陳守東 王 銀

（ 1. 銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244061；2. 安徽環(huán)渤灣高速鋼軋輥有限公司，安徽 銅陵 244000 ）

一、引言

隨著我國(guó)從鋼鐵大國(guó)向鋼鐵強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)高性能特種鋼材的需求量逐漸擴(kuò)大，然而90%以上的鋼材都需要經(jīng)過軋制成形， 才能制備出應(yīng)用于實(shí)際的各種型材和板帶材。 在軋制過程中，軋輥直接與軋件接觸使其產(chǎn)生塑性變形和形成特定形狀， 同時(shí)根據(jù)軋制工藝還需在軋制變形區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻或是局部加熱，造成軋輥長(zhǎng)期在非常惡劣的環(huán)境中服役，使軋輥的消耗很大，占到整個(gè)鋼材生產(chǎn)成本的5～15%[1-3]。 對(duì)于常規(guī)的棒材軋制， 精軋機(jī)組K1 機(jī)架的軋制溫度達(dá)到950°C， 普通軋輥單軋槽過鋼量?jī)H為350t，K2 機(jī)架為700t， 而隨著國(guó)家對(duì)鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排和降低生產(chǎn)成本的要求， 當(dāng)前對(duì)于棒材軋制生產(chǎn)，要求精軋機(jī)組K1 機(jī)架的軋制溫度降低至870°C 以下， 終軋溫度的降低導(dǎo)致軋輥的磨損增大， 同時(shí)對(duì)軋輥的紅硬性和二次硬化性能提出了更高要求。 目前，國(guó)產(chǎn)高性能耐磨軋輥的整體性能穩(wěn)定性不夠，為達(dá)到企業(yè)相應(yīng)的產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)口大量軋輥[4]。

復(fù)合軋輥經(jīng)離心鑄造成型后，需經(jīng)過退火-粗加工-淬火-回火-精加工等工藝的處理，以滿足出廠標(biāo)準(zhǔn)， 其中熱處理工藝可顯著影響輥面硬質(zhì)相的分布和形態(tài)，因而，熱處理工藝在復(fù)合高速鋼軋輥的生產(chǎn)中具有重要的作用[5-7]。 侯錫銘等[8]研究了回火次數(shù)對(duì)SF9V 高速鋼材料的組織和性能的影響規(guī)律，表明熱處理后基體由鐵素體、碳化物和回火馬氏體組成，試驗(yàn)鋼硬度隨回火次數(shù)增加而降低。 遲宏宵等[9]研究了熱處理工藝對(duì)粉末冶金高速鋼W6Mo5Cr4V3Co8 組織和性能的影響，表明淬火后基體由馬氏體、殘余奧氏體和未溶碳化物組成，520°C 高溫回火后， 由殘余奧氏體轉(zhuǎn)變和合金碳化物析出導(dǎo)致出現(xiàn)顯著的二次硬化效應(yīng)。徐流杰等[10]研究了高釩高速鋼回火處理中碳化物析出和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變行為， 表明殘余奧氏體含量隨回火溫度的提高而降低，李勇等[11]研究了新型高速鋼在淬火回火工藝處理中組織與硬度的變化規(guī)律， 試驗(yàn)鋼在低于1200°C 淬火+600°C 回火時(shí)，硬度較低，1250°C 淬火+560°C 回火時(shí)， 硬度最高，Kamimiyada 等[12]采用離心鑄造法制備了外層高速鋼和芯部球墨鑄鐵的復(fù)合軋輥， 表明在淬火前對(duì)輥面進(jìn)行快速加熱，芯軸殘余拉應(yīng)力可降低30%。 Válek等[13]研究了熱軋精軋機(jī)組所用多層復(fù)合軋輥的熱處理工藝，表明經(jīng)較高溫度淬火+兩次回火工藝處理的復(fù)合軋輥能夠滿足熱軋精軋機(jī)組對(duì)軋輥綜合性能的要求。 雖然國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)高速鋼材料及其軋輥熱處理工藝開展了較多的研究工作， 在高速鋼材料退火、 淬火及回火工藝對(duì)其組織性能的影響規(guī)律方面取得了一些有價(jià)值的成果， 但是從工廠實(shí)際生產(chǎn)條件和裝備出發(fā)設(shè)置熱處理工藝的研究較少， 因此制定適用于工廠實(shí)際生產(chǎn)條件的復(fù)合軋輥熱處理工藝具有研究的必要性[14-16]。 本文采用金相和洛氏硬度測(cè)試試驗(yàn)手段研究了復(fù)合軋輥工作層高速鋼退火后在不同淬火方式（風(fēng)冷、水冷、油冷）下的硬度和組織形態(tài)， 分析了淬火-一次回火-二次回火的硬度和組織演化規(guī)律。

