2 0 0 9 年卜海大學碩上學位論文 摘要 在冷軋板生產(chǎn)中，鍛鋼冷軋輥的性能和使用效果是影響軋材質(zhì)量和生產(chǎn)效率 的重要因素。隨著汽車和家電的快速發(fā)展，冷軋薄板的需求量迅速增長，同時對冷 軋輥的產(chǎn)品質(zhì)量尤其是其內(nèi)在質(zhì)量提出了更高要求，豐要表現(xiàn)在有效淬硬層深度 的增加，表面微觀組織的控制，以及抗事故能力。因此，軋輥生產(chǎn)廠家在進一步 完善和改進鍛鋼冷軋輥的牛產(chǎn)工藝方面給予了高度關(guān)注。c r 5 系列承擔著目前冷 軋輥用鋼的主要任務，但自c r 5 系列冷軋輥廣泛應用以來，其熱處理生產(chǎn)工藝豐 要在c r 3 鋼基礎(chǔ)上做適當調(diào)整，對該材質(zhì)的工藝、組織及性能方面的系統(tǒng)研究仍 然較少。因此，本文從m c 5 冷軋輥鍛后正火和球化退火處理著手，對其工藝及組 織的關(guān)系進行較為全面的研究，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，對確定熱處理工藝與組織 性能的關(guān)系以及現(xiàn)場工藝的優(yōu)化都具有重要意義。 本文從分析不同公司所生產(chǎn)的m c 5 冷軋輥入手，觀察成品輥內(nèi)部組織，測試 其性能，了解冷軋輥的使用現(xiàn)狀，思考存在的問題及其原因，為后續(xù)研究的開展 提供方向。 通過對鍛后m c 5 鋼正火工藝的研究，建立了奧氏體晶粒隨加熱溫度及保溫 時間而長大的規(guī)律，溫度對其影響遠遠大于時間，在9 6 0 時平均晶粒尺寸出現(xiàn) 長大加快的趨勢，在9 8 0 時局部晶粒已出現(xiàn)異常長大現(xiàn)象，盡管m c 5 鋼a c m 線達到1 0 5 09 c ，但從晶粒長大的角度考慮加熱溫度不宜超過9 8 0 。c 。 本文關(guān)注到過共析鋼鍛后容易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物的問題，尤其軋輥工件具有尺 寸大的特點，在正火出爐冷卻時，盡管采用強風制冷，往往其內(nèi)部冷速還是難以 達到控制網(wǎng)狀碳化物析出的要求。為改善這一現(xiàn)存問題，一方面建立冷速與組織 的關(guān)系，確定該材質(zhì)抑制網(wǎng)狀碳化物析出的平均臨界冷速0 2 1 s ，另一方面確 立了借助d e f o r m 模擬m c 5 鋼鍛后正火熱處理過程的模型，并通過模擬結(jié)果 與現(xiàn)場實際測溫結(jié)果的對比，確定其可靠性和有效性，據(jù)此，可預測旨在確保抑 制網(wǎng)狀碳化物形成的工件從正火加熱溫度冷卻至a r l 點所允許的最長時間，為現(xiàn) 場應用奠定了基礎(chǔ)。 本文在對球化退火的研究中發(fā)現(xiàn)，加熱溫度的選擇對材料球化影響較大， 2 0 0 9 年i ：海大學碩一l 學位論文 并且對于m c 5 鋼而言，由于添加較多合金元素，其加熱溫度的選擇與碳鋼不同， 應選取略高于a c l f 的溫度，但是適合的加熱溫度范圍比較窄，本文認為選擇 8 4 0 左右為宜。同時，對不同溫度等溫不同時間的球化組織中碳化物的尺寸進 行測定，碳化物的長大符合0 s t w a l d 熟化機制，并建立了碳化物在不同溫度等溫 時長大動力學方程，隨著溫度的升高，碳化物粒子粗化速度加大。 利用t e m 和分離萃取的方法對球化退火組織中碳化物進行觀察和分析，發(fā) 現(xiàn)其中存在碳化物的類型有c r 2 3 c 6 、c r 7 c 3 及f e a c ，質(zhì)量百分含量為：9 3 1 。 關(guān)鍵詞：m c 5 鋼；冷軋輥；正火；球化退火；網(wǎng)狀碳化物；模擬 i i 2 0 0 9 年上海大學碩上學位論文 a b s t r a c t t h ep r o p e r t yo fc o l dr o l l e ri sa ne s s e n t i a lt ot h eq u a l i t yo fc o l d - r o l l e dp l a t ea n dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h en e e do fc o l d - r o l l e dp l a t e i si n c r e a s i n g m e a n w h i l e ，t h er e q u e s tt o r e a c hah i g hq u a l i t yi sp u tf o r w a r dt ot h er o l l e r , e s p e c i a l l ys u c hi n t e r n a lp r o p e r t ya st h ed e p t ho f q u e n c h h a r d e n e dc a s e ，t h ec o n t r o lo fm i c r o s t r u c t u r ea n da b i l i t yt op r e v e n tt h ea c c i d e n t s om o r e a