韓維國 梁建立 黨坤會(huì)

(1. 軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北054025；2. 中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北054025)

冷軋輥在使用過程中，要承受比熱軋輥更大的軋制壓力和劇烈摩擦帶來的剪切應(yīng)力，而且軋制中經(jīng)常受到機(jī)械沖擊和熱沖擊，加上軋件的焊縫、夾雜、邊裂等問題導(dǎo)致瞬間高溫，使其表面極易產(chǎn)生裂紋、粘輥甚至報(bào)廢[1-4]，而輥印是出現(xiàn)頻率最高、嚴(yán)重影響帶鋼質(zhì)量的主要失效形式。為適應(yīng)這樣的工作環(huán)境，冷軋輥不僅要具有高的表面硬度、優(yōu)良的耐磨性和粗糙度，還要具有優(yōu)良的抗輥印性能。

為更好地解決上述問題，尤其是提高軋輥抗輥印性能，需要提高輥身硬度，常規(guī)做法主要是提高合金強(qiáng)度或降低回火溫度，這往往會(huì)增加偏析和剝落傾向。本文在冷軋用鋼的基礎(chǔ)上，通過相圖計(jì)算優(yōu)化碳化物種類和數(shù)量，改善其耐磨性和抗輥印性能。首先從熱處理工藝方面著手，確定其相變點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整熱處理溫度、控制碳化物析出等實(shí)現(xiàn)組織控制及性能優(yōu)化。為此，首先要了解原始組織在不同溫度下的相結(jié)構(gòu)、相的相對(duì)量以及加熱冷卻時(shí)組織相形貌的變化規(guī)律[2-4]。本文通過熱力學(xué)計(jì)算方法，計(jì)算抗輥印型冷軋輥用鋼的偽二元平衡相圖，確定鋼中平衡相種類及相變溫度，預(yù)測(cè)鋼中碳化物種類和析出特性，進(jìn)而提出合理的熱處理工藝。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)鋼選取抗輥印型冷軋輥用鋼，其化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of test steel(mass fraction, %)

采用Thermo-Calc軟件計(jì)算了抗輥印型冷軋輥用鋼在不同含碳量下的偽二元平衡相圖、相的相對(duì)數(shù)量變化，確定了鋼中平衡相種類及相變溫度，對(duì)鋼中碳化物的種類、析出特性及不同溫度下對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 相圖計(jì)算結(jié)果及分析

圖1是抗輥印型冷軋輥用鋼的偽二元平衡相圖。圖中標(biāo)出了各個(gè)線區(qū)的平衡相組成。圖中豎虛線對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)用鋼的碳含量區(qū)間(0.75%～0.90%)。并且標(biāo)示出各相區(qū)對(duì)應(yīng)的相組成情況。

圖1 抗輥印型冷軋輥用鋼的偽二元平衡相圖Figure 1 The pseudo-binary equilibrium phase diagram of the steel used in the anti-roll printing type of cold rolling roller

圖2 碳化物的元素種類及含量
Figure 2 Element types and contents of carbides

圖3 M7C3型碳化物的摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線
Figure 3 The curve of the mole fraction of M7C3carbides with temperature

由圖1可以看出，本試驗(yàn)用抗輥印型冷軋輥鋼在冷卻過程中，隨著溫度繼續(xù)降低，至1380℃時(shí)，液相消失，此時(shí)凝固過程完成，進(jìn)入γ單向區(qū)，隨后開始發(fā)生固態(tài)相變；當(dāng)溫度下降到1020℃左右時(shí)，自奧氏體中開始析出M7C3型碳化物；當(dāng)溫度繼續(xù)降低至840℃時(shí)，M7C3型碳化物開始向M23C6型轉(zhuǎn)變；溫度降至780℃時(shí)，開始發(fā)生奧氏體向鐵素體和M7C3共析轉(zhuǎn)變(γ→α+M7C3)；降至753℃時(shí)，奧氏體完全消失；溫度繼續(xù)下降至680℃時(shí)，σ相開始析出，并且M7C3型碳化物在溫度低于477℃時(shí)，開始向M3C2型大量轉(zhuǎn)變。根據(jù)以上結(jié)果可以看出，本試驗(yàn)用抗輥印型冷軋輥鋼中的平衡相組種類較多，尤其具備多種類型的碳化物，其室溫平衡組織為(α+σ+M3C2+M23C6+M7C3)。

