摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，科学技术得到了快速发展，采用了光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、洛氏硬度计等仪器，研究了离心铸造高铬铸铁轧辊铸态及淬火与回火后的显微组织结构、碳化物和硬度等。结果表明：高铬铸铁轧辊铸态组织主要是由奥氏体+少量马氏体+（Cr，Fe）7C3碳化物组成，碳化物呈粗大板条状或块状；不同温度热处理后，得到回火马氏体+（Cr，Fe）7C3+Cr7C3碳化物的组织，组织中粗大板条状碳化物消失，得到细小块状或椭圆状碳化物。该高铬铸铁轧辊铸态硬度为56．0HＲC左右，在950℃淬火及400℃回火处理后硬度增加到了约65．5HＲC。
关键词：高铬铸铁轧辊；热处理；碳化物；硬度
引言
离心铸造的高速钢轧辊具有硬度高、红硬性和耐磨性好等特点，自1988年问世以来，已在轧钢生产中获得了广泛的应用。高速钢轧辊的组织和性能与热处理有直接关系。由于轧辊用高速钢与传统高速工具钢的成分和工艺条件等方面存在着较大的差异，因此，高速钢轧辊热处理不能照搬传统高速工具钢热处理工艺。在详细研究了淬火温度、冷却方式、回火温度和回火次数对高速钢轧辊组织和性能影响的基础上，获得了高速钢轧辊最佳热处理工艺。高速钢轧辊实际生产过程中仍存在裂纹和氧化两大难题，明显降低高速钢轧辊质量，影响高速钢轧辊的生产和使用，在分析影响高速钢轧辊裂纹和氧化因素的基础上，开发了高速钢轧辊热处理新工艺，并应用于实际生产中，获得了良好效果。
1试验材料及方法
本试验的高铬铸铁轧辊的化学成分如表1所示，结合GB/T8263—2010《抗磨白口铸铁件》，可知该铸铁为BTMCr20系，该轧辊采用电炉冶炼，离心铸造方法浇注成型，轧辊直径为0．5m，在900～800℃之间出模，空冷到室温。用金相切割机从该轧辊上切割10个规格为16mm×16mm×20mm的长方体试样，将其中9个试样分成3组，并编号为1、2、3，每组3个进行淬火处理，淬火温度依次为920、950、980℃，空冷。再进行300、400、500℃的回火处理，保温60min，空冷。
2试验结果及分析
2.1粉末冶金法
用粉末冶金法生产的高速钢轧辊，与相同成分的铸造高速钢相比，碳化物更细小、均匀。由于碳化物的形貌对轧辊的抗热疲劳性能、抗剥落性能及韧性等起决定性作用，粉末高速钢轧辊的综合性能优于铸造轧辊。除此以外，为了进一步提高耐磨性，粉末冶金高速钢轧辊还可以采用更高的含碳量和合金元素含量，仍可保持良好的碳化物形貌。用热等静压（HIP）法生产粉末冶金复合轧辊时，一般是在软钢制造的容器中间安上轧辊芯棒，在容器和芯棒之间的型腔中填充好辊身外层所用的粉末并抽空密封。容器在100010500C、约100MPa下烧结并与芯棒熔合[}2z}0用自蔓延合成法生产粉末轧辊时，将可进行放热合成反应的金属和非金属粉末原料置于模腔内并引燃，使其发生自蔓延合成反应，随即加压至最终轧辊形状。粉末冶金高速钢轧辊有整体的、复合的和用于组合轧辊的复合辊套。
2.2高铬铸铁轧辊淬火及回火后的显微组织
高铬铸铁在920～980℃淬火后，板条状碳化物形态有很大改善，板条尖端明显变得较为平滑。随着淬火温度的提高，由于在高温下，板条状碳化物熔断并向块状碳化物转化，因此组织中的板条碳化物倾向于块状形态，这一过程是通过碳和合金原子的扩散来实现的。随淬火温度的升高，这些沿晶界分布的板条状碳化物的板条形态慢慢弱化，板条状碳化物尖端形成的应力集中减小。
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2.3电渣外层金属液（ESSLM）法