n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np u to nt h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so ft h ec o l dr o l l e r c r 5s e r i e sp l a y e d am a i nr o l ei nt h ec o l dr o l l e r , h o w e v e r , t h ea 1 1 - a r o u n ds t u d yo fc r 5 h a sb e e nt a k e no n t h i s a r t i c l ew i l lg i v ear e l a t i v es t u d yo nt h en o r m a l i z a t i o na n ds p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n gp r o c e s so fc o l e d r o l l e r , a n dt a k es o m ep r o b l e m sh a p p e n e di nt h ep r o d u c t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n i t sh e l p f u lb o t ht o i n c r e a s et h ep r o p e r t yo fm c 5s t e e la n dg i v es u g g e s t i o nt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c ea n dp r o c e s s f o rn l ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n f i s t l y , t h em c 5c o l dr o l l e rp r o d u c e db yt h r e ef a c t o r i e sw e r ea n a l y z e d o nt h ef o u n d a t i o no f t h em i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n ds o m ep e r f o r m a n c et e s t ，as u m m a r yo fm c 5p r o d u c t i o nc a nb e i n f o r m e da n di t su s f u lt og i v ead i r e c t i o nf o rt h es t u d yl a t e r i nt h i sa r t i c l e ，t h en o r m a l i z a t i o na f t e rf o r g e dw a sw e l ls t u d i e d o nt h eb a s eo fe s t a b l i s h i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i m e n s i o no fa u s t e n i t ea n dt h eh e a tt e m p e r a t u r e ，ap h e n o m e n o no f g r a i ng r o wu pw a sf o u n dw h e nt h em a t e r i a lh e a t e d o n9 8 0 。c t h es u g g e s t i o nt oc h o o s et h e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei sn o th i 班t h a n9 8 0 c t h i sp a p e rw a sa l s op u tm o r ea t t e n t i o nt ot h ec u r r e n tp r o b l e ma b o u tt h en e t w o r kc a r b i d e t h e i n f l u e n c eo ft h ec o o l i n gr a t eo nt h em i c r o s t m c t u r e w a ss t u d i e da n dm a d es u r et h a tt h ec o o l i n gr a t e w h i c hi sq u i c k e rt h a na b o u t0 21 。c sc a np r e v e n tt h ec a r b i d ep r e c i p i t a t ea r o u n dt h eg r a i nb o u n d a r y o nt h eo t h e rh a n d 。