（材料学专业论文）高性能轧辊用高铬钢的热处理工艺优化及组织性能研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 现代轧钢行业的发展日新月异，研制出高性能高使用寿命的新型轧辊是我国 轧辊行业面临的新课题。高铬钢轧辊具有优良的抗热裂性能和高耐磨性能，其 使用寿命和轧制质量迅速提高，已逐步取代半钢轧辊、高铬铸铁轧辊，成为热 轧机粗轧及中厚板粗轧工作辊的主要轧辊品种。 本文设计并制备了3 种不同c r c 比的复合轧辊用高铬钢，通过金相法、x 射线衍射、扫描电子显微镜观察、能谱分析以及硬度测试等手段，系统研究了 c r c 、粒化处理以及最终热处理( 淬火+ 回火) 工艺对高铬钢显微组织与性能的 影响，并探讨了粒化处理与最终热处理复合作用机理。 轧辊用高铬钢铸态组织一般为奥氏体和网状原始共晶碳化物，或奥氏体+ 珠 光体+ 原始碳化物。随着c r c 的降低，碳含量增加，共晶碳化物含量增加，网 状结构连续性增强。粒化处理是粒化共晶碳化物，改善高铬钢显微组织的有效 手段。经粒化处理后，高铬钢的显微组织中碳化物明显溶解，大部分粗大的网 状结构已经消失，碳化物呈不连续的短棒状或者是颗粒状；基体在经粒化处理 后转变为均匀的黑色球状珠光体组织。粒化处理后再进行最终热处理，得到的 组织为均匀的马氏体基体上分布着少量的未溶原始碳化物和大量弥散析出的二 次碳化物。 在本文设计的c r c 范围内，随着c r c 的增大，高铬钢的硬度下降，冲击韧 性升高。相对于铸态，其他三种热处理态，即粒化态、最终热处理态以及粒化+ 最终热处理态高铬钢的硬度都有明显提高。相对未粒化处理的最终热处理态高 铬钢，经过粒化处理的最终热处理态高铬钢冲击韧性有明显提高。高铬钢在 1 0 5 0 c 左右淬火能够得到较好的性能。回火温度在4 5 0 1 2 时，试样的硬度和冲击 韧性均达到峰值。实验结果也表明，粒化和最终热处理双重作用能够有效改善 高铬钢显微组织，获得较为优异的综合力学性能。 关键词：高铬钢；c r c 比；粒化处理；热处理；显微组织；力学性能 武汉理丁大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e ms t e e lr o l l i n gi n d n s t r y , e x p l o i t a t i o no f n e wk i n d s o fr o l l sw i t ht h eh i 曲p e r f o r m a n c ea n dh i g hs e r v i c el i f eb e c o m e san e w q u e s t i o nf o r t h er o l lw o r k e r si no u rc o l i n t r y s i n c et h ee x c e l l e n ts p a l l i n gr e s i s t a n c ea n dh i g h w e a r i n gr e s i s t a n c eo fh i g hc h r o m i u ms t e e lr o l l ，t h er o l l ss e r v i c el i f ei n c r e a s e da n d q u a l i t yo fr o l l i n gi m p r o v e de f f e c t i v e l y t h eh a l fs t e e lr o l la n dh i g l lc h r o m i u mc a s t i r o nr o l l sh a v eb e e nr e p l a c e db yt h i sh i 曲c h r o m i u ms t e e lr o l lw h i c hu s e da st h e m a j o rr o u g hm i l lw o r k i n g - r o l lf o rt h eh o tm i l l i n gr o l la n dm e d i u mp l a t em i l l t h i st h e s i sd e s i g n sa n dp r e p a r e st h r e ek i n d so fh i 曲s p e e ds t e e lw i t hd i f f e r e n t c r cr a t i o t h ee f f e c to fc r c ，g r a n u l a t i n ga n df i n a lh e a tt r e a t m e n t ( q u e n c h i n ga n d t e m p e r i n g ) p r o c e s so nm i c r o s t r u e t u r ea n dp r o p e r t i e so fh i g l lc h r o m i u ms t e e lw a t e s t u d i e db yt h ew a yo fo p t i c a lm i c r o s c o p e ，x r d ，s e