鉻系冷軋輥鋼的耐磨和淬透性研究

冷輥是冷輥的主要消耗部件。冷輥材料的質量對質量、成本和冷工藝的產量起著非常重要的作用。隨著現代冷軋機大型化、高速化的發展,冷軋輥用鋼從傳統的鉻鋼系向高合金鋼轉變,冷軋輥的性能有了大幅度的提高,鋼種和制造方法也呈現多元化的趨勢。磨損是冷軋輥使用過程中常見的失效形式,冷軋輥耐磨性能不僅對冷軋板材的質量、成本、產量起著重要的影響,而且決定了冷軋輥的工作壽命。淬透性表示試樣在淬火時獲得硬化層深度的大小的能力,淬透性好,淬硬層深度深,有利于提高冷軋輥的耐磨性,延長其使用壽命。已有研究表明,Cr含量從3%提高到8%～10%,軋輥的耐磨性可增加近三倍。硅是石墨化元素,它不僅能調整軋輥工作層的耐磨性和抗熱裂性能,且能提高鋼的淬透性和回火穩定性。因此,通過改變冷軋輥鋼中的合金元素鉻和硅的含量,探討不同鉻和硅含量對軋輥鋼性能的影響并由此確定合理的合金范圍具有重要的意義。1實驗材料和方法1.1物理模擬模擬根據合金化原理,并參考國內外冷軋輥材料的成分及性能特點,同時以相圖計算為輔助,確定Cr和Si含量的選取點分別為3.0%、5.0%、7.0%和0.66%、1.0%、1.5%、2.0%。采用小型真空熔煉系統熔煉,以MC3和MC5材質為原料,添加適量的純鉻和純硅,制備重約100g的鈕扣錠試樣,實現對實際軋輥表面工作層的物理模擬。參考冷軋輥生產工藝,將鈕扣錠試樣先后經過擴散退火、鍛造、正火、球化退火、淬火和回火等工序處理。1.2硬度和耐磨性能用洛氏硬度計測量試樣的宏觀硬度,每個試樣測5個點,最后取其平均值作為試樣的宏觀硬度值。采用MM200型磨損機進行磨損試驗,對磨材料為高速鋼,載荷為5kg,磨損條件為干磨,通過磨損的失重量來衡量不同材料的耐磨性。磨損試驗試樣的大小為3mm×7mm×10mm。1.3試樣淬透能力的測定由于試樣截面積較小,合金含量高,淬透性較好,因此難以用測量端淬曲線的方法來確定試樣淬透能力的大小。實驗中采用測量Ms點溫度的方法來大致判斷材料淬透能力的大小。采用熱膨脹快速相變儀DIL805A測定試樣的Ms點,奧氏體化溫度分別為950℃和1050℃,冷卻速度為10℃/s。2結果與分析2.1鋼中加入等溫、設立原理根據不同Cr、Si含量進行了TTT曲線的熱力學計算,其中鉻含量分別為3%、5%、7%的計算結果如圖1所示。由計算結果可知,隨著Cr含量的增加,相變孕育期增長,等溫轉變曲線向右移動;同時珠光體轉變向高溫移動,貝氏體轉變向低溫移動。因此,鋼中加入適量的鉻可以明顯提高鋼的淬透性,對提高冷軋輥淬硬層的深度、提高耐磨性具有一定的作用。同時,計算結果也表明硅能提高鋼在加熱和冷卻時的臨界轉變溫度,增加過冷奧氏體的穩定性,顯著推遲珠光體轉變而對貝氏體轉變的影響不大,從而使鋼的淬透性提高,因此對提高冷軋輥淬硬層的深度、提高耐磨性也將產生一定影響。2.2碳化物類型的改變不同鉻、硅含量與硬度的關系分別如圖2所示。由圖2可知,隨著鉻含量的提高,試樣的硬度先增加后略微減小,這是由于組織中含Cr碳化物類型的改變即由M3C轉變為M7C3型復雜合金碳化物和碳化物數量的增加所導致的,碳含量和淬火溫度保持不變時隨鉻含量增加,淬火硬度是下降的,因此綜合作用下Cr含量為5%～7%時試樣硬度存在降低的趨勢;隨著硅含量的增加,試樣硬度值的變化不大,先增加后減小,硅的加入起到了固溶強化的作用,但是硅阻止碳化物的析出,導致殘余奧氏體量增加,因此其硬度變化不大。2.3材料的硬度和選擇鉻和硅含量與磨損失重量關系的實驗結果如圖3所示,磨損時間分別為100min和150min。由圖3(a)可知,隨著鉻含量的增加,磨損失重量逐漸減少,這說明隨著鉻的增加,試樣的耐磨性得到提高。這是由于隨著鉻的增加,試樣的硬度先增加后減小(如圖2(a)),但Cr含量為7%時其硬度值降低程度不大,碳化物類型的改變和數量的增加對耐磨性的影響比較顯著,因此總的來說耐磨性還是得到了一定的提高。