t h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h en o r m a l i z i n gp r o c e s si s p r e s e n t e dw i t ht h eh e l po fd e f o r m s o f t w a r e i t sc o r r e c t n e s sh a db e e np r o v e db yt h ec o m p a r i s o n w i t ht h et e m p e r a t u r em e a s u r er e s u l t so fw o r k p i e c ed u r i n gt h em a n u f a c t u r e c o m b i n i n gw i t ht h e r e s e a r c hr e s u l to fm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dc o m p u t e r a s s i s t e dc a l c u l a t i o n ，t h ef o r e c a s to ft h e i n n e rm i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ei nt h eb i gw o r k p i e c ec a nb er e a l i z e d t h ei n v e s t i g a t e d r e s u l t sh a ds h o w nt h ep r a c t i c ev a l u ea n di t sau s e f u lf o u n d a t i o nf o rt h ea i mo fh e a tt r e a t m e n t o p t i m i z a t i o n o nt h es t u d yo ft h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h ee f f e c t sa f t e rt h es p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n g nt 2 0 0 9 年i ：海大學碩上學位論文 p r o c e s s ，t h eh e a tt e m p e r a t u r em a y b e am o r es e n s i t i v ef a c t o rt ot h er e s u l t ar e l a t i v en a r r o ws c o p e o ft e m p e r a t u r ec a nb ec h o s e nt oh e a tt h em a t e r i a lt oa c h i e v eaw e l l s p h e r o i d i z e dm i c r o s t r u c t u r e ，a n d8 4 0 c ，at e m p e r a t u r eal i t t l eh i g h e rt h a na clfi sc o m m e n d e d o n t h eo t h e rh a n d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i m e n s i o no fc a r b i d ef o r m e di nt h ei s o t h e r m a ls t a g e a n dt h ei s o t h e r m a lt e m p e r a t u r e ，i tm e e tt h el a wo fo s t w a l dc o a r s e n i n gm e c h a n i s ma n dt h ek i n e t i c e q u a t i o nw a ss u c c e e d e dt op u to u t i tw i l lb eai m p o r t a n te v i d e n c ef o rc h o o s i n gt h ei s o t h e r m a l t e m p e r a t u r et oc o n t r o lt h ed i m e n s i o no fc a r b i d e t h ec a r b i d ei nt h em i c r o s t r u c t u r ea f t e rs u f f e r i n gt h es p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n gp r o c e s sw a s s t u d i e dm a k i n gu s eo ft e ma n dx r dm e t h o d t h ec r 2 3 c 6 、c r 7 c 3 及f e 3 cw e r ef o u n da n d m a s sp e r c e n tw a sm e n s u r a t e da s9 31 k e yw o r d s ：m c 5 s t e e l ；c o l dr o l l e r ；n o r m a l i z a t i o n ；s p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n g ； n e t w o r kc a r b i d e ；s i m u l a t i o n i v 2 0 0 9 年上海大學碩士學位論文 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作。 