回火工藝對高速鋼軋輥殘余奧氏體和硬度的影響.

1、高速鋼復(fù)合軋輥是利用具有高硬度，尤其是具有很好的紅硬性、耐磨性和淬透 性的高速鋼作為軋輥的工作層，用韌性滿足要求的高強(qiáng)度球墨鑄鐵作為軋輥的芯部材料，把工作層和芯部以冶金結(jié)合的方式復(fù)合起來的高性能軋 輥。高速鋼的基體中固溶有大量合金元素，使得淬火后高速鋼中有大量的殘余奧氏體，過多的殘余奧氏體使得軋輥在冷熱疲勞過程中產(chǎn)生裂紋的傾向增大。因此，通過熱處理將淬火組織中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是提高熱穩(wěn)定性能的一個重要途 徑。另一方面，通過熱處理可以使固溶在基體中的合金元素析出，形成高熔點(diǎn)、高硬度的MC型碳化物顆粒，提高二次硬化能力1。本文研究了 1050C空淬下，不同回火 工藝對高速鋼軋輥顯微組織中殘

2、余奧氏體和硬度的影響，通過對熱處理后軋輥中殘余奧氏體和碳化物含量的測量和分析，確定最優(yōu)的高速鋼回火工藝參數(shù)，為工業(yè)生產(chǎn) 提供了科學(xué)依據(jù)。1試驗(yàn)材料和測試方法1.1實(shí)驗(yàn)材料來自國內(nèi)某軋輥廠，復(fù)合軋輥高速鋼工作層的成分見表1。1.2淬火工藝本實(shí)驗(yàn)所用材料是從大塊高速鋼鑄態(tài)試樣用鉬切割的方法切成15mm 12mm 12mm的試樣塊，用高溫電阻爐加熱(精度rc ,在1050C保溫1h后出 爐空淬。1050C空淬保溫1h的顯微組織如圖1。1050C空淬后試樣的硬度如表2。1.3回火工藝及其顯微組織為減少試驗(yàn)次數(shù)，設(shè)計(jì)了三因素(回火溫度、保溫時間和回火次數(shù)三水平回火工 藝正交表，選用正交表L9(34表格2

3、,其因素和水平選擇的依據(jù)如下。(1回火溫度的選擇。200300C時殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體 ，到300C時殘余奧氏體分解基本結(jié)束3。當(dāng)回火溫度低于350C時,只表2空淬后試樣的硬度熱處理工藝硬度 HRC平均值HRC 1050r保溫1h空淬64.864.063.865.064.4回火工藝對高速鋼軋輥殘余奧氏體和硬度的影響In flue nee of the Tempering Tech no logy on Reta ined Auste niteand Hard ness of High-S peed Steel Rolls栗重浩1姚三九1楊仁康1王武宏1甘宅平2劉永志2(1.武漢

4、理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢4300702武漢鋼鐵集團(tuán)軋輥制造公司武漢430070摘要:米用正交表L(34設(shè)計(jì)高速鋼軋輥淬火后的回火工藝；經(jīng)XRD分析,采用K值法定量測量不同 熱處理工藝下高速鋼軋輥中殘余奧氏體和碳化物的含量；通過方差分析確定殘余奧 氏體最少和硬度達(dá)到HRC71以上的最優(yōu)熱處理工藝。關(guān)鍵詞:高速鋼軋輥,XRD,殘余奧氏體，硬度中圖分類號:TG142.45;文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A;文章編號：1006-9658(200904-4收稿日期:2009-04-09文章編號:2009-054作者簡介:栗重浩(1982-,男，碩士研究生，從事高性能金屬材料的研究、材料成型 和熱處理工作表1高速鋼

5、軋輥化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%C Si Mn Cr Mo V W Nb P S1.6/2.00.3/1.00.3/1.04.0/8.04.0/6.03.0/5.01.5/2.50.5/1.50.080.05圖11050C空淬后試樣的顯微組織(a(b100 卩 m50m能消除內(nèi)應(yīng)力，對硬度影響不大。為使更多碳化物析出，提高二次硬化能力，且350r回火時，在以后隨爐冷卻過程中有更多殘余奧氏體分解，回火的最低溫度定為 350C。400500r回火時，析出的合金碳化物主要是以鉻的碳化物為主，原先析出的 滲碳體也在此溫度下逐漸轉(zhuǎn)化為鉻的碳化物，此碳化物比較穩(wěn)定、不易聚集，這樣使 高速鋼的硬度逐漸升高 。而