m ，e d sa n dh a r d n e s s m e a s u r e m e n ta n ds oo n t h em e c h a n i s mo fm u l t i p l ef u n c t i o n so fg r a n u l a t i n ga n d f i n a lh e a tt r e a t m e n ta l s oh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h ea s - c a s tm i e r o s t r u c t u r eo fh i 【曲c h r o m i u ms t e e lc o n s i s to fa u s t e n i t em a t r i x a n do r i g i n a ln e t w o r kc a r b i d e s ，o ri sc o m p o s e do fa n s t e n i t ea n dp e a r l i t em a t r i xa n d o r i g i n a lc a r b i d e w i t ht h er e d u c i n go fc r ca n di n c r e a s i n go fc a r b o nc o n t e n t , t h e c o n t e n to fe u t e c t i cc a r b i d e si n c r e a s e da n dc o n t i n u i t yo fn e t w o r kc a r b i d e sh a sb e e n e n h a n c e d g r a n u l a t i o ni sa ne f f i c i e n tm e a nt og r a n u l a t ec a r b i d e sa n di m p r o v et h e m i c r o s t r u c t u r eo f h i g hc h r o m i u ms t e e l a f t e rg r a n u l a t i n g , t h ec m b i d e s w e r ed i s s o l v e d i ne v i d e n c e , t h em o s tn e t w o r k si nt h em i e r o s t r u c t u r eo fh i g hc h r o m i u ms t e e lh a v e b e e ne l i m i n a t e d , a n dm o s tc a r b i d e ss h o wc l u b - s h a p e do rg r a n u l a rs h a p e t h em a t r i x h a sb e e nt r a n s f o r m e di n t oe v e ns p h e r i c a lp e a r l i t ea f t e rg r a n u l a t i o np r o c e s s a f t e r g r a n u l a t i n ga n d f i n a lh e a t t r e a t m e n t ，t h em i c r o s t r u c t u r ew a sm a d eo fb yt h e w e l l - p r o p o r t i o n e dm a r t e n s i t em a t r i x ，r e m m m n go r i g i n a lc a r b i d e sa n ds e c o n d a r y c a r b i d e st h a td i s t r i b u t i n gd i s p e r s e d l yi nt h em a t r i x w i t h i nt h ed e s i g n e dc r cr a n g e , t h eh a r d n e s so fl l i 曲c h r o m i u ms t e e ld e c l i n e w h i l et h ei m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e sw i t l lt h er i s i n go fc r c c o m p a r e dt oa s - e a s t n 武汉理r 大学硕士学位论文 l l i g hc h r o m i u ms t e e l t h eh a r d n e s so ft h o s ea ta n yo t h e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n ss u c ha s g r a n u l a t i n g , f i n a lh e a tt r e a t m e n t ，g r a n u l a t i n g & f i n a lh e a tt r e a t m e n th a s b e e ni m p r o v e d d i s t i n c t l y t h ei m p a c tt o u g h n e s so f h i g hc h r o m i u ms t e e la f t e rf i n a lh e a tt r e a t m e n th a s b e e np r o m o t e dr e m a r k a b l yt h r o u g ht h eg r a n u l a t i o np r o c e s s g o o dp e r f o r m a n c eo f 1 1 i g hc h r o m i u ms t e e lw i l lb eo b t a i n e da f t e rq u e n c h i n ga t1 0 5 0 【2 a n ds oi ti sa f t e r t e m p e r i n ga t4 5 0 ( 3 t h em u l t i p l ef u n c t i o no f g r a n u l a t i n ga n df i n a lh e a tt r e a t m e n ta l s o h a sb e e np r o v e dt ob ee f f i c i e n tt oi m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r eo f h i g hc h r o m i u ms t e e l w h i c ha c c o r d i n g l yh a st h eb e s ti n t e g r a t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：h i g hc h r o m i u ms t e e l ；c r cr a t i o ；g r a n u l a t i o n ；h e a tt r e a t m e n t ； m i e r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 1 1 1 独创性声明 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及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：州 关于论文使用授权说明 日期：垒z ：二夕日期：垒z ! 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名：尘! 丛，导师签名：辱础丛，日期：12 ：生2 武汉理【大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 现代轧钢行业的发展闩新月异，自1 9 9 8 年以来，我国钢材年产量都超过了 亿吨大关，成为世界产钢第一大国。轧材产品的品种和数量迅速增加，从而导 致轧辊耗量剧增，以2 0 0 4 年为例，我国共生产钢材2 7 亿吨，约占全球钢产量 的l 4 ，我国轧辊消耗为2 6 k g t 钢，年消耗轧辊近7 0 万吨，年消耗轧辊资金7 0 亿元以上。轧钢技术的迅速发展，使得轧机速度和自动化程度不断提高，热轧 薄板和高强钢板量的增加，轧制条件变得更加复杂苛刻。这些条件要求轧辊具 有高硬度、高韧性、优良的耐磨性和低表面粗糙度【l ，2 1 。而目前，我国轧辊的生 产、研究与使用水平，与发达国家相比，仍有相当大的差距。例如，我国自行 研制的冶金轧辊轧制钢材平均消耗轧辊2 4 6 k g t ，而发达国家仅为l k 趴。国内几 大钢铁公司轧钢厂陆续进行改造，引入先进的轧制生产线，但国内轧辊厂却不 能生产高性能的配套轧辊，只能花巨资进口国外轧辊。仅以宝钢为例，2 0 0 0 年 宝钢用于轧辊的采购资金超过2 亿元。目前宝钢采购轧辊的资金，用于国内的 只占3 成，国外的占7 成【3 】，这反映出我国轧辊制造技术的水平还很落后。低 质量的轧辊不仅降低了轧制质量，还提高了轧钢生产成本，如果考虑因轧辊消 耗而带来的生产停机、降产和设备维护增加等因素，则其所占生产成本的比重 会更高。因此，如何提高轧辊的性能和使用寿命，制备出性能优良的新型轧辊 以适应轧钢企业飞速发展需要，成为我国轧辊行业面临的新课题。 从上世纪8 0 年代至今，热带连轧机粗轧工作辊材质变化经历了由整体铸造 半钢到离心球芯复合高铬铸铁、再到离心球芯复合高铬铸钢( 或离心复合半高速 钢1 的过程。目前高铬铸钢球芯离心复合轧辊在热带连轧机租轧机架已得到广泛 应用【4 1 。这种高铬铸钢球芯复合轧辊，采用离心铸造而成，芯部为高强度合金球 墨铸铁，其外层材料是高铬钢，通常是用于制作承受高负荷，形状复杂，同时 要求变形小，耐磨性高，红硬性好的模具材料【5 1 。成分一般为0 7 一1 4 ( 质量 分数，下同) 的c 、8 一1 4 的c r ，以及较高含量的m o 、n i 、v 等合金元素的高 铬铸钢材料。