除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：盟坌魚e l 期：劊：蘭 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解上海大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學 校有權(quán)保留論文及送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可 以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 2 0 0 9 年l ：海大學碩士學位論文 1 1 引言 第一章緒論 近年來，我國鋼鐵行業(yè)繼續(xù)保持高速發(fā)展勢頭，宏觀調(diào)控為鋼鐵工業(yè)搞好結(jié) 構(gòu)調(diào)整提供了新的機遇。鋼鐵企業(yè)從提高市場競爭力的戰(zhàn)略高度出發(fā)，大力推進 技術(shù)進步和創(chuàng)新，使板、管、帶產(chǎn)量大幅度增長，其中僅冷軋板產(chǎn)量同比就增長了 2 5 8 。而冷軋板產(chǎn)量的激增，對國內(nèi)冷軋輥制造業(yè)便提出了新的要求。 眾所周知，在冷軋薄板牛產(chǎn)中，鍛鋼冷軋輥的性能和使用效果是影響軋材質(zhì) 量和生產(chǎn)效率的重要因素。汽車和家用電器行業(yè)的快速發(fā)展，導致對冷軋薄板的 需求量迅速增長，同時對冷軋薄板的產(chǎn)品質(zhì)量( 如板厚、板形和表面特性等) 提出 了更高要求。為了達到這些要求，鋼鐵企業(yè)在軋鋼工藝中普遍采用了六輥h c 或 c v c 軋機，這類軋機具有自動化程度高、軋制壓力大、高速、低耗等特點，同時 其連軋機工作輥的內(nèi)在質(zhì)量要求也比傳統(tǒng)的冷軋輥高得多，突出表現(xiàn)在以下幾個 方面【l 】：一是鍛鋼冷軋輥的有效淬硬層深度更高，以便在軋輥的整個使用壽命期 間減少重淬處理次數(shù)，降低軋輥總的使用成本；二是對軋輥表面微觀組織提出了 特殊要求，以便滿足汽車車身鋼板和家用電器鋼板表面質(zhì)量的要求；三是要求更 高的軋輥使用性能，特別是抗事故能力【4 】。這樣一來，用戶在對鍛鋼冷軋輥性能 傳統(tǒng)要求( 如高強度、高硬度和高耐磨性、良好的韌性) 的基礎(chǔ)上，又加上了這些 新的技術(shù)要求，使得軋輥生產(chǎn)廠家必須進一步完善和改進鍛鋼冷軋輥的生產(chǎn)工 藝。 1 2 鍛鋼冷軋輥材質(zhì)的發(fā)展： 上世紀6 0 年代以來，國內(nèi)外冷軋輥材質(zhì)一直沿用9 c r 2 系或8 6 c r m o v 7 鋼。 為提高冷軋輥使用壽命，曾采用工頻雙感應器加熱淬火，或提高冷去l j i i 力等方法 增加淬硬層，因為當時認為只有高強度才有高的耐磨性，忽略了未溶碳化物對耐 磨性的作用；上世紀7 0 年代以后，日本開始使用鉻含量為3 的m c 3 鋼冷軋輥， 有效地提高了軋輥的耐磨性及使用壽命；上世紀8 0 年代，日本、德國等國家又 2 0 0 9 年i ：海大學碩上學位論文 在大型冷軋機，h c 軋機和森吉米爾軋機上使用了鉻含量為5 - - 1 0 的中鉻和高鉻 冷軋輥，使軋輥壽命提高1 2 倍。 1 2 1 冷軋工作輥用c r 系鍛鋼的發(fā)展 a 、c r 2 系列 上世紀8 0 年代以前主要鋼種是2 c r 型。我國牌號為9 c r 2 m o 、9 c r 2 m o v ，其 碳含量在0 8 5 一0 9 5 ，具有較高淬硬性，但存在淬硬層脆性大，抗熱沖擊差、 淬透性不高( 一般在1 2 m m - 1 5 m m ) ，等弱點。為提高抗失效性，原蘇聯(lián)開放了低c 高s i 型冷軋工作輥用鋼6 0 c r 2 s i m o v ( 0 5 7 一0 6 5 c 1 1 - 3 s i ) 。西歐傳統(tǒng)的 c r 2 鋼相對碳含量低一些，如德國的8 6 c r m o v 7 、法國的8 5 c d v 7 、比利時的8 0 c d v 7 ， 抗事故性較好些。此類材質(zhì)組織中碳化物為m 3 c 型，輥身表面淬火后碳化物顆粒 數(shù)量較少，屬于以高碳量強化基體為主的。這種淺淬硬層的軋輥在軋制事故時易 產(chǎn)牛剝落，同時在淬硬層磨損后需再次淬火。 b 、c r 3 鋼 7 0 年代末期到8 0 年代，日本及其他國家制造廠陸續(xù)開發(fā)推廣了c r 3 深淬硬 層冷軋工作輥，3 c r 型材質(zhì)是在2 c r 材質(zhì)的基礎(chǔ)上將鉻含量增加至3 左右，通 過鎳、鉬等元素合金化，提高了軋輥的淬透性，淬硬層可達3 0 m m 。