半高速钢轧辊显微组织和碳化物类型研究

鲁 莎 郭秋娟 田明艳

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

半高速钢轧辊显微组织和碳化物类型研究

鲁 莎 郭秋娟 田明艳

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

对两种不同成分的半高速钢试样进行淬、回火处理，研究不同热处理状态下半高速钢材料的显微组织及不同类型碳化物的形貌和特性，为开发半高速钢轧辊产品，有效改善轧辊性能提供依据。

半高速钢轧辊；显微组织；碳化物

半高速钢减少了高速钢中的合金元素含量。近年来国内外研究发展的合金总量在8%～15%的半高速钢，碳含量在0.16%～1.12%，合金元素钨、钼、钒含量相对降低，凝固时一次共晶碳化物量减少，并呈不连续分布，具有较高的韧性，是一种具有较好发展前景的材料。半高速钢化学成分设计的原则是添加较低含量的合金元素，使其保持足够的二次硬化效果，在相同的热处理工艺下可以得到与高速钢相同的硬度，从而代替高速钢使用，满足工作辊的表面硬度要求及耐磨性要求[1]。半高速钢的成分特点是：含有约4%的Cr，W、Mo等元素减少，C、V增加。

研究半高速钢不同热处理状态下的组织及碳化物形态分布，控制碳化物的溶解和析出，为开发半高速钢轧辊产品，有效改善轧辊的性能提供依据。

1 试样准备

试验用的两种成分半高速钢试料，编号分别为1#和2#，具体成分如表1所示。

半高速钢试样的淬火、回火热处理工艺曲线见图1。

2 组织及碳化物形貌观察和分析

机加工去除热处理后试样表层形成的氧化层。按国家标准GB/T 13298—2015《金相显微组织检验方法》对试样进行磨抛制备。用苦盐酒溶液(1 g苦味酸+5 ml盐酸+100 ml酒精)浸蚀试样显示组织。用德国蔡司200MAT光学显微镜观察试样浸蚀面。

表1 两种半高速钢试料化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of two semi-high speed steel specimens (mass fraction, %)

淬火态试样晶界形貌见图2。与国家标准GB/T 6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》系列评级图进行比较，1#和2#试样的晶粒度均为7.0级；回火态晶粒显示不明显。

淬火态试样组织形貌见图3。1#试样的组织为马氏体、贝氏体、莱氏体(马氏体和共晶碳化物)、少量不规则条块状一次碳化物和分布在马氏体、贝氏体基体上的细粒状碳化物；2#试样的组织为马氏体、贝氏体、少量莱氏体、少量不规则条块状一次碳化物和分布在马氏体、贝氏体基体上的细粒状碳化物。碳对半高速钢组织中碳化物的含量影响很大，合金元素次之[2]。1#试样碳含量较高，所以组织中碳化物数量明显比2#试样多。淬火状态下，存在较多加热未溶解的一次共晶MC型碳化物。

文献[3]表明，半高速钢退火状态下组织中含有MC、M6C和M7C3型碳化物，淬火加热时M6C和M7C3型碳化物溶解，回火过程中析出MC、M2C、M6C和M7C3型碳化物。回火后的组织中碳化物显示的更清楚，主要是在马氏体和贝氏体基体上沉淀析出的各种类型的碳化物。1#试样回火后组织形貌见图4。根据形状可以初步区分碳化物的类型，条块状的MC型碳化物、骨骼状的M6C型碳化物和菊花状的M7C3型碳化物，未发现条束状的M2C型碳化物。

图1 淬火、回火热处理工艺曲线Figure 1 The quenching and tempering heat treatment curve

1#试样

2#试样图2 淬火态晶粒形貌(100×)Figure 2 The grain morphology of quenched state (100×)

