白興紅 趙席春 郭峰 南玉靜

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

收稿日期：2021-08-30

作者簡介：白興紅(1984—)，女，高級工程師，碩士，主要從事支承輥新材料、新產(chǎn)品、新工藝研發(fā)工作。

軋輥作為軋鋼設(shè)備的重要工具及消耗件，始終伴隨著軋鋼技術(shù)的進步和軋鋼裝備的更新而不斷發(fā)展，材質(zhì)己形成系列化，由早期的Cr2發(fā)展到現(xiàn)在的Cr4、Cr5等高合金材質(zhì)。Cr5鋼因其高的合金含量而擁有優(yōu)越的淬硬性、淬透性以及良好的耐磨性和抗斷裂性，成為連軋機支承輥和有色軋機工作輥的主流產(chǎn)品材料[1-3]。隨著冶金質(zhì)量的提高和熱工藝的完善，從改善耐磨性考慮提高碳含量[4]，進一步提高軋輥使用性能。熱處理溫度直接影響了組織狀態(tài)、硬度、強度、塑韌性等力學(xué)性能。本文研究了熱處理溫度對高碳Cr5軋輥鋼組織與性能的影響規(guī)律，為高碳Cr5軋輥鋼熱處理工藝的制定與優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

試驗材料為高碳Cr5材質(zhì)，源自生產(chǎn)鍛件，化學(xué)成分見表1。材料的熱處理狀態(tài)為鍛后球化態(tài)，用線切割切取塊狀試樣，采用高溫井式電阻爐進行熱處理模擬，工藝方案為：900～1100℃、保持150 min的奧氏體化，出爐迅速油冷，考察淬火溫度對試驗鋼顯微組織和硬度的影響；選擇固定淬火溫度，經(jīng)450～680℃保持5 h回火，考察回火溫度對試驗鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of tested steel (mass fraction,%)

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察鋼的顯微組織；采用維氏硬度計測定試樣硬度，按照硬度轉(zhuǎn)化表轉(zhuǎn)化為工程常用硬度計量單位(HSD)；采用300 kN拉伸試驗機進行拉伸試驗；采用夏比擺錘試驗機進行沖擊(U型)試驗。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 淬火試驗

2.1.1 淬火溫度對顯微組織的影響

金相組織檢測發(fā)現(xiàn)，淬火溫度900～1000℃時，組織多為馬氏體和顆粒狀碳化物。圖1(a)、(b)、(c)、(d)分別為920℃、980℃、1000℃、1100℃保溫150 min后油冷的金相組織，隨著淬火溫度的升高，馬氏體組織有粗化的趨勢，1100℃時組織為粗大的馬氏體。

圖1 試驗鋼淬火顯微組織Figure 1 Microstructure of tested steel after quenching

2.1.2 淬火溫度對晶粒度的影響

對淬火溫度920～1100℃下各試樣的晶粒度進行檢測，圖2為920℃、980℃、1000℃、1100℃保溫150 min后油冷淬火的晶粒度照片，表2為晶粒度評定結(jié)果。可以看出，隨著淬火溫度的升高，晶粒逐漸長大；溫度低于1000℃時，奧氏體晶粒生長緩慢，而溫度高于1000℃時，晶粒迅速長大，這與上述金相組織是相對應(yīng)的。

圖2 試驗鋼在不同淬火條件下的晶粒度照片F(xiàn)igure 2 Grain size photos of tested steel at different quenched temperatures

表2 不同淬火溫度下的試樣晶粒度Table 2 Grain size of tested steelat different quenched temperatures

2.1.3 淬火溫度對碳化物溶解的影響

圖3為試驗用鋼在不同溫度保溫150 min后淬火的碳化物形貌?？梢钥闯觯S著淬火溫度的升高，碳化物溶解量逐漸增多：980℃以上碳化物明顯溶解，1000℃碳化物大量溶解，1100℃已完全溶解。該試驗鋼中含有很多的強碳化物形成元素，這些合金碳化物熔點高，加熱溫度較低時，碳化物溶解量少，對奧氏體形成和長大都有強烈的阻礙作用。因此，淬火溫度應(yīng)選擇低于1000℃，保證奧氏體內(nèi)存在一定量的未溶碳化物顆粒，一方面抑制奧氏體晶粒長大，另一方面使一定量的合金元素溶解，形成高淬硬性的馬氏體，提高組織強度和硬度。