由于为高碳钢范围，因此其仍保留了钢系自身的特点，具有较好 武汉理【大学硕士学位论文 的抗咬入性能和抗事故能力。作为粗轧机轧辊工作层，具有高的热疲劳特性， 良好的耐磨性和较好的防事故性打滑的优点。另外由于大量的c r 、m o 等合金元 素的作用，外层组织中的碳化物形态已不是传统的m 3 c 型碳化物类型，而是形 成了具有较高显微硬度和耐磨性的孤立块状分布的m 7 c 3 型和m 2 c 型碳化物。 特殊的热处理使其具有了良好的高温综合力学性能。在热带连轧机粗轧使用时， 成功解决了半钢材质耐磨性、抗热裂性、抗压痕能力等方面的不足；与高铬铸 铁轧辊相比，组织更加均匀稳定，在不损失耐磨性的前提下，其抗事故能力、 抗热冲击性能大大提高，使用过程中辊面氧化膜的生成更加致密稳定1 6 】。而球墨 铸铁因为其具有较高的抗拉强度和弹性模量，它能适应高铬钢复合铸造轧辊在 热处理过程中轧辊要经受高温和较高的淬火应力的需要，因而被选中作为复合 轧辊芯部材料。 高铬钢轧辊虽然在热带钢粗轧机上的应用日益广泛，但是由于高铬铸钢轧 辊外层材质成分容易偏析，导热性差，弹性模量较大，对辊面温度的骤然升降 比较敏感等一些缺陷的影响，导致在使用过程出现失效。所以本文对高铬钢轧 辊材质显微组织及力学性能进行研究，着重解决其中的一些关键问题，以求对 高铬钢轧辊的研究和应用提供相关参考。 1 2 高铬钢轧辊研究进展 高铬铸造轧辊( 高铬铁和高铬钢铸造轧辊) 的采用，是最近4 0 年继采用复合 铸造的高合金无限冷硬铸铁轧辊和半钢轧辊之后轧辊制造技术的一大革新。新 材质高铬钢复合铸造轧辊正在取代超高碳的铸钢轧辊、针状球墨铸铁轧辊及复 合浇注的无限冷硬铸铁轧辊。 在热带钢粗轧机上，过去用半钢工作辊，随着轧辊材质的发展，曾试用过 精轧前段高铬铸铁轧辊。虽然高铬铸铁轧辊具有良好的抗磨性能，但应用于粗 轧机中尚表现出一定的不足，7 0 年代中后期法国率先研制成功高铬钢复合球墨 铸铁轧辊，应用于热带钢连轧机粗轧机架，与高铬铸铁相比c ，c r 含量相对较 低，分别为0 7 - - 1 4 ，8 - - 1 4 ，因而碳化物含量较少约扣7 ，类型亦以c r 7 c 3 为主，但碳化物形态和分布有很大不同，大块状和网状碳化物减少，使其具有 更高的导热性，抗热裂性、咬入性。解决了高铬铸铁轧辊的不良特性，收到较 好效果。8 0 年代初，立式离心设备的逐渐大型化使这种材料的推广应用成为可 2 武汉理t = 大学硕士学位论文 能。同时这种材料由于其表面粗糙，可防止事故性打滑，其高硬度可获得较好 的耐磨性能，一般的交货硬度为h s d 7 3 8 3 ，所以在欧洲、日本高铬钢轧辊在热 带钢粗轧机上得到了迅速的推广并取得了成功。而在北美，9 0 年代初，其9 5 以上的轧钢厂使用了高铬钢轧辊。已经取得明显效果的少数轧钢厂，改用高铬 钢轧辊后又增加了效益，这神情况不但出现在连续和半连续式轧机上，四辊和 二辊粗轧机也有同样的效果【7 l 。 新型高铬钢轧辊用于热带轧机粗轧工作辊后，由于用钒和镅合金化的高铬 钢会产生二次硬化，提高硬度，这为高铬钢轧辊应用于冷轧辊创造了硬度条件， 所以在继带钢热轧机粗轧工作辊使用高铬钢轧辊之后，这种新材质又用于冷轧 机工作辊。根据1 9 8 1 年资料报道，通过试验室几年的不断研究，新材料高铬钢 在法国s o l l a c 公司的冷轧机上得到了应用【8 1 。而在日本，高铬钢轧辊作为冷 轧辊已经有二十年之久p j 。 在国内，1 9 8 5 年冶金部钢铁研究总院率先研制出一种高铬轧辊钢及离心铸 造复合轧辊，这种高铬钢材质在成分上除含有高碳高铬外，还含有一定量的m o 、 w 、n i 、c o 、n b 、v 、n 等元素，使钢具有较高的淬透性、抗回火脆性。用这 种钢制造的离心复合轧辊适用于热带钢精扎前段机座工作辊和带钢冷轧机工作 辊【1 0 1 。2 0 年以来，高铬钢轧辊由于具有优良的抗热裂性能和高耐磨性能，在热 连轧粗轧使用时，比较成功的解决了传统轧辊易出现的热疲劳裂纹严重、压痕、 磨损严重、掉块等问题，因此在热轧机粗轧机架推广速度非常快，己逐步取代 半钢轧辊、高铬铸铁轧辊，成为热轧机粗轧及中厚板粗轧工作辊的主要轧辊品 种。日前国内宝钢2 0 5 0 ，1 5 8 0 热轧、武钢2 2 5 0 ，1 7 0 0 热轧、鞍钢1 7 8 0 ，1 7 0 0 轧机、攀钢1 4 5 0 、邯钢连铸连轧等租轧机架均使用高铬钢粗轧工作辊。并且越 来越多的国内轧钢厂热轧粗轧机架拟采用这种材质轧辊【l “。 我国7 0 年代末8 0 年代初开发研制成功离心铸造复合轧辊、半钢轧辊、石 墨钢轧辊、深淬硬层锻钢冷轧辊、高铬铸铁轧辊，这些轧辊的成功研制缩小了 与发达国家在轧辊技术方面的差距。但近一二十年来，我国轧辊制造技术进展 十分缓慢，不仅新的轧辊制造方法很少引进或研制成功。而且轧辊材质的研究 与应用方面进展也十分缓慢。据资料介绍，我国与国外轧辊行业的差距已扩大 到2 0 年【1 2 】，造成这种局面的主要原因，一方面是对轧辊厂投入少，生产设备没 有及时更新，生产设备单一、落后；另一方面是技术落后，对轧辊的基本理论 研究不够深入、全面。轧辊制造技术涉及冶金、材料、机械、自动控制等多门 武汉理工大学硕士学位论文 学科，因此，应该实现几大钢铁公司轧辊制造厂与各科研院所联合攻关，即产 学研结合，以改变国内制造技术进展缓慢的现状，这需要我国轧辊行业的工作 者努力奋进，在竞争中求生存，努力赶超世界先进水平。 