二、試驗(yàn)材料和方法

將原料依次投入中頻感應(yīng)電爐熔煉后， 澆鑄溫度為1450～1520°C，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min，采用覆膜砂涂料（厚度2mm），鋼模冷型預(yù)熱溫度為200°C，制備出外徑為405mm，內(nèi)徑300mm，長(zhǎng)為690mm 的輥環(huán)。 試驗(yàn)用復(fù)合軋輥外工作層的化學(xué)成分如表1所示。 根據(jù)工作層高速鋼成分，計(jì)算出試驗(yàn)鋼的相變轉(zhuǎn)變溫度， 再根據(jù)企業(yè)實(shí)際生成工藝條件最終確定試驗(yàn)鋼的熱處理工藝， 詳細(xì)的熱處理工藝如表2 所示。 所有試樣采用線切割機(jī)從輥環(huán)同一位置切取，尺寸均為10mm×10mm×10mm。所有熱處理試樣先經(jīng)砂紙預(yù)磨，然后機(jī)械拋光，最后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕10s。 采用HRS-150 洛氏硬度計(jì)測(cè)量試驗(yàn)鋼硬度；采用LEICAQ550IW 光學(xué)顯微鏡觀察熱處理后各試驗(yàn)鋼的顯微組織。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 試驗(yàn)鋼熱處理工藝

三、試驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）淬火溫度和淬火方式

圖1 為1220°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷和水冷淬火后復(fù)合高速鋼軋輥輥面硬度分布狀態(tài)， 經(jīng)水冷淬火后的輥面硬度明顯高于風(fēng)冷淬火， 但是經(jīng)風(fēng)冷淬火后輥面硬度分布較為均勻，沿軋輥軸向差異較小。 相同條件下，水冷淬火速度大于風(fēng)冷淬火，加熱至完全奧氏體化后水冷快速冷卻， 基體馬氏體組織轉(zhuǎn)變?cè)龆?，晶粒尺寸較小且更利于碳化物析出，從而使其輥面硬度提高，但由于冷卻速度較大，輥面各區(qū)域冷卻差異較大，導(dǎo)致所測(cè)量的輥面硬度值波動(dòng)較大。 為進(jìn)一步分析產(chǎn)生輥面硬度差異的微觀原因， 對(duì)兩種方式淬火后的軋輥工作層高速鋼進(jìn)行了顯微組織觀察， 圖2 為1220°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷和水冷淬火后復(fù)合高速鋼軋輥輥面顯微組織。 經(jīng)風(fēng)冷和水冷淬火處理后，形成了淬火馬氏體基體，析出的硬質(zhì)碳化物分布在晶粒內(nèi)部和晶界，存在部分殘余奧氏體，沒有形成網(wǎng)狀碳化物，碳化物出現(xiàn)縮頸和球化。 水冷淬火處理后， 基體淬火馬氏體組織比風(fēng)冷淬火更加細(xì)小，硬質(zhì)相碳化物析出數(shù)量也較多，導(dǎo)致水冷淬火后的輥面硬度較高， 但是碳化物分布不均勻且尺寸差異大，引起硬度沿軋輥軸向的波動(dòng)較大。