圖3 試驗鋼的碳化物溶解情況Figure 3 Dissolution situation of carbides in tested steel

2.1.4 淬火溫度對硬度的影響

對經(jīng)不同溫度淬火的試樣進行硬度檢測，結(jié)果見圖4?？梢钥闯觯嚇哟慊鹩捕瘸尸F(xiàn)出先升后降的趨勢，大致分為兩個階段：低溫區(qū)硬度(≤980℃)隨淬火溫度升高而升高，高溫區(qū)硬度(>980℃)隨淬火溫度升高而降低。淬火溫度>980℃時，硬度下降，這與試樣中殘余奧氏體量增加有關(guān)[5-6]：隨著淬火溫度的升高，奧氏體中溶解的碳和合金元素含量增多，提高了過冷奧氏體穩(wěn)定性，使得Ms點降低，殘余奧氏體量增多，表現(xiàn)為硬度下降。結(jié)合上述顯微組織，該鋼種淬火溫度應(yīng)低于1000℃，從而得到細小的顯微組織和較高的硬度。

圖4 不同溫度淬火后試樣硬度Figure 4 The hardness of the test pieceafter quenching at different temperatures

2.2 回火試驗

2.2.1 不同回火溫度下的顯微組織

經(jīng)不同溫度回火后的顯微組織見圖5，560℃以下回火時的顯微組織均為“回火馬氏體+顆粒狀碳化物”；600℃以上為“回火索氏體+顆粒狀碳化物”。因此，在制定熱處理工藝時，根據(jù)不同部位的使用要求，合理選擇回火溫度。

圖5 回火后的顯微組織Figure 5 Microstructure after tempering tested steel

2.2.2 回火溫度對硬度的影響

對經(jīng)不同溫度回火的試樣進行硬度檢測，結(jié)果見圖6。隨著回火溫度的升高，硬度逐漸降低，當回火溫度為450～500℃時，硬度達到平臺78HSD，說明該鋼具有較高的回火穩(wěn)定性。

圖6 不同溫度回火后硬度曲線Figure 6 The hardness of the tested steel after temperingat different temperatures

2.2.3 回火溫度對力學(xué)性能的影響

對經(jīng)不同溫度回火的試樣進行力學(xué)性能檢測，結(jié)果見圖7。隨著回火溫度的升高，抗拉強度和屈服強度顯著降低，斷后伸長率和斷面收縮率明顯升高，沖擊吸收能量逐漸升高?；鼗饻囟?60℃時，抗拉強度高達1723 MPa，其對應(yīng)的斷后伸長率為10%、斷面收縮率為30%，沖擊吸收能量(KU2)20 J；回火溫度680℃時，抗拉強度1001 MPa，屈服強度814 MPa，斷后伸長率18%，斷面收縮率53%，沖擊吸收能量(KU2)45 J。可見，試驗鋼基體強度高，而且保持著良好的塑韌性，說明該鋼具有較好的綜合力學(xué)性能。

(a)強度

3 結(jié)論

(1)試驗鋼經(jīng)不同溫度淬火后的顯微組織為馬氏體和顆粒狀碳化物，隨著淬火溫度的升高，碳化物溶解量增多、晶粒長大、組織粗大。淬火溫度高于1000℃時，上述變化趨勢愈加明顯。

(2)隨著淬火溫度的升高，硬度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，低溫區(qū)硬度(≤980℃)隨淬火溫度升高而升高，高溫區(qū)硬度(>980℃)隨淬火溫度升高而降低。

(3)在選定的淬火溫度下進行回火，回火溫度較低時，試樣組織為回火馬氏體和顆粒狀碳化物；回火溫度較高時，試樣組織為回火索氏體和顆粒狀碳化物。

(4)試樣硬度隨著回火溫度的降低而逐漸升高，回火溫度降低至500℃及以下時，硬度達到一平臺，說明試驗鋼具有較高的回火穩(wěn)定性。

(5)隨著回火溫度的升高，抗拉強度和屈服強度顯著降低，斷后伸長率和斷面收縮率明顯升高，沖擊吸收能量逐漸升高。試驗鋼基體強度高，并且保持著良好的塑韌性，說明該鋼具有較好的綜合力學(xué)性能。