球化处理工艺对高速钢轧辊使用性能的影响

袁乃博，梁利斌，杨金刚

上世纪八十年代后期，国外热带连轧机上开始试用高速钢轧辊，由于耐磨性优异，换辊周期成倍延长，换辊周期内轧制薄材时间延长，轧材质量、轧辊使用寿命和生产效率显著提高。二十世纪九十年代，日本高速钢轧辊应用已非常普遍，并将其推广至精轧后段，呈现出取代传统的高铬钢、高铬铸铁轧辊的态势。因此，对高速钢轧辊性能的研究是非常有必要的[1,2]。

1 试验方法

本试验所用试样材料为中钢邢机公司生产的新型高速钢轧辊，试样形状为方柱体，边长10～20mm，高约10mm。

为了保证所选取的试样的金相组织与原部件一致，即不发生组织变化，采用线切割的方法将铸态的新型高速钢轧辊切割成尺寸规则的小试样，分为两组，分别进行如下热处理：（1）对铸态组织进行金相观察；（2）将一组铸态试样进行球化退火：880℃×对球化退火组织进行观察；（3）将铸态和球化后的试样均进行1040℃、1080℃、1100℃和1120℃淬火处理，对淬火组织进行金相观察和硬度测试。

2 显微组织观察结果及分析

2.1 铸态组织

一般高速钢的铸态组织可以看成是由两大部分构成：一是钢的基体组织，由孤立的不连续的奥氏体晶粒组成，这种晶粒亦可称为初生晶粒；二是存在于各晶粒之间的共晶莱氏体网以及先共晶碳化物。而钢的化学成分和凝固时的冷却速度等因素都会对这些组织产生很大的影响，因此高速钢的铸态组织是很不均匀的。由于新型高速钢轧辊的碳含量较高，因此，其初生奥氏体晶粒内部组织是均匀的，无明显的晶内偏析。晶粒内部是最先凝固得到奥氏体晶粒，冷却的同时继续发生共晶反应L→γ+M6C。铸态的显微组织见图1，结合X射线衍射分析可确定鱼骨状莱氏体组织为M6C莱氏体。铸态组织的不均匀性，尤其是共晶莱氏体组织是任何热处理方法不能消除的。

图1 铸态显微组织

2.2 球化组织

由于新型高速钢轧辊铸态组织中存在鱼骨状共晶碳化物，这种状态随着轧辊凝固速度的减慢和辊型尺寸的增大而加剧，这种碳化物分布不均匀或纤维方向性的现象，导致材料的各向异性，严重影响轧辊的使用寿命，因此改善高速钢轧辊中碳化物的分布是提高轧辊质量的重要途径，须首先对其进行球化退火处理。球化退火工艺曲线见图2。

经过球化退火的组织中可确定为均匀分布的球状珠光体基体和在基体上均匀分布的颗粒合金碳化物及大量弥散分布的细粒合金碳化物，见图3。

图3 球化后显微组织

2.3 淬火组织

将铸态和球化退火后的试样分别加热到1040℃、1080℃、1100℃和1120℃进行淬火，工艺曲线见图4。

图4 淬火工艺曲线示意图

2.3.1 铸态淬火组织

铸态未经球化处理的高速钢轧辊试样经不同淬火温度淬火的显微组织见图5，主要是马氏体基体和分布在其上的碳化物，碳化物类型主要是M6C、M7C3和MC。可以看出铸态试样在1040℃、1080℃、1100℃和1120℃进行淬火的，随淬火温度升高，碳化物含量逐渐减少，组织也有所细化均匀。这是因为随淬火温度的提高，钢中的碳化物（主要是M6C）溶入了基体中，温度越高溶解的也越多，MC和M2C溶解量较少。图中黑色块状组织为马氏体组织，白色块状为一次碳化物，细小的为二次碳化物和少量的残余奥氏体。2.3.2 球化淬火组织

球化淬火组织和铸态未球化组织一样主要是马氏体基体和分布在其上的碳化物，碳化物类型主要是 M6C、M7C3和 MC。球化退火试样在 1040℃、1080℃、1100℃和1120℃进行淬火，可看出随淬火温度升高，碳化物含量逐渐减少，组织也更加均匀。图中黑色块状组织为马氏体组织，白色块状为一次碳化物，细小的为二次碳化物和少量的残余奥氏体，如图6所示。

2.3.3 铸态淬火和球化后淬火硬度分析

图7为铸态和球化后不同温度淬火硬度分布曲线。从图中可以看出，相同淬火工艺下球化后的硬度比未球化的高，铸态和球化的硬度均随淬火温度的提高先升后降。这是因为钢中的Cr等合金元素在奥氏体中的固溶量随温度的升高而增加，在随后冷却中弥散析出铬等的碳化物，弥散强化作用增加，因此宏观硬度值随淬火温度的升高而提高，但随奥氏体化温度的提高，析出的碳化物重新聚集长大，弥散强化作用降低导致了硬度值的降低。对新型高速钢轧辊，其硬度的最高值出现在奥氏体化温度为1100℃时。

图5 铸态淬火显微组织（a）淬火温度1040℃（b）淬火温度1080℃（c）淬火温度1100℃（d）淬火温度1120℃

图6 球化淬火显微组织（a）淬火温度1040℃（b）淬火温度1080℃（c）淬火温度1100℃（d）淬火温度1120℃

3 结论

（1）新型高速钢轧辊在相同淬火工艺下球化后的硬度比未球化的高。

（2）新型高速钢轧辊组织中含有一次碳化物（M6C、M2C 和 MC）、二次碳化物（M6C、M7C3和 M3C等）和残余奥氏体；随淬火温度的提高，这些组织有减小的趋势。

图7 铸态和球化后不同温度淬火硬度曲线

（3）无论是否经过球化处理，淬火后的高速钢轧辊硬度随奥氏体化温度的升高先升后降，硬度最高值出现在1100℃。

[1] 符寒光，刘金海.高速钢轧辊的研究和应用[J].中国铸造装备与技术,2002（5）:4-8.

[2] 符寒光.高碳高速钢制造工艺研究现状及展望 [J].中国钨业,2002,17（2）:37-42.