高铬钢轧辊作为热轧机粗轧机架工作辊己成为一种趋势。虽然在国外，高 铬钢复合轧辊的生产和应用已经得到了普及和推广，但是在国内，这种轧辊的 全面应用还存在一定困难，主要是受到制造工艺水平的限制，轧辊工作层偏析 严重，组织热裂性倾向无法控制，此外辊芯的完整性和结合层的质量也无法得 到保证。如何开发出更好的高铬钢复合轧辊，改善制备工艺，开发先进的轧辊 生产设备是国内轧辊工作者需要解决的重要课题。 1 3 高铬钢轧辊的制备方法 为了满足越来越高的耐磨性和强韧性等综合性能要求，复合轧辊的研究和 应用也越来越引起国内外轧辊研究和制造部门的重视，目前生产高铬钢轧辊常 用的轧辊复合制造工艺有：离心铸造法( c f ) ；喷射沉积成形法( o s p r e y ) ；连续 浇注外层成形法( c p c ) ；还有一些其他的生产方法如电渣重熔法( e s r ) ；热等静 压法( h i p ) ；液态金属电渣熔接法( e s s l m ) ；机械组合法等。这些轧辊制造工艺 也在不断应用于高铬钢和高速钢复合轧辊的试制和生产中。 1 3 1 离心铸造法 用离心铸造方法生产轧辊的研究始于2 0 世纪3 0 年代。将这种方法用于轧辊 工业生产的尝试则是2 0 世纪6 0 年代初在欧洲和日本同时进行的。1 9 6 8 年第3 5 届 世界铸造会议上，日木久保田厂第一次宣布成功研制出卧式离心铸造热带轧机 0 6 5 0m m x l 4 0 0 m m 精轧后段合金无限冷硬铸铁轧辊。进入2 0 世纪7 0 年代，世界 各国先后掌握了轧辊离心铸造工艺。太钢轧辊厂和钢铁研究总院于1 9 7 4 年在国 内率先开始离心复合冶金轧辊的研究，1 9 8 0 年通过鉴定。自此以来，国内众多 单位开展了离心铸造轧辊的研究，获得了满意的效果。国产离心复合轧辊在武 钢、宝钢等地取代了部分进口轧辊并有部分轧辊出1 3 t ”l 。 采用离心浇注方法生产高铬钢复合铸造轧辊，其外层为高铬钢，芯部为球 墨铸铁。具有很宽凝固范围的外层高铬钢水在旋转的冷型模产生巨大离心力下 4 武汉理1 二大学硕士学位论文 快速凝固如图1 1 所示。其铸造组织由原始碳化物、珠光体和奥氏体组成。 图1 - 1 离心铸造法铸型 f i g 1 1m o u l do f c fc a s t i n gm e t h o d 综合比较，利用离心浇注方法生产高铬钢复合铸造轧辊主要有以下特点： ( 1 ) 节约大量合金材料。由于选用球墨铸铁作为芯部材料，因此用离心铸造 法生产复合轧辊可节省大量合金材料降低轧辊生产成本； ( 2 ) 轧辊表面质量明显改善。离心铸造生产复合轧辊，外层厚度容易控制， 金属液用量少，凝固速度快，加之离心力的作用，外层在动态下凝固，气体和 非金属夹杂物也易于从液态金属中排出。因此离心铸造复合轧辊外层组织细小、 致密、铸造缺陷少力学性能好； ( 3 ) 轧辊使用效果显著改善。与冲洗复合轧辊相比，离心复合轧辊具有硬度 均匀，径向硬度落差小等特点，因此使用寿命明显提高。离心复合辊比冲洗复 合辊轧钢量增加4 3 ，使用次数增加4 0 。 虽然国内外多数轧辊已由整体轧辊改为复合轧辊，离心复合法已广泛用于 高合金复合轧辊的制造1 1 4 1 。但是采用离心浇注法生产复合轧辊也存在。些问题。 其一，复合层易产生夹杂、气孔和裂纹等铸造缺陷，使复合轧辊结合强度降低； 武汉理1 = 大学硕士学位论文 其二，为了充分发挥高合金钢轧辊的耐磨性，轧辊通常需要进行高温热处理。 高温热处理时辊芯强度明显降低。为满足轧机的要求，通常用加大辊芯直径的 办法来消除辊芯强度下降对轧辊的影响【”】。这样既增加t t l 辊重量和轧辊生产 成本，还增加t t l 钢时的动力消耗。特别是用离心铸造法生产高铬钢轧辊时还 遇到了以下几个主要问题： ( 1 ) 高铬钢中含有c r 、m o 和v 等合金元素，它们及其形成的碳化物密度差很 大，在离心力作用下容易产生偏析，使组织和成分不均匀。 ( 2 ) 高铬钢导热性差、线收缩量大，有效结晶温度区间宽，膨胀系数大，铸 造应力大，而且铸造组织中易产生缩孔和疏松，降低轧辊的强度和韧性，促进 裂纹的形成和扩展。 ( 3 ) 高铬钢离心铸造复合轧辊芯部材料是有石墨析出的球墨铸铁。当外层材 料为高铬钢时，由于含有大量促进白口倾向的元素，因而使外层与芯部结合部 位石墨化恶化，再加上碳化物的偏析，使结合层变脆，造成复合辊外层剥落。 1 3 2 喷射沉积成形法 喷射沉积成形技术是在粉末冶金惰性气体雾化制粉的基础上发展起来的一 种近终成形技术。它是充分利用已精炼的液态金属经雾化成液滴射流，使半凝 固的颗粒在底衬上沉积。这一技术是熔融金属制成半成品的先进工艺。获得的 半成品特征主要有：没有宏观偏析；各向同性而且组织均匀弥散；初始 晶粒弥散析出；含氧量低；热加工性能得到改善。 喷射成形工艺可以使雾化金属快速冷却至凝固温度。熔融金属从喷雾头浇 入并从下流口变成细小的液滴。喷雾器将注入的气体加速以产生振动波，从而 产生雾状的金属液滴，并将金属液滴沉积在收集表面。熔融金属的凝固发生在 两个阶段：第一是在飞行中的热对流；第二是碰到收集表面后的热传导。