圖1 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220°C 保溫120min 不同方式淬火后的硬度

圖2 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220°C 保溫120min不同方式淬火后的顯微組織

圖3 為1250°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷、 水冷和油冷淬火后復(fù)合高速鋼軋輥輥面硬度分布狀態(tài)，水冷淬火后高速鋼輥面硬度高于風(fēng)冷和油冷淬火，油冷淬火硬度最低，與1220°C 淬火相比，提高淬火溫度后，水冷和風(fēng)冷淬火后輥面硬度的差值減小，水冷和風(fēng)冷淬火后的輥面硬度與油冷淬火的差值較大，可見適當(dāng)提高淬火溫度，不僅可獲得較好的輥面硬度， 而且使復(fù)合高速鋼的熱處理工藝操作簡(jiǎn)便化。實(shí)際工廠生產(chǎn)的復(fù)合高速鋼軋輥體積和重量都較大，如采用水冷淬火才可獲得滿足實(shí)際軋輥軋制棒材所需的輥面硬度和耐磨性能要求，這對(duì)熱處理裝置和操作提出更高的要求，但是通過風(fēng)冷淬火就能達(dá)到水冷淬火的軋輥性能，這對(duì)企業(yè)生產(chǎn)成本的減低和節(jié)能減排的達(dá)標(biāo)具有重要的意義， 圖4 為1250°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷、 水冷和油冷淬火后復(fù)合高速鋼軋輥輥面顯微組織狀態(tài)分布，三種淬火方式處理后都獲得了淬火馬氏體基體，在晶界和晶粒內(nèi)部都析出了硬質(zhì)碳化物相，風(fēng)冷淬火后的組織中存在未斷網(wǎng)的網(wǎng)狀碳化物，而在水冷和油冷淬火后的組織中，網(wǎng)狀碳化物則全部斷網(wǎng)并球化，風(fēng)冷和水冷淬火后組織中析出碳化物的數(shù)量高于油冷淬火，同時(shí)風(fēng)冷和水冷淬火后組織中碳化物分布的均勻性也明顯優(yōu)于油冷淬火，三種淬火方式處理后的基體組織狀態(tài)和碳化物分布與各自輥面硬度分布具有較好的吻合。 兩種淬火溫度下，水冷方式淬火后輥面硬度都高于風(fēng)冷方式淬火，但隨淬火溫度的提高，兩種方式淬火后的輥面硬度差值減小，可見通過提高淬火溫度實(shí)現(xiàn)用風(fēng)冷代替水冷淬火具有現(xiàn)實(shí)可行性，即通過風(fēng)冷淬火可獲得水冷淬火的類似組織和輥面硬度。

圖3 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250°C 保溫120min不同方式淬火后的硬度

圖4 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250°C 保溫120min不同方式淬火后的顯微組織

（二）低溫淬火-回火組織性能演化

淬火實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1220°C 水冷淬火后的輥面硬度高于風(fēng)冷淬火，1250°C 水冷淬火后的輥面硬度與風(fēng)冷淬火相近，淬火后基體組織組成物類似，但高于油冷淬火， 即適當(dāng)提高復(fù)合高速鋼軋輥的淬火溫度， 可實(shí)現(xiàn)淬火工藝和裝置的簡(jiǎn)化。 經(jīng)過淬火處理后，軋輥輥面硬度較高，基體淬火馬氏體組織較細(xì)，殘余應(yīng)力較大，且存在殘余奧氏體組織，不能直接用于實(shí)際軋制生產(chǎn)線， 根據(jù)工廠已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，淬火后的高速鋼軋輥需要進(jìn)行回火處理，以實(shí)現(xiàn)淬火組織的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變和消除殘余應(yīng)力、 提高軋輥的綜合性能。

