高铬铸铁轧辊热处理工艺研究.doc

高铬铸铁轧辊热处理工艺研究高铬铸铁轧辊热处理工艺研究StudyontheHeatTreatmentProcessofHighChromiumWhiteCastIronRoll符寒光,张孝红(1.清华大学机械工程系,北京100084;2.太原钢铁(集团)公司轧辊制造有限公司,太原030003)摘要:研究了淬火温度,淬火冷却方式和回火温度对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响.结果表明,油冷条件下,淬火温度低于1000C,随着淬火温度升高,硬度升高,随后硬度反而下降,雾冷和空冷条件下,淬火温度对硬度的影响规律与油冷时相似,获得最高硬度的淬火温度超过油冷时的淬火温度,达到1025oC.回火温度低于500时,高铬铸铁轧辊硬度变化不明显,超过575oC,硬度明显下降,高铬铸铁轧辊在450C回火4小时,具有良好的综合力学性能和优异的耐磨性.关键词:高铬铸铁轧辊;淬火;回火;冷却方式;硬度;耐磨性中图分类号:TG163;文献标识码:A;文章编号:10069658(2005)0204Abstract:Theinfluencesofquenchingtemperature,coolingpatternandtempertemperatureonthestructuresandpropertiesofhighCrcastironrollhavebeeninvestigated.TheresuhsshowedthatthehardnessofhighCrcastironrollincreaseduntilthequenchingtemperaturereachedIO00Canddroppeddownasthequenchingtemperatureexceeded1000Cinoilcooling.Thehardnessobtainedinaircoolingandsprayingcoolingexhibitedsimilartendencyasthatinoilcooling,butthetemperatureatwhichthehighesthardnesswasobtainedwithslowercoolingprocesseschangedto1025C.Tempertemperaturewaslowerthan500C,thehardnessofhighCrcastironrollhadlittlechange,whenitexceeded575C,thehardnessdecreasedobviously.HighCrcastironrolltemperedat450Cfor4hshadexcellentcornprehensivemechanicalpropertiesandwearingresistance.Keywords:HighCrcastironroll;Quenching;Temper;Coolingpattern;Hardness;wearingresistance.1前言近年来,随着轧钢生产对节能,提高与控制轧制精度以及降低成本的要求,轧辊材料不断地得到改进和发展,从早期的普通冷硬铸铁,无限冷硬合金铸铁到半钢,高铬铸铁和高速钢l.其中高铬铸铁轧辊具有生产成本相对较低,加工性能好,耐磨性和抗热疲劳性能好等特点,已广泛地应用于轧钢生产中l5-7.目前,高铬铸铁轧辊的热处理主要有两种形式,一种是低于临界转变温度的亚临界热处理I81,另一种是高于临界点A3的高温热处理I91.国内对高铬铸铁轧辊的亚临界热处理研究较多_l.l,而对高于临界点A,的高温热处理研究较少.国外研究结果显示,高铬铸铁轧辊高温热处理后,其性能可以明显改善-1.