热处理工艺对新型无磁辊材料硬度及析出相的影响

第37卷第3期2015年5月上海金属SHANGHAIMETALSVO137，NO3MAY，201527热处理工艺对新型无磁辊材料硬度及析出相的影响邬尚生秦子威朱健汪宏斌1上海海鹰机械厂，上海200436；2上海大学材料科学与工程学院，上海200072；3上海特种铸造工程技术研究中心，上海201605【摘要】针对新型连铸用无磁辊材料成分，设计不同的热处理试验方案并测得其硬度，并采用SEM、TEM、图像统计分析等方法，观察并计算无磁辊材料经不同热处理后析出相的形貌及尺寸，从而建立新型无磁辊材料热处理工艺与硬度、析出相尺寸之间的关系。结果表明660、710、760、810OC温度下，材料的硬度随着时效时间延长先上升，达到峰值后下降，其析出相不断粗化；860下时效，材料硬度趋于平稳且较低。在760CI二下时效12H后，材料硬度最高达到321HBS，相平均尺寸在304NM，且弥散分布在基体上。【关键词】连铸无磁辊热处理硬度相EFFECTOFHEATTREATMENTPROCESSONTHEHARDNESSANDPRECIPITATESOFNEWNONMAGNETICROLLERMATERIALWUSHANGSHENGQINZIWEIZHUJIANWANGHONGBIN1SHANGHAIHAIYINGMACHINERYPLANT，SHANGHAI200436，CHINA；2SCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，SHANGHAIUNIVERSITY，SHANGHAI200072，CHINA；3SHANGHAIENGINEERINGTECHNOLOGYRESEARCHCENTEROFSPECIALCASTING，SHANGHAI201605，CHINA【ABSTRACT】FORTHECOMPOSITIONOFNEWNONMAGNETICROLLERMATERIAL，DESIGNINGDIFFERENTTESTINGPROGRAMSOFHEATTREATMENTTOMEASUREITSHARDNESS，ANDUSINGSEM，TEMIMAGESTATISTICALANALYSISTOOBSERVEANDCALCULATETHESIZEOFTHEPRECIPITATESAFTERDIFFERENTHEATTREATMENTS，THUSTOESTABLISHTHERELATIONSHIPBETWEENTHEHEATTREATMENT，HARDNESSANDTHESIZEOFTHEPRECIPITATESTHERESULTSSHOWEDTHATUNDERTHETEMPERATUREOF660，710，760，810，THEHARDNESSROSEINITIALLYANDTHENDECLINEDWITHTHEAGINGTIMEINCREASINGANDITS一PHASECOARSENING；UNDER8600C，THEHARDNESSWASINCLINEDTOSTABLEANDLOW；AFTER12HOURSAGINGAT760，THEHARDNESSMAXIMALLYACHIEVED321HBS，THEAVERAGESIZEOFPHASEWAS304NM，DISPERSINGONTHESUBSTRATE【KEYWORDS】CONTINUOUSCASTING，NONMAGNETICROLLER，HEATTREATMENT，HARDNESS，YPHASE连铸设备的使用状况直接影响钢铁连铸生产主流程的产能平衡I4J。连铸用无磁辊，是连铸扇形段结晶器电磁搅拌技术核心部件，其性能好坏直接关系到连铸坯的质量等轴晶比例。它与温度高达8001200OC的铸坯直接接触并受其热辐射，还受钢水静压引起的铸坯鼓肚力以及铸坯弯曲矫直力的作用，加上二次冷却喷淋水、氧化铁皮等的影响，工况十分恶劣，容易失效报废_5。近年来出现的新型连铸用无磁辊材料X5NICRTI2615MOA1VB，国内大多采用进口，无法保证自主生产，该材料不仅保证了无磁性配合电磁搅拌要求无磁，还能有更高的硬度和热强作者简介邬尚生，男，厂长助理，工程师，研究方向为金属材料，EMAIL13361931688163COB28上海金属第37卷性。因此，为了实现新型连铸用无磁辊材料国产化，并能够配合后期辊子的堆焊再制造，探究新型连铸用无磁辊材料X5NICRTI2615M0ALVB经不同热处理后硬度以及其析出相的析出规律，总结热处理温度和时间对该材料的硬度及析出相尺寸的影响，具有重要意义。1试验材料和方法试验所用新型连铸无磁辊材料X5NICRTI2615MOA1VB的化学成分如表1所示。材料是典型的“15CR一25NI”系奥氏体钢，除此表1新型无磁辊材料的化学成分质量分数TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFX5NICRTI2615MOA1VBMASSFRACTION之外还有187的钛元素，027的铝元素，以及其它微合金元素。根据卢艳平等针对新型无磁辊材料X5NICRTI2615MOA1VB成分相图计算结果及合金化原理，得知该材料时效时主要析出相为相NI3TI、A1，并且含有少量的相、LAVES相、G相、M3B2相析出。相作为主要强化相，起到了第二相强化作用。结合文献资料，设计热处理试验方案如下试样经10002H固溶处理后水冷，再在660、710、760、810、860OC这5个温度下分别进行03、1、2、4、8、12、20、24、30H的时效处理，时效后空冷至室温。