碳含量都很高的缘故， 并与文献叫1 所指出的研究结果一致。 基于陵实验结果，认为在之后的球化工艺研究巾，原始组织这一凶索暂时可i r 考虑。均采片j9 8 0 “ C 保温l 小时后7 0 0 等温4 h 的上艺还原组织。 2 0 0 9 年上海大学硕士学位论文 5 2 球化退火工艺对于组织的影响 球化退火工艺得到的球状珠光体直接影响着冷轧工作辊的耐磨性，冷轧辊经 过表面淬火后，在有效的淬硬区内若球状碳化物球化越细小，数量越多，分布越 细密，贝, J S L 辊在轧制过程中，抗剥落性越强，耐磨性就越好。 一般意义上的球化退火是指让钢中碳化物球化而进行的退火工艺。理论上， 等温球化退火工艺的制定主要是将钢加热到A c l 以上2 0 “ - - 3 0 ，保温一段时间， 然后冷却至略低于A r l 温度，并在此温度保温一定时间确保奥氏体全部分解，并 得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织【3 7 1 。 在木节中，主要对加热温度及保时间，等温温度及等温时间等因素对球化效 果产牛的影响进行具体讨论和研究。考虑到为能使本文C r 5 钢的研究结果对该材 质的主要产品冷轧辊的实际生产起到指导作用，在研究球化退火时，需考虑冷轧 辊产品尺寸较大这一实际因素，工件烧透所需时间较长，因此通过延长各阶段的 加热及保温时间，在理论上讨论碳化物的球化及粗化过程的同时，从实际角度出 发也观察了大尺寸轧辊在球化退火处理后，其心部及表面组织的差异。 5 2 1 加热温度及时间对于球化组织的影响 研究表明，加快碳化物球化速度，应从两个方面入手：1 ) 加热奥氏体化时， 除尽可能保留多的未溶c e m 颗粒；2 ) 获得碳浓度不均匀性最大的奥氏体。文献 p 8 】在论述A ( Y ) 一P 。转变时指出：在充分奥氏体化的钢中珠光体一般在晶界形核， 而这种核心只能向晶内生长，得到的是层片状珠光体。可见，奥氏体化温度越高， 保温时间越长，奥氏体成分越均匀，则越不容易获得球状珠光体【3 9 1 。 图5 4 为层片状球光体( P L ) 、粒状珠光体( P s ) 及奥氏体( Y ) 的自由焓( G ) 与 温度( T ) 的关系。已知G p s G P L ，Y 为高温稳定相，G P 。= 研的温度为A c l ( P L Y ) ； G P 。= 研的温度为A c l ( P s Y ) 。由图5 4 可见在连续加热奥氏体化时，P Y 转 变是在A c l 以上一个温度区间内的升温过程中完成的，因此存在转变的开始温度 A c l s ( P Y ) 和终了温度A c l f 。传统球化退火的加热温度现有的所有资料都指 出应选在略高于A c l ，也有的具体给出A c l + ( 2 0 - - - 3 0 ) ，此A c l 是指A c l s 还是 A c l f ，令人费解 4 1 4 3 1 。 6 1 2 0 0 9 年j ：海大学硕十学位论文 。 察 丑 0 丁 图5 4P 。、P s 及y 的自由焓( G ) 与温度( T ) 关系的示意图 又如图5 - 5 所示为T I O 钢连续加热奥氏体化的T T A 曲线( a ) 及奥氏体内碳浓 度的变化( b ) 。图5 - 5 ( a ) 中T I O 钢的加热分成四个阶段( 加热速度选定为1 0 s ) ：( 1 ) A c l s 线上点1 ，P 。一Y 转变；( 2 ) A c l f 线上点2 ，铁素体Q 消失；( 3 ) A c m 线上点3 ，碳化物c e m 完全溶解；( 4 ) a b 虚线上的点4 ，奥氏体Y 均匀化。加热过 程中奥氏体内碳浓度会产牛相应的变化，如图5 - 5 ( b ) 所示。不均匀Y 内的最低 和最高碳浓度分别为C m i n 和C m a x ，而y 的平均碳浓度以虚线表示。从图中可见， Q 消失时( A c l f 线上点2 ) Y 内碳浓度不均匀性( C m a x C m i n ) 最大，而且此时Y 处 于初始晶粒状态，晶内未溶碳化物质点数量较多。因此，该研究【3 9 认为球化退火 加热温度及保温时间以A c l f 温度透烧为宜，继续升高温度或延长时间，将降低 碳浓度梯度，减少残余碳化物数量，对球化不利。 6 2 2 0 0 9 年l ：海大学硕十学位论文 p 蜊 翘 栅热堰褒r S o I l f t t I 均匀 、 1 、I 、 、t 因C h L _ 、 、 I SX 4 r 、 、 ? 。， 。f “： 、 f 芯汰q 、百 “&