为了进一步提高高铬铸铁轧辊性能,我们研究了淬火温度,冷却方式,回火温度对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响,获得了高铬铸铁轧辊收稿日期:2Oo4一l229文童编号:200421l作者简介:符寒光(1964一),男,博士后,高级工程师,主要从事材料和轧辊制造技术研究10最佳热处理工艺,应用于工业生产中,取得了较好的效果.2试验材料和方法高铬铸铁轧辊用1000kg碱性中频感应电炉采用不氧化法熔炼.铁液熔清后用铝脱氧,铁液出炉温度15201580oC.试验材料取自与高铬铸铁轧辊同炉浇注的Y形试块,试块长度160mm,高度100mm,上部宽度30mm,下部宽度25mm.高铬铸铁轧辊化学成分是(rt.%):2.83C,18.79Cr,1.O5Mo,0.72Ni,1.23Si,0.89Mn,0.11Ti,0.08Ce.试块热处理在RJX一1813型高温电阻炉内进行.为防止脱碳和氧化,试块表面涂覆202型抗氧化涂料,涂料厚度大于1.2ram.试块用线切割机加工成20x20xl10(mm)无缺口冲击试样和10x20xl00(mm)断裂韧性试样.断裂韧性试样上用加.14mm钼丝加工出深5mm,宽0.2mm的缺口.在JB30A型摆锤式冲击试验机上测试冲击韧性().在Instronl603电磁共振式高频疲劳试验机上测试断裂韧性(K.).用HR一150A型硬度计测量硬度.在Greeble一150热模拟试验机上测试临界点.用金相显微镜观察组织,残余奥氏体(Ar)量在DMAX/YB型X射线衍射仪上测出.磨损试验在ML一10型销盘磨损试验机上完成.用100目石英水砂纸与试样对磨,磨损试样尺寸g6mmx25mm,磨程10.409m,载荷分别为19.6N,用磨损失重(w)的倒数表示耐磨性.3试验结果与分析3.1高铬铸铁的临界点和等温转变曲线高铬铸铁的临界点测试结果见表1.奥氏体化温度为1025oC的等温转变曲线见图1,其珠光体(P)转变开始温度约为695oC左右,没有发现贝氏体转变,马氏体相变点()约为271,马氏体转变终点温度(%)低于室温,高铬铸铁淬火组织转变具有不完全性,淬火组织中将会残留较多的奥氏体.珠光体转变临界冷却速度Vp:o.52(C/s),值较小,表明高铬铸铁轧辊具有较好的淬透性.表1高铬铸铁的临界点(oC)AlAdMMf7l280727l<20时I(1gO/s图1高铬铸铁等温转变曲线3.2淬火温度和冷却方式对高铬铸铁轧辊硬度的影响淬火温度和冷却方式对高铬铸铁轧辊硬度的影响见图2.油冷条件下,淬火温度低于1O00,随着淬火温度升高,硬度升高,超过1000,硬度反而降低.雾冷和空冷条件下,淬火温度对硬度影响结果相似,获得最高硬度的淬火温度高于油冷时的淬火温度.随淬火温度升高,基体中溶解的共晶碳化物数量增加,碳化物的尖角变得圆滑,薄弱区域断开,淬火温度1IO0C时,组织明显粗化.高铬铸铁轧辊硬度的淬火硬度值除了合金的组织因素外,还由马氏体中饱和的碳和合金元素量及未转变的残留奥氏体决定【121,淬火温度低时,奥氏体中溶解的碳和6462u60董58髫5654529OO950looo105011007T/图2淬火温度和冷却方式对爵铬铸铁轧辊硬度的影响合金元素少,淬火转变后马氏体中饱和的碳和合金元素量也较少,故硬度相对较低.淬火温度低于850C淬火,加热不足而出现硬度较低的珠光体组织.淬火温度超过l100oC后,奥氏体中溶解的碳和合金元素量过多,Ms点下降,而且温度高使奥氏体成分均匀,奥氏体稳定化程度增加,淬火后残余奥氏体(Ar)量增多,见图3,导致硬度明显下降.淬火组织中残留奥氏体多除了与Ms点低有关外,还由于高铬铸铁轧辊硬度的发生马氏体相变时伴随着较大的体积应力,阻碍着马氏体相变的继续进行【11.在1000-1025时,马氏体中溶解的碳和合金元素量适中,获得了硬度的峰值.由于雾冷和空冷速率小于油冷,相同淬火温度下,淬火组织中的残留奥氏体量少于油冷,获得最高硬度的温度高于油冷时的温度.40冰3020l0090O950looo1050】l【x】图3淬火温度和冷却方式对残留奥氏体数量的影响3.3高铬铸铁轧辊的淬透性不同冷却条件下高铬铸铁轧辊的淬透性见图4.