6、且，馬氏體在300500r回火得到回火托氏體組織，它 具有很高的彈性極限，同時有一定的塑性，可以改善高速鋼的力學(xué)性能4。因此 450r是回火的又一水平溫度。500600r回火時，一方面析出彌散度很高且不易聚 集的鎢和釩的碳化物，出現(xiàn)了明顯的 彌散硬化”現(xiàn)象;另一方面，由于在回火過程中，殘 余奧氏體不斷析出碳化物，使其碳和合金元素含量都降低，從而提高了它向馬氏體轉(zhuǎn) 變的溫度，在此溫度回火后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體 。此外，共析成分的奧 氏體在A1550C溫度范圍內(nèi)等溫回火時，將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變后的珠光體硬度 較低。從這三方面考慮，550C是回火的上限溫度。(2保溫時間和回火次數(shù)的選擇。

7、高速鋼基體中固溶有大量合金元素，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變C曲線右移，降低了馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使得淬 火高速鋼中有大量的殘余奧氏體，需多次回火消除。一般經(jīng)三次回火才能完全消除 殘余奧氏體7?；鼗鸫螖?shù)過多，大量碳化物多次共析易聚集長大，韌性和硬度都明顯下降。如果保溫時間不足，達(dá)不到回火目的，高速鋼的力學(xué)性能得不到改善。一般保 溫時間至少一小時。保溫時間過長時，一方面碳化物聚集長大，甚至再晶接成網(wǎng)狀，使 韌性明顯降低。另一方面，大多固溶在馬氏體中的合金元素大量析出，降低了馬氏體 的固溶強(qiáng)化效果，基體馬氏體硬度降低。此外，在高溫回火中，長時間保溫易于組織粗大。所以保溫時間應(yīng) 在 15

8、h?；鼗鸸に囌槐硪姳?。不同回火工藝下的顯微組織如圖2(a、(b、(C、(d。1.4殘余奧氏體和碳化物的測量本試驗(yàn)所用X射線衍射儀型號為D/Max-IIIA,其試驗(yàn)儀器參數(shù)：額定功率3kW;Cu靶;管壓35 kV;管流30mA;儀器穩(wěn)定度優(yōu)于1%;測角精確度 205h爐冷、二次回火50 ym表3回火工藝正交表編號回火溫度/C保溫時間/h回火次數(shù)350113503235053445012545033645051755013855031955052其中A表示被選定的樣品中的任一相。I=A N表示樣品中有N個相。其中RIR的值都可以在MDI Jade的數(shù)據(jù)庫中查至嘰實(shí)驗(yàn)中測到的物相名稱、化學(xué)式、R

9、IR值和1%=100的峰的晶面指數(shù)如表4。試驗(yàn)中VC的（200晶面的衍射峰和奧氏體（111晶面衍射峰峰重疊，所以在計(jì)算 各物相衍射積分強(qiáng)度時要扣除 VC對Auste nite的干擾。本試驗(yàn)的碳化物相主要為 VC、少量的Mo 2C和極少量Mo 2V 4C 5等復(fù)雜化合物,其它碳化物檢測不到，為計(jì)算方便碳化物只考慮 VC和Mo 2C。此方法計(jì)算物相含量的優(yōu)點(diǎn)：一是避免用電解定量萃取高速鋼中碳化物含量帶來電解工藝繁雜、周期長、成本高的缺點(diǎn)；二是可以測量出具體某一種碳化物的含量;三是試驗(yàn)的操作簡單、方便、快捷。2試驗(yàn)結(jié)果和分析2.1高速鋼軋輥空淬組織的XRD圖譜分析1050 r空淬條件下高速鋼組織的X