3 不同类型碳化物分析

用高锰酸钾-氢氧化钠水溶液(5 g高锰酸钾+5 g氢氧化钠+100 ml水)浸蚀半高速钢材料中的碳化物，不同类型碳化物的浸蚀程度不同。碳化物浸蚀形貌如图5所示。1#试样莱氏体中一部分碳化物浸蚀程度较重，显示深色，另一部分浸蚀程度较轻，显示较亮的灰色，颗粒状碳化物显示较明显。观察发现，菊花状和条块状的碳化物浸蚀程度较轻，比较耐腐蚀，而骨骼状碳化物浸蚀程度较重，不耐腐蚀。2#试样中碳化物多数以骨骼状莱氏体形态存在，浸蚀程度较重，均显示出较深的颜色，仅有少量条块状碳化物浸蚀程度较轻，颗粒状碳化物显示不明显。

1#试样

2#试样图3 淬火态组织形貌(500×)Figure 3 The microstructure of quenched state (500×)

图4 1#试样回火态组织形貌Figure 4 The microstructure of tempered state of 1# specimen

1#试样2#试样

图5 碳化物浸蚀形貌Figure 5 The etching morphology of carbide

图6 菊花状和条块状碳化物形貌及成分扫描电镜及能谱分析Figure 6 The morphology and SEM and EDS composition analysis of chrysanthemum and strip-block shaped carbide

图7 骨骼状碳化物形貌及成分扫描电镜及能谱分析

Figure 7 The morphology and SEM and EDS composition analysis of skeleton shaped carbide

利用光学显微镜图像分析仪测定不同类型碳化物的含量。通过筛选目标功能，将面积小于2 μm2的细小颗粒状碳化物筛选出来，进行专项分析，测定两相面积百分比，可以测定细颗粒状碳化物的含量。另外，根据不同碳化物亮暗程度的不同分别测定菊花状和条块状碳化物、骨骼状碳化物的含量。1#试样不同类型碳化物的含量测定结果见表2，碳化物的总量为12.7%。

表2 1#试样不同类型碳化物含量Table 2 The content of different types of carbide of 1# specimen

4 扫描电镜及能谱分析

采用美国FEI公司型号为Quanta400的扫描电镜及能谱仪对试样的不同类型碳化物进行成分分析，结果见表3。

表3 不同类型碳化物成分特点Table 3 The composition characteristics of different types of carbide

通过扫描电镜及能谱分析检测发现，耐蚀的条块状和菊花状碳化物的V含量较高，易蚀的骨骼状碳化物的Mo含量较高。不同类型碳化物的扫描电镜及能谱分析结果如图6和图7所示。另外，还发现多处碳化物内均存在CaO夹杂，可能是碳化物容易以夹杂物为核心形核长大。

5 结论

半高速钢试样淬火态能看到明显的晶粒形貌，而回火态晶粒显示不明显；组织为马氏体、贝氏体、莱氏体、少量不规则条块状一次碳化物和分布在马氏体、贝氏体基体上的细粒状碳化物。淬火状态下，存在较多加热未溶解的一次共晶MC型碳化物；回火后的组织中碳化物显示更清楚，主要是在马氏体和贝氏体基体上沉淀析出的各种类型的碳化物，分析得出，耐蚀的条块状和菊花状碳化物V含量较高，易蚀的骨骼状碳化物Mo含量较高。

[1] 刘德富，尹钟大．高速钢及半高速钢轧辊[J]．钢铁，2004,39(4):69-73．

[2] 宫开令，高春利，张自立．半高速钢轧辊材料性能的研究[J]．轧钢，2003,20(6):22-24．

[3] 刘德富，尹钟大，徐德祥，等．冷轧工作辊用半高速钢中碳化物的溶解和析出[J]．钢铁，2005,40(4):69-71．

编辑 杜 敏

Study on Microstructure and Carbide Type of Semi-High Speed Steel Roll

Lu Sha, Guo Qiujuan, Tian Mingyan

The specimens of semi-high speed steel with two different chemical compositions have been quenched and tempered. Then the microstructure and the appearance and characteristics of different types of carbide of semi-high speed steel under different heat treatment conditions have been studied, so as to provide the basis for developing the semi-high speed steel roll and improving the mechanical properties of roll.

semi-high speed steel roll; microstructure; carbide

2016—08—11

TG142.1+1

B