1220°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷和水冷方式淬火，560°C+650°C 保溫120min 兩次回火后各階段復(fù)合高速鋼軋輥輥面硬度的演化規(guī)律如圖5 所示，表明經(jīng)回火處理后，輥面硬度顯著降低（相比較于淬火），其中風(fēng)冷淬火經(jīng)兩次回火處理后的輥面硬度一直降低，而水冷方式淬火再經(jīng)第二次回火處理后， 輥面硬度升高，出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象，但其硬度增大趨勢(shì)較第一次回火后降低趨勢(shì)不夠顯著，二次回火處理后出現(xiàn)的二次硬化現(xiàn)象有利于提高復(fù)合軋輥的綜合性能和增大輥面的高溫耐磨性。圖6 為1220°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷和水冷淬火，560°C+650°C 保溫120min 兩次回火后復(fù)合高速鋼軋輥輥面顯微組織狀態(tài)分布，經(jīng)回火處理后， 基體組織由淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體+析出碳化物+部分殘余奧氏體組成，碳化物進(jìn)一步析出，殘余奧氏體降低， 其中風(fēng)冷淬火經(jīng)兩次回火處理后，碳化物析出總量基本沒變，但其平均尺寸增加；水冷淬火經(jīng)兩次回火處理后，基體回火馬氏體組織進(jìn)一步細(xì)化，硬質(zhì)相析出量增加，相同條件下，水冷速度快于風(fēng)冷，淬火過程中更利于馬氏體的析出，在隨后的回火處理中， 有更多的淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，可實(shí)現(xiàn)基體組織的細(xì)化和碳化物的析出，使輥面出現(xiàn)二次硬化且軋輥殘余應(yīng)力大大降低。

圖5 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220°C 保溫120min不同方式淬火560°C+650°C 保溫120min 回火后的硬度

圖6 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1220°C 保溫120min不同方式淬火560°C+650°C 保溫120min 回火后的顯微組織（a，c）一次回火；（b，d）二次回火；（a，b）風(fēng)冷；（c，d）水冷

較低溫度淬火時(shí)， 合金元素溶入高溫奧氏體不足，在隨后淬火冷卻處理中硬質(zhì)碳化物析出較少，導(dǎo)致回火過程中進(jìn)一步析出碳化物變得困難， 第一次回火處理后輥面硬度顯著降低， 第二次回火處理后輥面硬度升高的數(shù)值低于第一次回火時(shí)的下降數(shù)值， 淬火+回火處理后在輥面存在較多未溶解碳化物、殘余奧氏體組織，以致經(jīng)兩次回火處理后出現(xiàn)較弱的二次硬化效應(yīng)或是沒有二次硬化， 針對(duì)當(dāng)前的高速鋼軋輥成分和結(jié)構(gòu)， 較低的淬火溫度和一次回火溫度不利于硬質(zhì)相的析出， 輥面二次硬化效應(yīng)較弱。 低溫淬火+低溫一次回火+二次回火工藝處理后復(fù)合軋輥輥面的硬度和組織呈現(xiàn)出明顯的遺傳規(guī)律， 淬火溫度較低， 未溶解碳化物和殘余奧氏體較多， 經(jīng)一次低溫回火處理時(shí)淬火馬氏體部分轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，碳化物析出較少，經(jīng)二次高溫回火處理時(shí)水冷方式淬火試驗(yàn)鋼組織進(jìn)一步細(xì)化、 碳化物析出增多，出現(xiàn)較弱的二次硬化效應(yīng)。