2.2 碳化物種類及元素組成

從圖1可以看出，該鋼中的碳化物類型較多，并且其析出溫度及形式各不相同，為弄清抗輥印型冷軋輥用鋼中的碳化物種類及元素組成，對(duì)平衡條件下各碳化物相的元素進(jìn)行了熱力學(xué)分析，M7C3和M23C6均在溫度較高時(shí)析出，圖2(a)、圖2(b)分別列出了這兩種碳化物在不同溫度條件下的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果，M7C3主要由Fe、Cr和C組成，并且隨著溫度的降低，Cr元素經(jīng)歷驟降后又逐漸升高，此外還含有少量的Mn和V，因此其分子式可以近似寫作(Fe,Cr)7C3；與其相似，在M23C6中的主要元素組成也是Fe、Cr和C，但同時(shí)含有少量的Mo和Mn元素。

相比M7C3和M23C6型碳化物，σ及M3C2均由α中析出，且析出溫度相對(duì)較低，體積分?jǐn)?shù)也較小。圖2(c)、圖2(d)分別列出了這兩種碳化物在不同溫度條件下的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果。

由圖2(c)、圖2(d)可以看出，σ相實(shí)際為FCC結(jié)構(gòu)的VC，其內(nèi)部C元素含量較V元素稍高，還存在少量的Mo和Cr元素，隨著溫度的下降，其元素含量分布比較平穩(wěn)，M3C2型碳化物是由M7C3型碳化物在溫度低于477℃時(shí)轉(zhuǎn)變而來，其主要元素組成也是Cr、C和V，并且隨著溫度的降低，C元素含量基本保持不變，而Cr元素有所增加，V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有微小的降低。

2.3 熱處理工藝優(yōu)化

結(jié)合圖1給出的相圖計(jì)算結(jié)果，當(dāng)溫度超過780℃時(shí)，鋼中的α完全消失，其淬火溫度的選擇決定著其高溫碳化物類型的保留。在高于780℃時(shí)，鋼中存在M7C3和M23C6兩種類型的碳化物，相比之下，M7C3型碳化物具備較高的硬度和耐熱、耐磨性能[5-7]，若工件淬火后可得到細(xì)小的M7C3型碳化物均勻分布在馬氏體上的混合組織，即可得到非常優(yōu)異的性能。圖3為M7C3型碳化物的摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線，可以看出M7C3開始析出的溫度為1064℃，隨著溫度的降低，其含量不斷增加，冷卻至840℃時(shí)其摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)突然下降，此時(shí)M23C6型碳化物將開始出現(xiàn)，因此該鋼的淬火溫度應(yīng)在840℃以上。綜合M7C3型碳化物的摩爾分?jǐn)?shù)及溫度考慮，建議淬火溫度區(qū)間為900～950℃。

3 結(jié)論

(1)計(jì)算了抗輥印型冷軋輥用鋼的偽二元平衡相圖，確定了其平衡冷卻過程中的相組成，并預(yù)報(bào)了各相的臨界轉(zhuǎn)變溫度，其室溫平衡組織均為α+σ+M3C2+M23C6+M7C3。

(2)確定了抗輥印型冷軋輥用鋼中的碳化物種類及元素組成，σ相實(shí)際為FCC結(jié)構(gòu)的VC，其內(nèi)部C元素含量較V元素稍高，還存在少量的Mo和Cr元素，M3C2型碳化物的主要元素組成也是Cr、C和V。

(3)得出了M7C3型碳化物的摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化規(guī)律，綜合M7C3型碳化物的摩爾分?jǐn)?shù)及溫度考慮，建議淬火溫度區(qū)間為900～950℃。