该工 艺的关键是在整个喷射成形中控制己沉积表面的形状，它将决定沉积质量。而 沉积质量又受金属液滴的大小和它们在碰撞之前冷却温度的影响。主要工艺参 数包括：熔化温度；金属从喷雾器流出的速度；雾化气体的压力；喷 射高度。有两种极限沉积状态：颗粒沉淀和非颗粒沉淀。在颗粒沉淀模式下，碰 撞之前液滴已凝固，这样的沉淀是分层的、有方向性且不均匀的，应尽量避免。 非颗粒沉淀产生与颗粒沉积不同的结构。喷雾器是可控制的，能使颗粒在与沉 6 武汉理工大学硕士学位论文 积表面相碰撞时处于半固态。液态部分在沉积表面形成“糊状带”，固态颗粒在 碰撞时分开并粘在“糊状带”表面上。很高的形核速率使沉积层具有致密的、 无偏析的显微结构，与传统铸造工艺生产的轧辊相比具有更细的晶粒尺寸。喷 射成形工艺如图1 2 所示。 喷射成形工艺的不足之处是轧辊组织不够致密，存在孔洞，由于生产成本 较高，工艺复杂，不利于复合轧辊的大批量生产。 囊 赢 妇 人 图1 - 2 喷射成形工艺示意图 f i g 1 2t h es k e t c ho f o s p r e yp r o c e s s 日本住友重工最早实现了喷射成形轧辊的商业化生产【1 6 1 。从1 9 9 1 年开始， 住友重工已向工厂提供2 0 0 0 多个型钢和线材轧辊，最大尺寸为外径8 0 0 m m ，长 5 0 0 m m 。据其研究结果，喷射成形轧辊的寿命可以提高1 6 - - 3 倍。如果采用新合 金的话，轧辊的寿命将是传统铸造轧辊的3 乒1 0 0 倍。轧辊寿命大幅度提高的主 要原因是在形成微细组织的同时，碳化物的种类、形状、尺寸及均一性都有显 著的改善。 英国在这项技术方面做过大量试验【17 埽1 。研究结果认为，喷射成形复合轧 7 武汉理工大学硕士学位论文 辊在轧机运转中是坚固、耐用的。它们研制的喷射成形热轧和冷轧窄带用复合 轧辊正在进行现场试验。 这项制造技术在我国有着十分现实的意义，我国冶金行业的轧辊消耗量相 当大，每年需求量在数十万吨以上。国内的轧辊生产处于普通轧辊供大于求， 而高档次的轧辊却严重不足的状况。尤其是国内现有的装备还很难生产像高速 钢、高铬钢之类的高档次优质轧辊。因而，开发这种制造轧辊的新技术和相应 的新装备成为十分必要和非常迫切的课题。 1 3 3 连续浇注外层成形法 连续浇注外层成形法的原理是用一支锻造的钢芯轴，芯轴表面涂助熔剂，用 感应线圈对芯轴表面进行预热，熔化的工作层金属浇入芯轴和带感应线圈的中 间包之间，感应线圈加热熔融金属，控制温度使之与芯轴形成结合。为形成结合 层，少量芯轴材料会被熔化，必须严格控制熔化金属量，以免污染工作层材质。 结合层的形成影响着芯轴的下降速度，也就决定了c p c 法的生产效率较低。但 c p c 方法具有节能和轧辊性能好等特点，既可制造新轧辊，也可修复旧轧辊，还 可生产多种截面形状的轧辊f 1 9 1 。c p c 装置的总体示意图如图1 3 所示。 1 3 4 其他方法 除以上几种常用的复合轧辊制造方法外，还有一些其他的生产方法也在应 用之中，有些还是目前的研究重点。 ( 1 ) 电渣重熔法。电渣重熔法是在作为芯部材料的圆柱状高强度合金钢周围 放置同心水冷铸模，并在锻钢和铸模之间放置有外层高合金钢制成的自耗电极， 自耗电极熔化后作为外层材料连续填充此空间。可以通过采用不同的自耗电极 制成具有梯度分布的结合界而以改善界而特性。该法的最大缺点是成本较高且 难以制造较大的轧辊。 ( 2 ) 热等静压法。热等静压法通常和粉末冶金方法一起应用。这种方法是用 一根锻造钢轴，将一个钢质容器焊在这根钢轴上，容器内装满金属粉末以制造 轧辊工作层，然后在高温高压下进行热等静压，形成非常好的结合层。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3c p c 装置的总体示意图 f i g 1 - 3t h ew h o l es k e t c ho f c p ci n s t a l l a t i o n ( 3 ) 机械组合法。采用组合轧辊取代铸造复合轧辊是解决断辊的有效措施， 通过键槽让辊套和辊轴配合，以保证轧钢所需要承受的巨大的扭矩。 1 4 高铬钢轧辊特点 现在普遍采用的高铬钢轧辊主要是一种复合铸造轧辊。它由外层为高铬钢， 芯部为球墨铸铁化学成分见表1 1 。 表1 1 高铬钢轧辊化学成分 l 成分w t c s im nn i c rm o 外层 o 7 0 1 4 00 7 0 _ 1 5 0 o 2 0 o 8 00 3 0 1 2 08 0 0 - 1 4 0 00 7 0 1 8 0 芯部2 5 0 3 5 02 2 0 一3 5 0o 2 0 0 7 0o 3 0 1 5 0o 1 0 0 6 0 残余 9 武汉理工大学硕士学位论文 高铬钢轧辊具有以下特点： ( 1 ) 较好的淬硬深度。有效使用直径可增大n 1 0 0 m m 以上。轧辊外层径向 硬度稳定在h v 7 6 0 - - 7 8 0 。 ( 2 ) 热硬性好。表面受热4 5 0 时辊身硬度不下降，具有良好的抗回火性， 因此高铬钢的回火温度为4 0 0 c 5 0 0 c 。高温回火，为了活化奥氏体随后冷却中 转变为二次马氏体。为了最有效地消除残余奥氏体可进行几次回火。