热处理试样尺寸均为10MM10MM15MM，采用高温真空炉对其进行1000OC固溶2H处理，使得其第二相能够完全溶入基体，为时效做准备；固溶后，采用普通箱式炉对试样进行不同温度、时间的时效处理，时效完毕后空冷至室温。利用电子布氏硬度计HBE3000A对热处理试样进行硬度测试，每个试样测5次，取平均值。对试样进行打磨抛光，采用三氯化铁试剂5GHC150MLHC1H2O进行金相腐蚀，利用金相显微镜进行显微观察，并利用SEM、TEM等手段观察材料时效析出相，利用图像软件IMAGEPROPLUS等计算并统计析出相尺寸。2试验结果讨论与分析21硬度结果分析利用电子布氏硬度计HBE3000A测得各个热处理后的试样硬度平均值，结果如图1。从图1新型无磁辊材料热处理后的硬度结果可以得出，材料固溶处理后硬度在124HBS左右，达到完全固溶，为第二相析出做好准备；开始时效后，硬度大幅度提升，当时效温度在760，时效时问为12H时，材料得到最高硬度为321HBS，满足无磁辊使用标准。新型无磁辊材料在660、710、408374340器306壶272堇238培20417O136102O51OL52O253O35时效时间H图1不同温度下时效时间与硬度的关系FIG1RELATIONSHIPBETWEENTHEAGINGTIMEANDHARDNESSATDIFFERENTTEMPERATURES760、810OC下，随着时效时间的延长，硬度呈现先增高，达到峰值后降低，然后趋于平稳的一个过程；但材料在860OC下时效时，硬度趋于平稳，且相较低于860的其它温度来说，硬度都较低。在开始时效的前2H里，材料的硬度大幅度上升；在660、710、760、810下时效2H后，硬度增高速率较之前下降，当时效时间在1220H之间，硬度达到峰值，在20H后，硬度缓速下降，趋于平衡。新型连铸无磁辊材料X5CRTI2615MOALVB是一种以奥氏体为基体，以析出Y相NI3TI、A1作为强化相的材料。结合文献资料以及图1硬度结果分析可知，材料在660、710、760、810OC时效温度下，02H间，析出大量Y相，硬度极剧增大；时效2H后，硬度增长缓慢，大量细小相开始长大；当时效时间超过硬度峰值时间后，Y相依旧持续增大，但是硬度较峰值有所下降。当时效温度在860时，材料硬度平稳，且较低，是因为时效温度过高造成过时效，由于相是不稳定相，当时效温度过高时基体析出稳定相30上海金属第37卷出相，且随着时效时间的延长，白色析出相逐渐粗化，图4为时效时问与相尺寸关系图。暑蟊1丑时效时间，H图4760下时效时间与相平均尺寸关系FIG4RELATIONSHIPBETWEENAGINGTIMEANDAVERAGESIZEOFPHASEUNDER760AGING结合图1、图3以及图4综合分析，可以得出，材料在760下时效，02H内，Y相从基体大量弥散析出，且迅速长大，尺寸在17NM左右，材料硬度大幅度提高；212H间，奥氏体基体中的RRI、AL、NI元素依旧在大量析出，导致Y相持续长大，但粗化速率减缓，且基体内还有很多较为细小的相在不断弥散析出，硬度也随着相的不断析出与长大而增大，且上升速率较之前要缓慢；12H时，相尺寸达到304NM左右，从图3G中可以观察到相弥散分布在整个基体，尺寸平均且析出颗粒量达到顶峰，其硬度达到峰值；12H后，相仍然继续长大，且从图3H、3I中可以发现，有少量相尺寸大于100NM，基体细小的Y相几乎不存在，说明此时基体不再析出RRI、AL、NI元素，相的粗化依靠兼并周围细小的相，基体相数量骤减，弥散度下降，强化作用减弱，材料硬度也开始发生回落。3结论1新型连铸无磁辊材料X5NICRTI2615MOA1VB在760下时效12H后，材料的硬度为最高值321HBS。2在666、710、760、810OC下时效，材料硬度随着时效时间延长先增大，到达峰值后减小；在860CC下时效，硬度趋于平衡且较低。3在760下时效时，相平均尺寸随着时效时间延长而增大，012H间，相长大趋势与硬度上升趋势相近；时效12H时，相平均尺寸达到304NM，且大量弥散分布在奥氏体基体上，材料硬度达到峰值；12H后，相尺寸继续增大，但长大依靠兼并细小相，硬度下降。致谢本文由教育部“卓越工程师教育培养计划”上海大学金属材料工程专业资助。参考文献1毛成杰，李波连铸扇形段托辊失效原因分析及解决措施J冶金丛刊，2012325262MAGNUSA，JENSB，RENATODSEGMENTROLLFORCONTINUOUSCASTINGMACHINESUSA，7096923P200609063SCOTTOAESPLITROLLFORCONTINUOUSCASTINGEUROPE，1024916P200009064孙大乐，李小兵，姚利松等长寿命连铸辊的堆焊材料和工艺开发J东北大学学报自然科学版，2008，2956936965李富帅，李进，季维，等高效连铸辊技术的开发J连铸，2011092502546眭向荣，马计平，刘景凤，等连铸锟失效分析及堆焊技术研究J现代冶金，2010，3852O237杨正勇连铸辊堆焊技术的现状浅析J焊接，20061O57598卢艳平，楼鹏飞热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响J上海金属，2013，35531359赵世昌不锈钢的应用及热处理M北京机械工业出版社2010161710高宏恩，李锁才OCR15NI25TI2MOVB钢固溶处理与力学性能的关系J风机技术，2002O2323411刘俊建，陈国宏，王家庆，等时效热处理对HR3C钢组织结构及力学性能的影响J合肥工业大学学报自然科学版，2011，341475112贾成洁SUPEO4H奥氏体不锈钢高温时效后组织结构的变化D大连大连理工大学，201013郝红元，曹士锐，郝曜固溶时