同時隨著磨損時間的延長,鉻含量較高的試樣的磨損率降低趨于平穩,這可能是由于試樣硬度的降低導致的。根據文獻,Cr是軋輥鋼中最重要的合金元素,隨其含量的不同可形成不同類型的碳化物,Cr含量較低時形成M3C的滲碳體,硬度800～1200HV;Cr含量達2.5%～3%以上時,主要生成M7C3型碳化物,硬度1300～1800HV,可顯著提高試樣的耐磨性,同時提供較高鉻鋼高耐磨性的條件是在形成比M3C質點更硬的M7C3的前提下又要求有較高的析出碳化物的體積分數,因此提高鉻含量可明顯提高軋輥的耐磨性。但實驗的條件是在含碳量和淬火溫度不變的情況下,否則過高的鉻會導致試樣的淬火硬度降低,從圖3可以看出長時間的磨損,試樣的磨損失重量呈平穩的趨勢,因此從材料的硬度、耐磨性及經濟效益考慮,在不改變碳含量的情況下,Cr含量5%～7%是較為理想的范圍。由圖3(b)可知,硅含量為1%和1.5%時,試樣具有較好的耐磨性,這和材料硬度變化的趨勢是一致的(圖2(b))。硅提高鋼的耐磨性,可能是由于硅能減少摩擦發熱時的氧化作用和提高鋼的冷變形硬化率的作用。研究發現Cr6%鋼中加入1.5%的硅時對提高耐磨性比較顯著。耐磨性不僅與硬度有關,還與顯微組織有關,碳化物與基體的結合狀態對耐磨性有很大影響,如果基體脆性程度大就會影響碳化物與基體的結合程度,影響其耐磨性。硅溶于基體中增加基體脆性,因此添加過多的硅元素對耐磨性的提高并不利,隨著磨損時間的增加,硅元素能減少摩擦時的氧化作用,因此在150min的條件下,硅含量為1.5%(Cr約為5%)時,試樣顯示出最好的耐磨性。2.4實驗結果與分析因直接用端淬法無法評價小型真空熔煉紐扣錠試樣的淬透性,本文借助測量Ms點溫度的高低來間接且相對地評估試樣的淬透性。實驗中研究Cr元素的作用時,考慮到M3C和M7C3型碳化物在950℃下穩定性的不同會影響材料的淬透性,因此分別在950℃和1050℃下研究其淬透性,實驗結果如表1所示。由表1可知,奧氏體化溫度為950℃時,隨著鉻含量的增加,Ms點先升高后稍微降低,這與相圖計算的結果基本一致(如圖1)。奧氏體化溫度為1050℃時,隨著鉻含量的增加,Ms點逐漸降低。這是由于奧氏體化溫度為950℃時,Cr3%基體中溶入的合金元素較多,碳化物基本溶入基體中,Ms點較低,隨著鉻含量的增加,碳化物類型的改變導致基體中合金元素的含量減少,Ms點升高,但是在碳化物類型、碳含量不變的情況下,加入的合金元素越多,基體的合金化程度越好,所以Ms點降低。奧氏體化溫度為1050℃時,所有的碳化物基本都溶入到基體中,所以隨著鉻含量的增加,Ms點逐漸降低。研究Si元素的作用時,采用的奧氏體化溫度為950℃,實驗結果如表2所示。由表2可知,隨著硅含量的增加,Ms點的變化趨勢是基本降低的,溶入到基體中的硅起到降低Ms點的作用,實驗結果與相圖計算結果基本一致,因此增加硅能提高鋼的淬透性。2.5熱處理對試樣耐磨性的影響不同Cr、Si含量的試樣經熱處理后的金相組織分別如圖4、5所示。從圖4可知,試樣的組織為回火馬氏體和彌散分布的細小的顆粒狀碳化物,并且隨著鉻含量的增加,細小碳化物的數量逐漸增多,組織越均勻。隨著鉻含量的增加,低硬度的M3C型碳化物逐漸轉化為高硬度的M7C3型碳化物,M7C3數量增加且組織均勻細小,但由于基體中含碳量的減少,所以試樣的硬度先增加后略微降低,綜合考慮得出試樣的耐磨性提高。由圖5可知,經淬火和低溫回火后試樣組織為回火馬氏體、細小的粒狀碳化物和殘留奧氏體。硅固溶于基體中提高淬透性,但是隨著硅含量的增加,殘余奧氏體數量增加,因此對宏觀硬度的影響不大,但由于硅能增加基體的脆性同時減少摩擦發熱時的氧化作用,所以綜合考慮得出硅含量對耐磨性的影響。3重復合成法的硬度(1)在含碳量不變的情況下,隨著鉻含量的增加,組織中細小的碳化物數量逐漸增加,碳化物類型由低硬度M3C型轉化為高硬度的M7C3型,基體碳含量減少,硬度呈先增加后減小的趨勢。(2)隨著鉻含量的增加,在奧氏體化溫度為950℃時