回火中并 有二次硬化效应的作用。含铬1 0 的高格钢轧辊的残奥含量为3 q ，而锻钢 轧辊则为7 。1 0 【2 0 j 。 ( 3 ) 高铬钢轧辊身硬度高，不容易磨伤，轧辊硬度综合反映了材料的弹性、 塑性和应力状态。高铬钢粗轧作辊的交货硬度为h s 7 3 8 3 ，冷轧工作辊为h s 9 0 以上。 ( 4 ) 经过喷丸处理容易得到高度发毛的辊面，具有良好的抗打滑性能。 ( 5 ) 高铬钢轧辊的冷水条件不像高铬铸铁轧辊那样要求苛刻。 ( 6 ) 采用高铬钢轧辊时，由于高的铬含量，高铬钢轧辊粗糙度具有良好的 保持性，轧钢量达1 0 0 0 t ，l l 粗糙度仍能保持在0 2 r t r n 以_ k t 2 n 。轧辊表面粗糙度大， 因而事故性打滑可以得到防止。 1 5 研究目标及内容 1 5 1 研究目标 尽管现在有部分高铬钢轧辊已经开始应用于实际生产，但对高铬钢的成分， 热处理工艺研究尚不成熟，并且急需开发适合我国国情的轧辊用高铬钢材料。 因此本文以复合轧辊用高铬钢为研究对象，主要研究铬碳比，粒化处理，最终 热处理( 淬火+ 回火) 对高铬钢材料的组织及性能的影响，找出铬碳比与高铬钢 组织和性能的关系，研制出一种性能优于传统高铬铸铁轧辊的新一代轧辊用高 铬钢材料，并开发出相应的粒化处理工艺和最终热处理工艺。试图为高铬钢复 合轧辊的实际生产提供相关理论和应用依据。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 通过成分设计，研究不同的铬碳比对高铬钢组织及性能的影响，主要 考察m 7 c 3 碳化物的形态和分布。 ( 2 ) 研究粒化处理工艺对高铬钢组织及性能的影响由于高铬钢铸态组织 中的共晶碳化物容易形成连续网状【2 2 1 ，通过合适的粒化处理工艺来改善碳化物 形态及分布，以获得较好的显微组织，从而提高高铬钢的综合性能。 ( 3 ) 研究最终热处理工艺对高铬钢组织及性能的影响。找出合适的淬火温 度和回火温度，以获得较高硬度的基体组织和较好二次硬化效应，提高轧辊用 高铬钢的力学性能。 ( 4 ) 研究粒化处理和最终热处理的复合作用。 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 技术路线 本课题所采用的实验路线如图1 4 所示： 图l _ 4 技术路线 1 2 武汉理工大学硕七学位论文 2 1 成分设计 第2 章实验方法 2 1 1 高铬钢成分设计思想 轧辊的性能取决于化学成分和显微组织特征。用于制造轧辊的高铬钢，因 轧制钢种、轧机条件和轧辊制造方法的不同，成分也有所差异。因此，成分设 计的目的是确定轧辊各种合金元素的含量，从而获得合适的组织特征和优良的 使用性能，从而满足生产实际需要。 综合考查轧辊材质的发展历史，一个明显的趋势就是合金元素的总含量不 断提高 2 3 , 2 4 。目前，在轧辊材料高合金化方面进行的大量工作就是试图用大量 细小弥散分布的高硬度碳化物和高稳定性的基体来提高轧辊的性能。不同的合 金元素会形成不同种类的碳化物，从而对性能产生不同的影响，如表2 1 和表2 2 所示。由于大量的c r 、m o 等合金元素的作用，复合轧辊用高铬钢外层组织中的 碳化物形态已不是传统的m 3 c 型碳化物类型，而是形成了具有较高显微硬度和耐 磨性的孤立块状分布的m 7 c 3 型和二次碳化物。高铬钢化学成分设计正是围绕如 何获得大量均匀、不连续的m 7 c 3 型碳化物而展开的。 表2 1 常用合金元素及其晶体结构【2 5 l t a b l e 2 1c o m m o na l l o ye l e m e n ta n dc r y s t a ls t r u c t u r e 元素合金碳化物化学式晶体结构 w w 2 c 密排六方 m om 0 2 c密排六方 v v 4 c 3 ，v c 面心立方，面心立方 c r c r c 6 ，c r 7 c 3 复杂面心立方，复杂六方 t i t i c面心立方 n bn b c面心立方 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 合金元素对轧辊的性能的影响【2 6 j 荏髓 耐磨性抗裂纹形成能 淬透性耐冲击性 回火脆性 元素弋 力 c剧增稍减增加剧减 m n 略增影响极微 剧增 稍减 剧减 n i影响极微增加适量增加增加增加 c r剧增影响极微剧增稍减稍减 m o剧增影响极微剧增稍减剧减 2 1 2 合金元素的确定 根据高铬钢成分设计思想的要求，确定高铬钢中主要合金元素的含量( c 、 c r 、m o 等) ，同时通过改变铬和碳含量，以考察不同的c r c 对高铬钢显微组织 与性能的影响。 ( 1 ) 碳 碳是高铬钢最重要的元素之一。高铬钢轧辊要求具有足够的耐磨性，必须 提高轧辊工作层中碳化物的数量。淬火加热时，一部分碳化物溶于奥氏体，从 而保证了马氏体的硬度，回火时合金碳化物呈弥散析出，造成二次硬化；另一 方面，未溶的碳化物起着阻止晶粒长大和耐磨的作用。所以碳的作用是提高钢 的硬度、红硬性和耐磨性，以够承受很大的小能量冲击磨损工况。 