10、RD圖譜分析如圖3。1050 r淬火后，基體組織中有大量的淬火馬氏體和殘余奧氏體，還有從奧氏體中析出的共晶碳化物 VC及少量的二次碳化物Mo 2C。由于背低的影響Cr 7C 3難以檢測，它9是從奧氏體中析出,能溶入W、Mo、V等元素，呈長條狀,長軸尺寸可達(dá)5070卩m較聚集，不易通過XRD檢 測。2.2高速鋼軋輥1050C空淬的組織和硬度1050 r空淬下不同回火溫度的高速鋼軋輥碳化物、殘余奧氏體和硬度平均值見表5。通過三次回火，殘余奧氏體量基本為零或含量極少。隨回火溫度升高和保溫時 間延長碳化物含量增多，但在550r時，大多碳化物聚集長大，但呈減少趨勢。碳化物Mo 2C隨回火溫度和保溫時間延

11、長而增多，說明在回火溫度較高和保溫時間較長的 情況下，碳化物Mo 2C才容易析出。450r保溫3h回火3次時,碳化物含量明顯增多,呈顆粒狀、塊狀和細(xì)棒狀，此溫度正好為上貝氏體和回火托氏體的轉(zhuǎn)變溫度 ，回火托氏體有很高的彈性和一定的塑性，使組織力學(xué)性能有所改善，并且硬度達(dá)到峰值。550r保溫1h回火3次時，碳化物含量較高，但硬度相對較低，是因?yàn)?50r回火時，大量碳化物從基體析出，易使奧氏體體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w或鐵素體，同時馬氏體中合金元素降低，固溶強(qiáng)化效果有所下降。550r保溫3h回火1次時，仍有較多的殘余奧氏體，雖然碳化物含量沒有達(dá)到最高，但硬度很高,說明在此熱處理工藝下，碳化物顆粒和基體組織都沒

12、有粗大，一部分合金元素析出后形成碳化物顆粒均勻分布于基體，起到明顯的 彌 散硬化”現(xiàn)象，另一部分合金元素留于馬氏體中，起到固溶強(qiáng)化的效果，最終使基體的 加權(quán)硬度較高。從圖1(a和(b可以看出，空淬組織中大多是大不同回火溫度下高速鋼軋輥碳化物、殘余奧氏體（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，和硬度熱處理工藝aFe含量YFe含量碳化物VC碳化物Mo 2C HRC平均值1050C空淬 75.913.210.9-*64.3350C Xlh X 次 78.911.59.6-69.9350C 3h 2 次 85.5 4.79.8- 70.2350C5h 次 78.6021.4-71.5450C Xlh 次 79.010.910.

13、1-71.5450C X3h 次82.0018.0-71.8450C 5h 1 次 75.59.612.5 2.471.0550C Xlh 3 次 81.7018.3 1.071.1550C 3h 1 次 79.210.810.0-71.7550C X5h 2 次76.19.89.44.771.5注:*表示通過軟件沒有檢測到該物相，說明該物相的含量很少，大多情況下可以忽略不計(jì)。圖31050C空淬條件下試樣的圖譜2030405060708090100(00200300400500600C P SaFe -Ye VC Mo 2C表4物相的測量參數(shù)物相名稱化學(xué)式 RIR 值晶面(hkl Marten

14、site ( a C0.055Fe1.9457.47(101Austenite (丫 CFe15.17.51(111Vanadium Carbide (C CV 3.91(111Molybdenum CarbideMo 2C12.63(101顆粒狀或塊狀碳化物10,主要是MC型，本試驗(yàn)中MC型主要是V的碳化物VC, 具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，在共晶轉(zhuǎn)變時析出或從奧氏體中析出，成分并不固定，主要有VC,VC0.94,VC0.863和VC0.88。分布較為均勻，在高溫下不易發(fā)生聚集長大且具有很高的硬度和耐磨性，并且淬火時奧氏體中固溶過飽和的碳化物及合金元素，基體的 固溶強(qiáng)化效果明顯，故空淬后基體的硬度

