淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化-金属材料组织和性能的控制
黄曼曼 琚子来
[摘 要]本文设计并制备了Cr5和Cr8型中碳合金铸钢，通过不同的热处理工艺获得马氏体组织。利用金相法，硬度和冲击韧性的测试等手段，研究了不同铬含量对轧辊显微组织与力学性能的影响。试验结果表明铬可以提高材料的回火稳定性使硬度降低缓慢，随含铬量增加冲击韧性提高。
[关键词]合金铸钢 热处理 显微组织 力学性能
中图分类号：TG151.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）04-0279-01
1 引言
现代轧钢行业的发展日新月异，轧材产品的品种和数量迅速增加，从而导致轧辊消耗量剧增。轧钢技术的迅速发展，使得轧机速度和自动化程度不断提高，热轧薄板和高强钢板量的增加，使得轧制条件变得更加复杂苛刻。这些条件要求轧辊具有高硬度、高韧性、优良的耐磨性和低表面粗糙度[1]。而目前，我国轧辊的生产、研究与使用水平，与发达国家相比，仍有相当大的差距。低质量的轧辊不仅降低了轧制质量，还提高了轧钢生产成本。因此，如何提高轧辊的性能和使用寿命，制备出性能优良的新型轧辊以适应轧钢企业飞速发展需要，成为我国轧辊行业面临的新课题。本文设计了两组不同的合金成分（铬元素的含量不同），通过不同的热处理工艺后对最终获得的材料进行组织和性能的分析，为支撑辊外层材料组织成分的设计与优化提供参考。
2 试验方法
2.1 成分设计
轧辊的性能取决于化学成分和显微组织特征。用于制造轧辊的合金铸钢，因轧制钢种、轧机条件和轧辊制造方法的不同，成分也有所差异。成分设计的目的是确定轧辊各种合金元素的含量，从而获得合适的组织特征和优良的使用性能，从而满足生产实际需要。.
2.2 试样制备
造型原料使用原砂100㎏，水玻璃7.5㎏。将上述原料放置型号为S14的混砂机中混合2～3分钟，然后取砂制成梅花试棒砂型。本试验采用容量为100㎏～130㎏的普通中频感应电炉熔炼，熔炼时采用严格的脱氧制度，在浇注试样模时采用滤渣片过滤。试样采用砂型梅花试棒，出炉温度在1620℃～1640℃，并在包内进行变质处理。采用生铁、废钢、碳素铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、硼铁、稀土合金等进行配料，其中由于感应电炉采用的非氧化法熔炼不易去除磷、硫等有害元素，故为保证钢液中较低的磷、硫含量，此试验中使用增碳剂代替部分生铁来保证含碳量。
2.3 热处理设计
梅花试样首先进行退火处理，退火工艺定为870℃，保温6个小时，然后随炉缓冷。这样可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较高温度范围内转变为珠光体，从而达到消除内应力、降低硬度和改善切削加工性的目的。退火之后在980℃淬火保温50分钟后油淬，并在240℃，340℃，440℃，520℃，580℃，640℃下回火，保温一段时间后空冷。
3 试验结果及分析
3.1 铸态组织观察
图1是两种成分的铸态组织，从图中可以看出，1号和2号成分的铸态组织中均出现了马氏体，且比较细小。1号组织中还有共晶碳化物及二次碳化物的析出，2号出现了较大的白亮区，为高碳马氏体组织[2]。
3.2 退火态组织观察
经过870℃下6h的退火工艺处理之后，从两种成分的梅花试棒的中心位置分别取一块小试样，经4%的硝酸酒精腐蚀之后得到退火态的金相组织如图2所示。观察后发现2种成分均为比较均匀的粒状珠光体组织，说明退火处理大大减少了化学成分偏析和显微组织的不均匀性，组织结构都得到了一定的优化[3]，因此在进行各种后续的热处理工艺之前不再进行正火处理。
3.3 回火温度对合金铸钢组织和力学性能的影响
淬火后的回火相当重要，通过回火可以在适当降低硬度的同时，消除大部分淬火应力而改善钢的塑性、韧性。同时使其尺寸稳定性大大提高，在很大范围内改善钢的强度、塑性、韧性间的配合，从而可以满足不同磨损工况对耐磨件提出的不同要求。
在回火过程中，由于残余奥氏体和碳化物的转变，以及合金元素的重新分布，都会对性能产生较大的影响，特别是对冲击韧性的影响更大。
4 结论
1）回火时由于存在大量Cr元素以及Mo、V等合金元素，可以显著提高钢的回火稳定性，推迟马氏体的转变，从而使硬度降低缓慢。并且随着铬含量的增加，冲击韧性明显的提高，当铬元素过多会增加回火脆性，导致韧性下降。
2） 强碳化物形成元素在较高回火温度强烈阻止马氏体进一步分解，使得组织在较高温度回火时仍能等到回火马氏体。
3） 对受冲击力不大的轧辊材料，可选择较低的含铬量；对冲击力很大的工况下的轧辊材料，可选用较高的含铬量，以获得硬度和韧性的良好配合，取得最佳的耐磨效果。
参考文献
[1] Corbett R B.Rolls for the Metalworking Industries [J].The Iron and Steel Society，1990（3）：215-226.
[2] 黄积荣.铸造合金金相图谱[M].北京：机械工业出版社，1986.
[3]黄孟域.金相图谱[M].上海：高等教育出版社，1987.
[4] 刘云旭.金相分析[M].上海：上海市科学技术文献出版社，1987.
[5] 王志华.55Cr5SIMOVNi耐磨合金铸钢热处理工艺的研究[D].天津：河北工业大学，2002.
基金项目
2014年河北省高等学校科学技术研究自筹资金项目（Z2014092）。
作者简介
黄曼曼（1983-），女，河北省河间市人，硕士，讲师，主研方向为机械制造，材料加工。