油冷高铬铸铁轧辊淬透性最好,雾冷次之,空冷最差,但油冷和雾冷差别不大.尽管高铬铸铁轧辊中含有较多的合金元素,具有较好的淬透性,但空冷条件下,由于冷却速率太小,离表面30mm时,硬度已下降到55HRC以下.轧辊工作层厚,通常大于30mm,高铬铸铁轧辊空冷淬火无法满足使用要求.研究中还发现,高铬铸铁轧辊油冷淬火时,由于冷却速率太高,热应力大,在热应力和组织转变应力作用下,易出现裂纹.高铬铸铁轧辊雾冷淬火既有较高的淬透】16664626o58星5654螫52504846440l02030405060离冷却端距离/mm图4冷却方式对高铬铸铁轧辊淬透性的影响(淬火温度1025)性,又不易出现裂纹,应用于实际生产中是可行的.3.4回火温度对高铬铸铁轧辊组织和性能的影响上述研究发现,高铬铸铁轧辊经1025加热后雾冷淬火,具有很好的淬透性和淬硬性,而且淬火冷却时不会产生裂纹.在此基础上,研究回火温度对1025oC加热后雾冷淬火高铬铸铁轧辊硬度,韧性和耐磨性的影响,结果见图57.回火温度低于50o时,随回火温度升高其硬度变化不大,超过525oC硬度稍有下降,575oC以后硬度明显下降.这主要是由于高铬64铸铁轧辊中碳和铬含量较量58高,形成大量56的合金碳化M物,同时马氏50体中也含有一48定量的合金元素,使马氏体的分解温度提2【x】3【x】4【x】5【x】6007【x】71/图5回火温度对高铬铸铁轧辊硬度的影响(保温4h)图6回火温度对高铬铸铁轧辊韧性的影响【保温4hJ高,故而其硬度变化不大.温度超过525oC以后,一方面马氏体分解,另一方面由于碳化物聚集长大使弥散度减小,从而导致硬度稍有下降.由图6看出,冲击韧性值和断裂韧性k-值随回火温度的变化规律基本相同,即在350oC时出12E萑2【x】30040050060O7【x】7T/图7回火温度对高铬铸铁轧辊耐磨性的影响(保温4h)现低谷,在450oC出现峰值.其原因是,在450oC回火时应力消除比较完全,碳化物尚未长大,细小且均匀弥散的分布在马氏体基体上,不利于裂纹的扩展,故值和k.值较高.当温度高于450C以后,由于碳化物的聚集长大使其弥散度减小ll41,导致值和k.值有所降低.350C回火时x值和k.值出现低谷,与残余奥氏体分解和第一类回火脆性有关.回火温度超过500后,随着回火温度的进一步提高,合金碳化物开始聚集,长大,马氏体中固溶的碳和合金不断减少,马氏体塑性提高,抵抗裂纹萌生和扩展的能力提高,导致高铬铸铁轧辊韧性提高.由图7看出,回火温度低于450C时,随回火温度升高,高铬铸铁轧辊耐磨性增大,高于450C时,耐磨性反而下降.高铬铸铁轧辊在450-475oC区间回火,具有优异的耐磨性.因为材料承受磨料磨损时,磨损率由两部分组成5,即W,=We+w/(1)DW=KlT/-(2)iv/DWI=K2赢(3)式中厂_磨损率;切削机制引起的磨损;疲劳机制引起的磨损;外界压力;日材料硬度;Kl,K厂磨损系数;占,单轴拉伸时的断裂应变.由式(1)式(3)可知,在磨料磨损条件下,材料的磨损主要切削磨损和疲劳磨损组成,前者主要决定于材料的硬度,而后者与材料的硬度和塑性两个因素有关,高铬铸铁轧辊在低温下回火时,韧性较低,耐磨性差.高温下回火时,尽管韧性提高,但硬度明显下降,抗切削磨损能力差,综合作用的结果导致高铬铸铁轧辊耐磨性下降,450475回火的高铬铸铁轧辊,硬度高,抗切削磨损能力强,而且冲击韧性也较高,具有较好的抗疲劳磨损能力,综合作用的结果使高铬铸铁轧辊具有优异的耐磨性.高铬铸铁轧辊经1025oC保温2h后雾冷淬火,并在450C回火保瑚瑚瑚拗瑚啪m温4h后,可以得到由回火马氏体,共晶碳化物,二次碳化物和残留奥氏体组成的组织,具有优异的综合力学性能和耐磨性.4结论(1)测试了成分为2.83%C,18.79%Cr,1.O5%Mo,0.72%Ni,1.23%Si,0.89%Mn,0.1l%Ti和0.08%Ce的高铬铸铁轧辊的临界点和m曲线,其.