15、較高。圖2(a(d可以看出，基體中分布有許多二次碳化物 VC小顆粒,對基體起到的彌散強(qiáng)化作用顯著，硬度上升。粒狀碳化物使得基體硬度升高，并且改善部分力學(xué)性 能。隨著回火溫度的升高和保溫時間延長，顆粒狀VC逐漸長大，塊狀VC和棒狀的復(fù)雜碳化物(碳化物中固溶有V、Mo、W和Cr增多。到550r時，回火馬氏體組織粗大，顆粒狀碳化物向棒狀碳化物轉(zhuǎn)化，并開始交接成斷網(wǎng)狀，網(wǎng)狀碳化物使得基體韌性下降，碳化物的交接和增多使 基體中固溶的合金元素大大降低，最終使得加權(quán)硬度下降。此外，550C回火時一部分馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛纱至顫B碳體和多邊形鐵素體構(gòu)成的回火索氏體(500650r回火,還可能由殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠种?/p>

16、光體，故基體的硬度下降。2.3通過硬度和殘余奧氏體的方差分析確定最優(yōu)回火工藝為得出高速鋼軋輥的最優(yōu)回火工藝，分別對不同回火工藝下試樣的硬度和殘余 奧氏體進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果分別見表6和表7。為進(jìn)一步了解不同因素下的各水平效應(yīng)對回火后的高速鋼軋輥硬度的影響關(guān)系 分別對試樣的硬度和殘余奧氏體進(jìn)行效應(yīng)分析，結(jié)果分別見表8和見表9。從表4可以看出在1050C空淬條件下，450C保溫3h回火三次和550C保溫3h回火一次的硬度都很高。根據(jù)方差分析表表5和表6中的極差大小，在考察水平因素段上，影響硬度的主次因素是：回火溫度 回火次數(shù) 保溫時間；影響殘余奧氏體的主次因素是：回火次數(shù) 保溫時間回火溫度。由效

17、應(yīng)分析表表7和表8可知:硬度最高的優(yōu)化組合是A3C3B2;殘余奧氏體最低的優(yōu)化組合是 C3B2A1。所以在使硬度達(dá)到 71HRC以上的情況下，殘余奧氏體最少的優(yōu)化組合為:1050r空淬下,550r保溫3h回 火三次。實(shí)驗(yàn)表明:本實(shí)驗(yàn)所用高速鋼在1050C空淬條件下，硬度隨回火溫度的升高和保 溫時間的延長，其變化規(guī)律是先升高后降低,450r保溫3h和550C保溫3h時硬度達(dá) 到峰值，超過550r和保溫時間達(dá)5h后,硬度反而下降，因?yàn)榛鼗鸷蟮挠捕瘸伺c碳化 物含量和殘余奧氏體量有關(guān)外，還與回火馬氏體中飽和碳含量和合金元素含量及組 織晶粒度的大小所決定?；鼗饻囟容^低時，回火馬氏體中的碳化物較少，故硬

18、度相對 較低;當(dāng)回火溫度過高時，碳化物含量顯著增多，甚至呈斷網(wǎng)狀，馬氏體中固溶碳含量 和合金元素含量大大降低，固溶強(qiáng)化效果也明顯降低，過高的回火溫度可能在基體組 織中出現(xiàn)珠光體或鐵素體，并且在長時間的高溫回火條件下，組織易粗大，多方面因素 致使組織硬度下降?？紤]到淬火溫度過高對組織的不利影響及一次回火可能殘留的奧氏體較多，不同成份的高速鋼軋輥回火溫度應(yīng)在 450550r之間調(diào)整，回火次數(shù)應(yīng)在23次選擇。3結(jié)論(ii050r淬火條件下，基體組織中有大量的淬火馬氏體和殘余奧氏體，還有從奧 氏體中析出的表6不同回火工藝下試樣的硬度值方差分析方差來源偏差平方和自由度平均偏差平方和F比顯著性回火溫度A

19、S A=2.002 1.00 1.9*保溫時間 B S B=0.6220.310.6回火次數(shù) C S C=0.7420.370.7誤差 S誤=1.0420.52表7不同回火工藝下試樣的殘余奧氏體方差分析方差來源偏差平方和自由度平均偏差平方和F比顯著性回火溫度A S A=4.22 2.10.4保溫時間 B S B=8.02 4.00.7回火次數(shù) C S C=189.5294.816.6*誤差 S 誤=11.52 5.7表8硬度效應(yīng)分析因素水平效應(yīng)回火溫度 A a1=-0.7a2=0.3a3=0.4保溫時間 B b1=-0.4b2=0.3b3=0.1 回火次數(shù) C c1=-0.4c2=0c3=0.