用电渣外层金属液法]生产复合轧辊，其外层是在特殊设计的导电水冷铜结晶器中凝固形成的，结晶器不仅使浇入的外层钢水凝固而且也可以保持电渣过程中不消耗电极。过程开始时，先将作为复合辊芯部的芯轴插入结晶器中，并与其同轴，然后将在另外的熔化装置中熔化的渣液浇入结晶器和芯轴的空隙中，它的热量将芯轴表面预热，随后再浇入外层所需成分的钢水，可连续浇入也可按预先设定的程序加入。钢液与已经预热的芯轴表面熔合，并因结晶器的冷却而凝固形成复合层，借助移动装置不断从结晶器中拉出己凝固部分，直至达到预定的复合辊长度为止。
2.4淬火及回火后高铬铸铁轧辊的硬度
由于高铬铸铁中合金元素含量较高，使铸态时冷却速度较慢，因此基体中含有大量奥氏体，铸态的碳化物析出主要是（Cr，Fe）7C3，呈板条状或菊花状分布，因此铸态硬度只有56．0HＲC左右。高铬铸铁淬火加热到920～980℃时，由于加热温度较高，部分碳化物重新溶解，随后的快冷过程，由于过冷度增大，形核率升高，得到的碳化物尺寸比铸态碳化物尺寸小，同时基体得到马氏体组织，因此，950℃淬火后硬度为最高的64．5HＲC，当淬火温度升高到980℃时，淬火后硬度反而降低，主要原因是温度较高，固溶的Cr等合金元素含量高，降低了铸铁的马氏体转变温度，淬火冷却过程除了得到马氏体，残留奥氏体含量也较高，因此，硬度反而低于950℃淬火时的硬度。
2.5高速钢轧辊表面防氧化涂层研究
高速钢轧辊中含有较多的钼，而钼易促进氧化，高温热处理时，辊面氧化严重。将轧辊埋在铸铁屑中加热，对改善高速钢轧辊的抗氧化性能是有利的。实际生产中，由于淬火温度高，铁屑容易粘附于辊面，导致淬火时辊面冷却不均匀，辊面硬度均匀性差，而且粘附于辊面的铁屑也影响轧辊精加工，延长精加工时间，增加精加工的工模具消耗。因此，开发了高速钢轧辊高温加热防氧化涂料。
2.6高速钢轧辊的组织分析方法
高速钢轧辊的组织比较复杂，对其显微组织的分析一般有以下几种方法：（1）利用透射电镜作相结构分析利用扫描电镜作形貌特征和微区成分分析；（3）从钢中分离出碳化物，然后作X射线分析；<4）光学金相分析；（5）显微硬度分析。前三种方法复杂，而金相法是最简单最直观的方法。金相法包括黑白金相法和彩色金相法。与黑白金相法相比，彩色金相法不仅可以通过大小、形状来区分组织，更重要的是可使不同的金相组织呈现不同的颜色，从而大大提高金相组织的鉴别能力，常被用来分析组织较为复杂的显微结构[[40]。彩色金相的原理就是通过各种显示技术，在试样表面形成一层结构与成分同基体组织状态密切相关的薄膜，通过光的干涉效应使材料中不同的组织结构、不同的应力状态、不同成分区域以及不同晶体缺陷密度区域呈现不同的色彩。它的突出特点不仅是色彩艳丽，更重要的是彩色的辨别能力较黑白金相高出许多倍。
结语
高铬铸铁轧辊铸态组织是残留奥氏体+少量马氏体+（Cr，Fe）7C3碳化物，碳化物呈粗大板条状或块状，铸铁在920、950、980℃温度淬火后，得到大量马氏体+少量残留奥氏体+Cr7C3碳化物的组织，淬火态组织中碳化物板条尺寸明显小于铸态中的碳化物。回火后残留奥氏体含量大大降低，马氏体含量增加，300℃回火时，马氏体与碳化物界面明显，当温度升高到400～500℃时，马氏体分解，马氏体基体与碳化物界面模糊。随着回火温度升高，粗大板条碳化物消失，得到块状、椭圆状碳化物，另外马氏体中细小片状碳化物变为颗粒状。结合实测硬度与碳化物形态及数量的关系，得到获得该高铬铸铁轧辊最高硬度的最佳热处理工艺为：950℃淬火+400℃回火。
参考文献：
［1］孙业华，王中学，麻衡，等．高强韧性耐磨钢板NM500的开发与应用［J］．金属热处理，2019，44（9）：21-26．
［2］王明娣，刘东权，武会宾．淬火工艺对低合金耐磨钢组织与力学性能的影响［J］．金属热处理，2018，43（8）：156-161．
论文作者:张红伟,郑慧敏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：轧辊论文; 碳化物论文; 高速钢论文; 金相论文; 铸铁论文; 硬度论文; 组织论文; 《基层建设》2019年第32期论文;