高铬钢碳含量的确定依据是首先应能形成稳定的( f e ，c r ) 7 c 3 型碳化物，并 与c r 含量恰好相平衡；其次它应满足基体形成马氏体组织碳含量的需要；再次 还应考虑与c r 、m o 、v 等元素形成二次碳化物，以保证回火后得二次硬化实 验表明，当含碳量 3 2 时，碳化物数量过多，机械强度，特别是韧性显著变坏【4 】。因此在高铬钢 的范围内，拟采用1 o r 1 4 5 的含碳量较合适。 ( 2 ) 铬 铬在钢铁中存在的形态较复杂，部分的铬与铁形成固溶体，铬又是钢铁中 强形成碳化物的元素之一，有铁存在时，会形成( f e ，c r h 3 c s ，f i e ，c r ) 7 c 3 ，f i e ， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 c r ) 3 c 等复合碳化物。事实上碳化铬的类型与材料中碳、铬的量有关。当c r = 7 ， c 兄或者c i = 1 0 0 6 ，c 3 时，共晶碳化物为( f e ，c 咖c 3 ，( f e ，c r ) 3 c ，含量小 于1 0 时析出( f e ，c r ) 3 c 型共晶碳化物，耐磨性、韧性低；当c r = 1 0 0 0 - - 2 0 ，c 2 1 时会产生( r e ，c 0 2 3 c 6 型碳化物【2 7 】。 铬是提高淬透性的主要元素之一。c r 提高过冷奥氏体的稳定性，使c 曲线右 移，推迟了珠光体的转变，降低了钢的临界冷却速度，使淬透性大为提高。铬 溶入基体后，可以强化基体，提高强度、硬度和耐磨性。 此外，它也是保证抗氧化性的基本元素。在高温下，铬能形成致密的、高 熔点、稳定的氧化膜( c r 2 0 3 ) ，避免钢的进一步氧化。铬还能提高钢的再结晶温 度，提高其高温强度【船l 。 考虑铬的作用，同时为了考察铬碳比对组织和性能的影响，将铬的含量确 定为1 2 - 1 4 。 ( 3 1 硅，锰 硅是铁液脱氧必需的元素，可使钢液中的f e o 变成炉渣脱离钢液，提高的品 质。硅能够溶于铁素体，提高钢的强度、硬度，但会降低钢的塑性和韧性。其 含量必须大于0 4 ，但是大于1 5 时，基体铁素体化，使硬度出现下降，力学 性能下降。 锰作为硅的辅助脱氧剂是必要的，其化合物m n s 能有效地防止s 的有害影 响。锰大部分溶于铁素体中，形成含锰铁素体，使钢强化 2 9 1 。锰含量过低效果 不佳；含量过高时，淬透性、耐热性恶化，因此0 4 m n 1 5 所以将硅含量控制在0 6 5 左右，锰的含量控制在0 8 5 左右较为合适。 ( 4 ) 镍 镍是提高钢淬透性的重要元素，它能使基体致密，强化基体组织，提高钢 的强度，但不降低塑性。但含n i 量大于3 o 时，使基体奥氏体化，硬度出现下 降【划。镍含量拟为1 3 左右。 ( 5 ) 钼，钒 m o ，v 能提高淬透性和回火抗力，提高碳化物硬度，特别是有效地增加回 火软化的抗力。钼形成m 2 c 型碳化物，钒形成v c ，具有较高的显微硬度，能够 有效提高基体的强度，含量较多时在进行回火后弥散析出会产生二次硬化效果， 武汉理工大学硕士学位论文 增强材料的硬度和耐磨性，同时又不影响钢的韧性。但一般钢中含m o 量不超过 2 5 ，加入过多的钼，轧辊热处理时因在空气炉中加热，氧化脱碳趋势会加剧。 钒含量过高也会将降低淬透性，凝固时生成粗大的一次碳化物，淬火时不能完 全溶入奥氏体，从而降低了断裂韧性，同时还会降低轧辊的表面粗糙度。故拟 将钼、钒的含量分别确定在1 8 、o 3 左右。 2 1 3 成分列表 合金成分设计及变质方案如表2 - 3 所示。 表2 - 3 高铬钢合金成分设计 台金元素( w t ) 编号cs im n c rn im ov s pc r c l 撑1 2o 6 5o 8 01 41 31 8 o 3 o 0 1 2 o 0 2 51 1 6 7 2 群1 3o 6 5o 8 01 31 31 8o 3 o 0 1 2 0 0 2 51 0 3 #1 4 o 6 5 o 8 0 1 2 1 31 8o 3 o 0 1 2 o 0 2 58 5 7 2 2 合金制备 2 2 1 模型的选择及预热 模型的选择对熔炼合金量，冷却速度，铸件的表面质量都会产生影响，因 此选择适当的模型对实验的准确性很重要。熔模铸造是最常用的精密铸造方法， 而蜡模是熔模铸造常用的模壳之一，其型壳为整体，无需分型面，而且具有较 高的铸件尺寸精度、表面光洁度好等优点，因此得到了广泛的应用p 孔。考虑到 高铬钢的碳含量较高，冲击韧性较低，但对表面的要求较高，实验模型采用腊 模，模型示意图如图2 1 所示。蜡模浇铸出的铸件尺寸为1 2 m m x l 2 m m x 5 5 m m ， 每个模型浇1 2 根试样。两排的铸件采用交错排列方式。 浇注前于4 0 0 进行烘烤，一方面可以去除模壳中的水分，提高模壳强度， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 提高其耐铁水冲击能力；另外一方面，预热可以避免液体金属冷却速度太快， 造成气孔、冷隔、浇不足、缩孔、裂纹等铸造缺陷。 铸件 、 、一点夕“ 、 u_uu 2 2 2 熔炼及浇注 内浇口 uu 图2 - 1 实验用模型示意图 f i g 2 1s k e t c ho f m o u l do f t h ee