（三）高溫淬火-回火組織性能演化

圖7 為1250°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷、 水冷和油冷方式淬火，再經(jīng)650°C+650°C 保溫120min 兩次回火后復(fù)合高速鋼軋輥輥面硬度的演化規(guī)律， 結(jié)果表明，提高淬火溫度和一次回火溫度后，從淬火到一次回火再到二次回火各階段的變化規(guī)律完全不同于低溫淬火和一次低溫回火工藝的結(jié)果，三種淬火方式+兩次回火處理后， 復(fù)合軋輥輥面都出現(xiàn)了明顯的二次硬化現(xiàn)象，經(jīng)一次回火處理后輥面硬度降低顯著，但經(jīng)第二次回火處理后，輥面硬度又增加顯著，這表明經(jīng)過當(dāng)前淬火+兩次回火處理后輥面的硬度略微降低（風(fēng)冷和水冷淬火），但輥面殘余應(yīng)力則顯著降低，軋輥綜合性能提高；風(fēng)冷和水冷淬火+兩次回火處理的各階段輥面硬度變化趨勢(shì)相似， 從淬火到第一次回火處理再到第二次回火處理， 兩者之間的硬度差值逐漸顯著減小，兩次回火后基本一樣；但油冷淬火+兩次回火處理的輥面硬度反而高于其淬火硬度， 第二次回火后硬度增加大于第一次回火處理后的減小。

圖7 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250°C 保溫120min不同方式淬火650°C+650°C 保溫120min 回火后的硬度

圖8 為1250°C 保溫120min 經(jīng)風(fēng)冷和水冷淬火，650°C+650°C 保溫120min 兩次回火后復(fù)合高速鋼軋輥輥面顯微組織狀態(tài)分布，經(jīng)第一次高溫回火處理后，淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，網(wǎng)狀碳化物開始縮頸和斷網(wǎng)， 但硬質(zhì)碳化物相析出較少，析出碳化物集中分布于晶界且尺寸差異較大；再經(jīng)過第二次回火處理后，基體回火馬氏體進(jìn)一步細(xì)化和均勻，殘余奧氏體減少，網(wǎng)狀碳化物消失，碳化物球化率提高且尺寸均勻， 碳化物分布均勻性提高，兩種淬火方式對(duì)經(jīng)過兩次回火處理后的輥面顯微組織影響減小。

圖8 離心復(fù)合軋輥工作層高速鋼1250°C 保溫120min不同方式淬火650°C+650°C 保溫120min 回火后的顯微組織（a，c）一次回火；（b，d）二次回火；（a，b）風(fēng)冷；（c，d）水冷

通過提高淬火溫度和一次回火溫度， 輥面都出現(xiàn)了顯著的二次硬化效應(yīng)， 且對(duì)淬火冷卻方式不具有依懶性， 提高淬火溫度促進(jìn)合金元素更多的溶入到高溫奧氏體，利于淬火組織的轉(zhuǎn)變，提高一次回火溫度可有效促進(jìn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變和碳化物析出及其球形形態(tài)分布，高溫淬火+兩次高溫回火處理可使基體組織進(jìn)一步細(xì)化、 促進(jìn)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變和碳化物析出及球化。

四、結(jié)論

1.1220°C 風(fēng)冷淬火后復(fù)合軋輥工作層高速鋼硬度低于水冷淬火，1250°C 風(fēng)冷和水冷淬火后輥面硬度差異較小且高于油冷淬火，隨淬火溫度的升高，風(fēng)冷和水冷淬火軋輥工作層高速鋼力學(xué)性能接近，1250°C 油冷淬火后的輥面硬度最低且沿輥身的差異最大。

2.1220°C 和1250°C 淬火經(jīng)第一次回火處理后，輥面硬度顯著減小，1250°C 淬火經(jīng)第二次回火處理后，輥面硬度出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象，顯著提高了復(fù)合軋輥的綜合性能，1250°C 風(fēng)冷和水冷淬火再經(jīng)兩次回火后的輥面硬度差值逐漸減小，最后基本一致。

3.提高淬火溫度和第一次回火溫度，可用風(fēng)冷淬火代替水冷淬火，最終確定了1250°C/120min 風(fēng)冷淬火+650°C/120min×2 回火作為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的熱處理工藝， 采用該工藝生產(chǎn)的復(fù)合高速鋼軋輥的單槽過鋼量比普通軋輥提高300t 以上，軋輥性能穩(wěn)定、制造成本降低。