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离心铸造高速钢轧辊网状碳化物破碎实验研究 |
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作者：吴春京 宋瑞涛 张西鹏 寇国军 |
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摘要：本文通过对实验室条件下利用小型离心铸机制得的高速钢轧辊进行研究，重点探讨了不同钒铁－稀土变质量对离心铸造小型高速钢轧辊的显微组织及力学性能的影响，并初步分析了不同的淬火温度对高速钢轧辊最终性能的作用效果，为离心铸造高速钢轧辊的实际生产提供了参考。
关键词：高速钢轧辊，离心铸造，网状碳化物，复合变质
高速钢硬度高、耐磨性好，且红硬性能优异，这些都使其成为轧辊制造的理想材料。今年来，高速钢轧辊的研究在成分设计[1]、变质处理[2]及热处理工艺[3]方面都取得了一定的进展。在高速钢轧辊的生产过程中，碳化物形态对轧辊的综合性能有着至关重要的影响。本文重点研究了钒铁－稀土变质对改善碳化物形态及对高速钢轧辊力学性能的影响，并初步探讨了淬火温度的作用效果，试图为高速钢轧辊的实际研制和生产提供实验依据。
1．实验条件
实验高速钢轧辊的化学成分设计如表1-1所示。表1-1 高速钢铸件的基本成分
 1.1 砂型铸造
可用砂型铸造小型高速钢铸件来近似模拟现场的生产条件，以考查实际冷却条件下孕育量变化对高速钢性能的影响。
高速钢采用碱性中频感应电炉熔炼，出炉温度为1600℃左右，在浇包内使用钒铁－稀土复合变质剂（颗粒度为1mm）采用冲入法对钢水进行变质处理，然后浇注楔形试样。砂型高速钢铸件的化学成分见表1-2。表1-2高速钢铸件的化学成分（Wt%）
 待冷却后取样，热处理后观察金相组织，确定复合变质剂的变质效果。
1.2 离心铸造
离心铸造5炉，轧辊的尺寸为φ180×150mm，具体成分如表1-3所示。表1-3离心铸造高速钢轧辊外层化学成分（Wt%）
 待冷却后取样，热处理后观察金相组织，打硬度，并测其抗拉强度。
1.3 热处理工艺
高速钢轧辊的退火工艺[4]为：880℃×4h，炉冷至750℃，保温3h，炉冷至室温。
对于高速钢辊环，淬火温度控制在1180℃左右，淬火冷却方式采用空淬或水淬，然后在550℃左右回火两次。即选用的热处理工艺为：（1180℃×（3～4）h），空淬＋{550℃×（3～5）h，炉冷}×2次。
对于砂型铸造高速钢件，退火、淬火及回火温度范围不变。由于体积较小，保温时间可适当缩短至2～3个小时，淬火方式为水淬。
1.4 淬火温度的影响
对于特定成分的高速钢轧辊，固定回火温度和次数，变更淬火温度，可得知淬火温度对力学性能的影响。
2 实验结果及分析
2.1 砂型铸件
2.1.1 退火态组织及孕育效果
金相试样经过退火热处理，其显微组织如图2-1、2-2、2-3所示。
由退火态金相组织可见，复合变质剂量为零的试样，碳化物为连续网状分布，随着变质剂量的增加，碳化物有不同程度的破碎，至1.0％变质剂量时，合金碳化物的形态有了很大改善，倾向于孤立分布。
2.1.2 回火态硬度
砂型试样经过热处理后，采用HR-150型洛氏硬度计，载荷150kg，打硬度三次。结果见表2-1。2-1 砂型铸造高速钢回火态洛氏硬度
 由硬度数据可知，经淬火＋两次回火热处理的高速钢试样，硬度可高达HRC63左右（试样1-1和1-3）
2.2 离心铸造轧辊的组织和性能
2.2.1 金相组织（回火态）
辊环铸件经过（淬火＋回火）热处理后，其典型显微组织如图2-4、2-5所示。
高速钢辊环回火态的组织形态为马氏体基体上分布着弥散的碳化物，组织形态明显优于退火态的，原有的连续网状碳化物已经被很好的改善，呈弥散分布的状态。
