一种新型轧辊用钢的连续冷却转变研究

赵 玥 张明珠 樊翔宇

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

轧辊的工作条件苛刻，需承受很高的轧制力和摩擦力，长期使用容易发生变形、开裂等失效问题。有些轧辊的失效是由于在生产过程中采用了不适当的热处理方法，显微组织不符合要求，最终导致轧辊在短期内报废，从而造成不必要的经济损失。因此制定合理的热处理工艺关系到轧辊的使用寿命，对生产效率和生产成本也起着决定性作用。连续冷却转变曲线——CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线是分析连续冷却过程中奥氏体的转变过程以及转变产物的组织和性能的依据，可以确定临界冷却速度，得到理想的组织，为热处理工艺的制定提供参考[1]。本文以一种新型轧辊用钢为研究对象，绘制该钢的连续冷却转变曲线，并研究奥氏体化温度对其显微组织的影响。

1 试验方法

试验材料为一种新型轧辊用钢，原始状态为调质态，化学成分见表1。试样尺寸为∅3 mm×10 mm。根据相关试验标准[2]在L78 RITA型淬火相变仪上以不同冷却速度(2℃/min～1 200℃/min)进行连续冷却转变曲线的测定和分析，在Axiovert 200MAT光学显微镜下观察各个冷却速度下试样的金相组织，以金相组织辅助分析连续冷却转变，最终得到该钢的连续冷却转变曲线。

表1 轧辊用钢的主要化学成分(质量分数，%)Table 1 Main chemical composition of roll steel(mass fraction,%)

2 试验结果

2.1 CCT曲线的测定结果

图1为轧辊用钢的原始组织，其原始组织为片状珠光体+粒状贝氏体+碳化物。

图1 轧辊用钢的原始组织Figure 1 Original structure of roll steel

由于原始组织中存在较多的碳化物，为使其在奥氏体化过程中充分溶解，CCT曲线的奥氏体化温度最终确定为840℃。不同冷却速度下得到的试样金相组织如图2所示。可见，随着冷却速度增大，该钢经历了珠光体、贝氏体和马氏体组织转变，并且硬度趋于逐渐增大。在较低冷却速度(5℃/min)下，C和合金元素有充分的时间发生扩散，最终得到珠光体组织(图2a)；当冷却速度提高至10℃/min时，合金元素的扩散受到一定程度的抑制，珠光体减少，冷却组织主要为针状贝氏体，并开始出现马氏体(图2b)；当冷却速度提高至20℃/min时，珠光体完全消失，马氏体增多(图2c)；当冷却速度继续增大时，马氏体的量继续增多，贝氏体逐渐减少，直至冷却速度高于120℃/min时贝氏体完全消失(图2f)，并测得该钢的马氏体点MS=268℃。最终得到轧辊用钢的CCT曲线，如图3所示。

随着冷却速度增大，原子扩散激活能逐渐增大，轧辊用钢逐渐由扩散型珠光体、贝氏体相变过渡到非扩散型马氏体相变。通过观察金相组织发现不同冷却速度下得到的组织中均存在未溶碳化物，且碳化物的分布不均匀，这就造成了组织偏析，降低了组织均匀性。

(a)5℃/min (b)10℃/min

(c)20℃/min (d)60℃/min

(e)120℃/min (f)300℃/min图2 不同冷却速度下轧辊用钢连续冷却转变后的金相组织Figure 2 Metallographic structures after continuous cooling transformation of roll steel under different cooling speeds

图3 轧辊用钢的CCT曲线Figure 3 CCT curve of roll steel

组织偏析造成轧辊内部物理和力学性能不均匀，在力学性能较差的相的晶界和晶粒内部易生成初始裂纹，裂纹的端部形成一个应力集中区，裂纹迅速扩展，最终导致整个轧辊失效报废，所以对于长期处于严峻工作条件下的工件应该避免出现组织偏析。以往研究[3,4]中多用提高奥氏体化温度的方法，使钢中碳化物在奥氏体化过程中全部溶解到奥氏体晶粒中，进而消除组织偏析。

2.2 碳化物的溶解和组织均匀化

为使碳化物充分溶解、最终得到均匀的冷却组织，将奥氏体化温度分别提高到880℃、920℃，保温20 min，然后以300℃/min的速度冷却试样，得到的轧辊用钢的金相组织，如图4所示。从图4可以看出，当奥氏体化温度为880℃时，碳化物已大部分溶解，但是仍然有少量未溶，组织偏析得到明显改善(图4a)；当奥氏体化温度进一步升高到920℃时，在奥氏体化过程中碳化物几乎全部溶入奥氏体晶粒中，最终得到单一的马氏体组织，与较低奥氏体化温度下得到的组织相比，均匀性显著提高(图4b)。因此，通过提高奥氏体化温度的方法可以消除组织偏析，组织均匀化。

(a)奥氏体化温度880℃ (b) 奥氏体化温度920℃图4 较高奥氏体化温度下得到的轧辊用钢连续冷却转变后的金相组织Figure 4 Metallographic structures after continuous cooling transformation of roll steel under higher austenizing temperature

3 结论

(1)利用膨胀法结合金相组织测得了一种新型轧辊用钢的连续冷却转变曲线。

(2)在很宽的冷却速度范围(2℃/min～1 200℃/min)内，随着冷却速度的增大，轧辊用钢连续冷却转变后的显微组织经历了由珠光体到贝氏体再到马氏体的演变过程。

(3)轧辊用钢在不同冷却速度下得到的组织均存在未溶碳化物，且存在组织偏析。通过提高奥氏体化温度的方法可使碳化物充分溶解，使组织均匀化。

[1] 刘云旭.金属热处理原理. 机械工业出版社.1981,169-209.

[2] 杨胜蓉.YB/T5128-93钢的连续冷却转变曲线图的测定方法(膨胀法).北京:中国标准出版社，1996.

[3] 路妍，王军华，苏杰，杨卓越，谢刚.奥氏体化温度对30Cr3SiMnNiWMo钢组织性能的影响.特殊钢.2011,32(4):60-63.

[4] 李顺杰，杨弋涛，彭坤，金曼，邵光杰.奥氏体化温度对Cr5合金钢组织和性能的影响.金属热处理.2010,35(1):110-113.