铸造高速钢轧辊外层金相组织分析

谷珊珊，黄斌斌，陈枫林

（德龙钢铁有限公司，河北 邢台 054009）

铸造高速钢轧辊外层金相组织分析

谷珊珊，黄斌斌，陈枫林

（德龙钢铁有限公司，河北 邢台 054009）

本文主要利用金相显微镜、图像分析仪和显微硬度计分析离心复合铸造高速钢轧辊的外层金相组织，并总结了其显微组织、碳化物及硬度的变化规律。

高速钢；金相组织；变化规律

随着世界钢铁工业的迅速发展，轧辊的消耗量越来越大，因此，如何提高轧辊的轧制性能和使用寿命是轧辊研制者面临的新课题。德龙钢铁有限公司作为轧辊生产制造企业，经过近十年的努力，将高速钢材料应用于轧辊制造上，取得了很好的使用效果。

高速钢作为轧辊材料的应用在1988年始于日本，由于高速钢具有很高的耐磨性和淬透性，尤其是在高温时的红硬性，使得高速钢很适合于用作制造轧辊。高速钢轧辊一般被用在热带钢连轧机精轧前段，现在精轧后段和粗轧机架也开始采用，据统计分析，本公司生产的高速钢轧辊正常磨削一次至少可轧3个周期，这样在使用过程中就降低了换辊频率，增加了轧辊使用次数，间接地降低了轧辊消耗和使用维护费用。

一、产品简介与试验方法

我公司生产的铸造高速钢轧辊采用高速钢作为工作侧，用韧性满足要求的球墨铸铁作为轧辊的芯部材料，由于外层材质与芯部材质成分相差很大，在结合层部位很容易形成大量的粗大碳化物，并降低结合区强度，为此使用三层复合浇注，中间过渡层为石墨钢，这样可使成分落差不是很大，结合层位置有足够的强度。三种材质以离心浇注的方法熔铸到一起，既满足外层的高硬度和耐磨性，还使辊颈及芯部具有好的强韧性。

本次试验随机抽取了4根铸造高速钢的工作层试样，分别编号为1#、2#、3#、4#，每个试样统一沿轧辊的横向由表及里截取，试样的长度为55mm，经磨制抛光后由外到里每隔5mm做一处标记，再用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，利用欧波同金相显微镜、Leika图像分析仪和显微硬度计分别进行金相组织分析、碳化物定量、显微硬度测量，最后再测量每个标记处的肖氏硬度。碳化物定量时，每个标记位置选取10个视场进行评定，取其平均值。测量显微硬度值和肖氏硬度时每个位置测量3个点取平均值。

二、试验结果与分析

1.轧辊外层金相组织及碳化物形态

铸造高速钢轧辊经过差温淬火和高温回火后，检测4个试样的金相。由图1可见，高速钢的金相组织主要为马氏体、残余奥氏体和碳化物，但是在3#试样的后端（40-55mm标记处）出现了细珠光体，见图2标记处呈黑色的组织形态。分析其原因，主要是3#轧辊在淬火冷却时其工作层内部冷速不够，以致在试样的后段出项珠光体，在此试样的外层就没有发现珠光体的存在。

同样由图1可以看出，高速钢轧辊的碳化物形态主要为块状、菊花状和条状，块状碳化物分布在基体组织内部，条状碳化物主要分布在基体的边界，而菊花状的碳化物则是聚集分布，其中条状碳化物有链接成网状的趋势，且条状碳化物明显多余其它两种碳化物。究其原因，认为是轧辊使用的高速钢为了得到较高的硬度和耐磨性，其中含有较多的碳、钒和钼元素，结合前人的研究结果可知，钒含量较多时将迫使大量的钼元素形成M2C型碳化物，而经电镜分析，条状碳化物主要就是M2C型碳化物，因此碳化物多呈条状分布。

图1 高速钢轧辊外层金相图片

图2 基体组织中出现珠光体

图3 碳化物含量变化曲线

2.碳化物含量

碳化物的含量多少是轧辊性能的一个重要指标，因此试验采用图像分析仪对每个标记位置的碳化物进行定量，并将得到的数据整理成图3，由图3中可以看到碳化物的变化趋势是由外层到里层含量先增加再降低，离心浇注的高速钢轧辊外层含有较多的合金元素，这些形成碳化物的合金元素在离心浇注过程中会有一个偏析分布，即外层合金含量多于内层含量，这就造成外层的碳化物含量大于内层，但是由于最外层冷却速度太快，奥氏体中的碳化物来不及析出，造成碳化物含量较少。

3.肖氏硬度及显微硬度测量

利用硬度计对做好标记的试样进行测量，得到的试验结果见图4、图5，由试验结果可知，轧辊外层0-55mm的肖氏硬度值基本维持在HS75-82之间，硬度落差不大，稳定性较好，总体由外向内呈现降低趋势，分析认为是由于轧辊的内层冷却速度较慢，而外层冷却较快，造成轧辊外层冷却后，芯部还有较高的温度，这样芯部对冷却的外侧起了退火的作用。

图4 肖氏硬度变化曲线

图5 微观硬度测量值比较图

基体的显微硬度多集中于HV550-750之间，这是由于基体组织以马氏体为主的缘故，马氏体的硬度较高，一般都在HV550以上，比较4个试样的基体硬度发现4#试样的硬度值偏低，这主要是因为其基体组织中的残余奥氏体含量较多，硬度计压头没有压在完全的马氏体组织上，以致整体硬度较低。

综合分析两种硬度的测量数值发现，基体显微硬度高的试样，其肖氏硬度值也高，两者几乎呈正比关系，4个试样的硬度值由高到低依次排序：3#＞1#＞2#＞4#。再联系4个试样碳化物的分布情况来看，碳化物含量高则硬度值也高。由此可以得出轧辊的宏观硬度与碳化物和基体硬度有关，铸造高速钢的碳化物含量多，基体中残余奥氏体的含量少时，其在宏观性能上的表现就是硬度值偏高。

三、结论

第一，铸造高速钢轧辊的外层组织一般为马氏体、残余奥氏体和碳化物，如果内层冷速不够，基体上会出现细珠光体。

第二，铸造高速钢轧辊由外层到内层碳化物含量逐渐降低，碳化物形态呈条状、菊花状和块状，尤以条状居多。

第三，轧辊肖氏硬度由外到内呈现降低趋势，但硬度落差较小。基体马氏体的显微硬度集中在HV550-750，基体中残余奥氏体含量多时，显微硬度会减低。

第四，轧辊的宏观硬度与碳化物和基体硬度有关，铸造高速钢的碳化物含量多时，基体中残余奥氏体的含量少时，其在宏观性能上的表现就是硬度值偏高。

［1］叶荣茂.铸造工艺设计简明手册［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［2］杨洋，何国球等. 轮轴钢35CrMoA单轴微动疲劳失效机理［J］.金属功能材料，2015（1）：21-26.

［3］王文清，李魁盛.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，1998.

Analysis on Outer Layer Microstructure

GU Shan-shan，HUANG Bin-bin，CHEN Feng-lin

（Delong Iron & Steel Co. Ltd， Xingtai， Hebei 054009， China）

By means of metallographic microscope， image analyzer and micro hardness meter analysis outer microstructure of centrifugal composite casting high speed steel roll， and the paper summarizes the rule of microstructure， carbides and hardness.

high speed steel； metallographic structure； carbides

TG260

A

1008—6129（2015）03—0074—03

（责任编辑 王傲冰）

2015—03—25

谷珊珊（1986—），女，河北宁晋人，德龙钢铁有限公司，助理工程师。