为712,A3为807oC,Ms为271oC,Ve=0.52oC/s,具有较好的淬透性.(2)油冷淬火条件下,淬火温度低于1000oC,随着淬火温度升高,硬度升高,超过1000oC,随着淬火温度升高,硬度反而降低.雾冷和空冷淬火条件下,淬火温度对硬度影响结果相似,获得最高硬度的淬火温度高于油冷淬火温度.(3)雾冷淬火条件下,回火温度低于500C时,随回火温度升高其硬度变化不大,超过525硬度稍有下降,575以后硬度明显下降.冲击韧性和断裂韧性随回火温度的变化规律基本相同,在350oC时出现低谷,在450oC出现峰值.超过500C后,随着回火温度的进一步提高,高铬铸铁轧辊韧性提高.(4)回火温度低于450oC时,随回火温度升高,高铬铸铁轧辊耐磨性增大,高于450oC时,耐磨性反而下降.高铬铸铁轧辊经1025oC保温2h后雾冷淬火,并在450475oC区间回火保温4h,具有优异的综合力学性能和耐磨性.参考文献l文铁峥,郭玉珍.冶金轧辊技术特性概论M】.河北:河北科学技术出版社,1995,571222HNoguchi,HHiraoka.YWatanabeandYSayama.Hardnessandwearresistanceofadamiteforworkrollsinhotrollingmill【J】.Trans.ISIJ,1988,28(6):4784843野口,田中智夫,JII元孝一,梅本纯生.热延用高夕口厶铸铁口一,L,材高温摩耗特性匕奄使用成绩JJ.铁匕钢,1984,70(10):145214584CKKim,JI1Park.JHRyuandSLee.Correlationofmicrostructureandthermal-fatiguepropertiesofcentrifugallycasthighspeedsteelrollsJ.Metal1.Mater.Trans.A.,2004,35A(2):481-4925Anon.CentrifugallycasthighchromiumrollsJJ.TransactionsoftheIronandSteelInstituteofJapan,1986,26(2):168.6GByun.SOh.CGLeeandSLee.CorrelationofmicrostructureandmicrofracturemechanismoffiveworkrollsJ.Metal1.Mater.Trans.A.,1999.30A(1):2342437JWChoiandSKChang.EffectsofmolybdenumandcopperadditionsonmicrostruetureofhighchromiumcastironrolL;【JJ.ISUInternational,l992,32(11):l170ll768IRSareandBKArnold.TheeffectofheattreatmentonthegougingabrasionresistanceofalloywhitecastironsJ.Metal1.Mater.Trans.A.,1995,26A(2):3573709TSSkoblo,ENVishnyakova,NMMozharova,VADubrovandRDBondin.Increasingthequalityofrollingroilsofhigh.chromiumcastironbyhigh-temperatureheattreatmentJ1.MetalScienceandHeatTreatment,1991.32(9):734736l0游军,等.高铬,中铬,球墨铸铁复合轧辊的离心铸造JJ.铸造,1995(2):2429llDTotolidis,JPurnode,JPBreyerandAMaguee.Studyofathermaltreatme