2.2.2硬度及强度
离心铸造高速钢辊环的硬度值如表2-2所示表2-2离心铸造高速钢辊环洛氏硬度HRC
 部分离心铸造高速钢辊环的抗拉强度和弹性模量值如表2-3所示表2-3高速钢辊环的抗拉强度和弹性模量
 注：试样2-1～2-3采用了水淬的淬火方式，冷却强度过大，辊身淬裂，无法取样制成拉伸试样；此外，因强度与硬度是一致性的力学性能指标，由试样2-1～2-3的硬度值可知，其强度应低于2-4和2-5，故不做为重点对象研究其强度。
2.2.3 冲击韧性
部分试样的冲击韧性如表2-4所示。表2-4不同孕育量试样的冲击韧性（J/cm2）
 由冲击韧性分析可知，随着复合变质剂量的增加，高速钢轧辊的冲击韧性有较大的改善。
2.3 热处理温度对高速钢轧辊性能的影响
对于成分为C：2.1％，Si：0.7％，Mn：0.4％，Cr：5.0％，Mo：5.0％，Ni：0.5％，V：6.0％，并用粒度为1mm的钒铁－RE（变质剂量为1.5％）进行变质处理的高速钢轧辊，取五个试样，编号3-1～3-5，分别在1000℃，1050℃，1100℃，1150℃，1200℃淬火（空淬），随后在550℃回火两次，观察金相组织，随后测定力学性能，结果如图2-6、2-7、2-8所示。
2.3.1 金相
由金相组织照片可以看出，当淬火温度低于1100℃时，碳化物仍呈现一定程度的网状分布；在淬火温度超过1100℃后，碳化物孤立弥散分布，但随着淬火温度的升高，碳化物和晶粒有聚集长大的趋势。
2.3.2 硬度
不同淬火温度试样的回火态硬度值如表2-5所示。表2-5 淬火温度及试样硬度（洛氏硬度HRC）
 由此可见，对于该高速钢轧辊，只要淬火温度高于1000℃，热处理后得到的硬度都相当高，在HRC60左右，并且在1050℃左右出现一个相对的峰值。超过1050℃，随着淬火温度的升高，硬度值有所下降。
2.3.3 冲击韧性
不同淬火温度试样的冲击韧性值如表2-6所示。表2-6 不同淬火温度下的冲击韧性（J/cm2）
 由上表可见，尽管变质剂量达到了1.5％，可无论淬火温度高低，这些试样的冲击韧性值都较低。究其原因，是因为成分中碳含量过高，导致碳化物数量过多，辊身变脆，综合力学性能下降。
3．结论
（1）采用钒铁－RE进行变质处理，可有效的改善高速钢轧辊中的碳化物形态，消除典型的网状组织，经（淬火＋回火）热处理后能获得优良的综合力学性能。
（2）在一定的范围内，随着钒铁－RE复合变质剂量的增加，硬度值增加，至1.0％时，硬度到达一个峰值，冲击韧性、抗压强度、抗拉强度等其他力学指标也达到一个较为理想的值。
（3）只要淬火温度高于1000℃，高速钢（淬火＋回火）热处理后得到的硬度都相当高，在HRC60左右。并且在1050℃左右出现一个相对的峰值。超过1050℃，随着淬火温度的升高，硬度值有所下降。
参考文献
1．周宏，王金国，苏源德，连建设，大成桂作．轧辊用高碳、钒高速钢系合金的热处理．钢铁，2000，35（1）：47～50
2．宋延沛，李秉哲，朱景之，谢敬佩，周国锋．稀土复合变质剂对高碳高速钢性能及组织的影响．钢铁研究学报，2001，13（6）：31～34
3．符寒光，杜建铭，邢建东．热处理工艺对高速钢轧辊组织和性能的影响．材料与冶金学报，2003，2（2）：282～295
4．符寒光，邢建东．高速钢辊环的研究和应用．中国钨业，2001，16（3）：29～32(end)
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(5/5/2005) |
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