20、4表9殘余奧氏體效應(yīng)分析因素水平效應(yīng)回火溫度 A a1=-1.0a2=0.4a3=0.5保溫時間 B b1=1.1b2=0.8b3=0.1 回火次數(shù) C c1=4.2c2=2.1c3=6.4共晶碳化物VC及少量的二次碳化物Mo2C。(2通過三次回火，殘余奧氏體量基本為零或含量極少；450C保溫3h回火3次時, 碳化物含量明顯增多，呈顆粒狀、塊狀和細(xì)棒狀，使組織的力學(xué)性能有所提高，并且硬 度值達(dá)到最高。(3550C回火時，顆粒狀碳化物向棒狀碳化物轉(zhuǎn)化，并開始呈斷網(wǎng)狀；馬氏體中固 溶碳含量和合金元素含量大大降低，固溶強(qiáng)化效果降低；基體組織中出現(xiàn)部分珠光體 或鐵素體，馬氏體組織粗大，最終使得組織加權(quán)

21、硬度有所下降。(4影響硬度的主次因素是：回火溫度 回火次數(shù) 保溫時間;影響殘余奧氏體的主 次因素是：回火次數(shù) 保溫時間回火溫度。硬度達(dá)到71HRC以上和殘余奧氏體量在10%以下的最優(yōu)回火工藝是：1050C空淬下，550C保溫3h回火三次。參考文獻(xiàn)1肖紀(jì)美高速鋼的金屬學(xué)問題M.北京:冶金工業(yè)出版社，1976:25-26.2夏伯忠.正交試驗(yàn)方法.長春:吉林人民出版社,1986:62-100.3李新德.金屬工藝學(xué) 沖國商業(yè)出版社,2006:69-70.4姜錫山.特殊鋼金相圖譜.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:34-35.范逸明.簡明金屬熱處理工手冊.北京:國防工業(yè)出版社,2006:137-138.6

22、趙品,謝輔洲,孫振國.材料科學(xué)基礎(chǔ)教程.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005:188.7楊杰.高速鋼的成分及熱處理特點(diǎn)分析.承德民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005.8黃繼武.X射線衍射實(shí)驗(yàn)操作手冊 長沙:中南大學(xué),2006:20-30.9宮坂善和，江南和幸,谷川俊宏.高碳素高速度鋼碳化物形成17及添加影響J.鑄造工學(xué)，1997,69:201-206. 10魏世忠，徐流杰, 李炎，等.高釩高速鋼中碳化釩的電鏡分析J.電子顯微學(xué)報(bào)，2004,23(4:413.鎂合金的塑性變形能力較差、室溫韌性低、屈服強(qiáng)度低，長期以來阻礙了鎂合金的應(yīng)用。近年來，一些研究者在AZ31變形鎂合金材料的改性上開展了不少工作

23、 通過微量元素合金化和復(fù)合合金化的方法來提高 AZ31變形鎂合金的性能。已有研究表明1-4:在AZ31合金中添加丫、Ce、Sr和Sb等合金元素可以使鎂合金的組織 細(xì)化，力學(xué)性能得到改善。本文旨在通過 Sb合金化，提高AZ31變形鎂合金綜合性能。1實(shí)驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法試驗(yàn)材料選用純鎂、鋁、鋅、 AZ31、純度為99.99%Sb顆粒。試驗(yàn)設(shè)備:TH160里氏硬度計(jì)；沖擊韌性試樣為10mrK 10mrK 55mm無缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣。4XC雙目金相顯微鏡觀察顯微組織;HITACHI S-3000N型掃描電鏡上觀察合金的組織形貌；Sb對AZ31鎂合金組織和性能的影響Microstructures and Mecha ni cal Prop erties ofAZ31Based Alloys with Additio ns of Sb高珊夏蘭廷李宏戰(zhàn)(太原科技大學(xué)，太原030024摘要:經(jīng)XRD等