3 c r 型材質(zhì) 組織仍以m 3 c 型碳化物為主，并出現(xiàn)了m 7 c 3 型。輥身淬火后碳化物數(shù)量較2 c r 系列材質(zhì)增加約一倍，其耐磨性較2 c r 系列材質(zhì)提高約3 0 ，淬硬層較深，作 為一般軋機工作輥不需重淬，但出現(xiàn)軋制事故時易造成深度剝落，導致軋輥報廢。 c 、c r 5 鋼f 2 3 】 c r 5 冷軋輥是含鉻量5 左右的新材質(zhì)冷軋輥，通過化學成分的科學匹配和合 理的生產(chǎn)工藝，其與傳統(tǒng)的c r 2 材質(zhì)和深淬硬c r 3 材質(zhì)相比，具有以下優(yōu)良的技術(shù) 特性： 一、優(yōu)化了碳化物的類型和分布。由于主要元素c r 含量發(fā)生了變化，提高了c r c 比，由c r 2 、 c r 3 材質(zhì)以m 3 c 類型碳化物為主變?yōu)榱艘詍 7 c 3 類型碳化物為主，碳 化物的硬度發(fā)生了變化。同時，由于多元合金化的作用，其碳化物的顆粒度更細小， 2 2 0 0 9 年上海大學碩上學位論文 集中在0 1 - 0 5 u m 之間( m c 3 材質(zhì)碳化物顆粒尺寸集中在0 3 - 0 8 u m 之間) ，碳 化物面積百分比3 7 5 6 之間，且分別彌散，圓整度也很好，為提高軋輥耐磨 性和抗事故性提供了組織基礎(chǔ)。 二、提高了耐磨性。c r 5 材質(zhì)由于合金元素含量的提高，基體固溶量增加，提高了 強化效果：同時，碳化物類型發(fā)生變化，碳化物硬度提高，因而提高了軋輥的耐磨 性。試驗室耐磨性試驗表明：c r 5 材料的耐磨性比c r 2 材質(zhì)提高了兩倍，比c r 3 材質(zhì)的耐磨性提高了一倍以上。 三、增加了硬層深度。軋輥淬硬層深度的獲得，一方面通過合金元素的調(diào)整來實 現(xiàn)，另一方面，合理科學的熱處理工藝是保證軋輥獲得深淬硬層的必不可少的手 段。通過合理的成分設(shè)計和熱處理工藝方法，國內(nèi)邢機c r 5 材質(zhì)冷軋輥可以獲得 4 5 r a m 以上深度的淬硬層，可滿足國內(nèi)幾乎所有軋輥工作層深度要求，冷軋輥不再 需進行二次重淬，避免了軋輥重淬帶來的軋輥尺寸精度和形位精度的變化。與 c r 2 、c r 3 材質(zhì)相比，c r 5 材質(zhì)冷軋輥具有更深的等硬度層，為提高軋制穩(wěn)定性創(chuàng) 造了條件【5 】。 四、斷裂韌性相當。材料的斷裂韌性是衡量材料裂紋擴展抗力的指標，通常隨著 材料合金元素含量的提高，材料的斷裂韌性值往往降低。但通過碳化物的形態(tài)和 分布、基體組織及組織均勻性的合理控制，材料的斷裂韌性并未因c r 含量的增加 而明顯降低。試驗表明，c r 5 與c r 2 材質(zhì)斷裂韌性相當。 五、抗事故性提高。c r 5 材質(zhì)軋輥由于基體的固溶強化效果提高了基體強度指標， 同時碳化物尺寸減小，分布更加彌散，減輕了對基體的割裂作用，軋輥抗事故性也 相應提高。有入進行了粘鋼試驗統(tǒng)計，結(jié)果表明，c r 5 冷軋輥平均每次粘鋼后產(chǎn) 生的裂紋深度比c r 3 冷軋輥要減少3 4 2 3 。使用結(jié)果表明，c r 5 軋輥比c r 3 軋輥 的抗事故能力提高3 0 左右【6 7 】。 1 2 2 冷軋工作輥用鋼中主要合金元素在鋼中的作用 9 0 年代后，冷軋輥用鋼突破了鉻系鍛鋼的局限，進一步向高合金化發(fā)展， 鉬、釩等合金元素的添加不僅增加了冷軋輥用鋼的強度，而且提高了冷軋輥用鋼 的綜合性能。 a 、c r 2 0 0 9 年上海大學碩十學位論文 鉻和鐵形成連續(xù)固溶體，與碳形成多種碳化物，鉻與碳的親和力在形成碳化 物的諸元素中大于鐵和錳而低于鎢、鉬等。它可以取代一部分鐵而形成復合滲碳 體( f e ，c r ) 3 c ，隨著鉻含量的增加，先出現(xiàn)含鉻滲碳體( f e ，c r ) 3 c ，其次是。 碳化鉻( c r ，f e ) 7 c 3 ，最后出現(xiàn)( c r ，f e ) 2 6 c 6 ，此外，在這些碳化物的中間區(qū) 域，有兩種碳化物共存的混合區(qū)域。那么，鉻的復雜碳化物對于鋼的性能有顯著 的影響，特別是鋼的耐磨性【8 a2 0 1 。 鉻使珠光體中碳的濃度及奧氏體中碳的極限溶解度減少，即使鐵碳平衡相圖 中的s 點及e 點向左移。在等溫轉(zhuǎn)變時，鉻能有效地延長奧氏體轉(zhuǎn)變的孕育期， 也就是減緩奧氏體分解速度，從而提高鋼的淬透性。 b 、m o 鉬屬于縮小y 相區(qū)的元素，鉬在鋼中存在于固溶體相和碳化物相中。在碳化 物中，當鉬的含量較低時，與鐵及碳化物形成復合的滲碳體；當含量較高時，則 形成它自己的碳化物。鉬在鋼中的作用可以歸納為提高淬透性、提高熱強性、防 止回火脆性、提高剩磁和矯頑力，提高在某些介質(zhì)中的抗蝕性與防止點蝕傾向等。 c 、n i 鎳和碳不形成碳化物，它是形成和穩(wěn)定奧氏體的豐要合金元素。在這面的作 用僅次于碳和氮。鎳和鐵以互溶的形式存在于鋼中的a 相和y 相中，使之強化， 并通過細化a 相的晶粒，改善鋼的低溫性能，特別是韌性。但是鎳含量過高會在 淬火時使基體中殘余奧氏體量增加，所以用量不可太高。 d 、v 釩是強化鐵索體和y 相圈形成元素之一，它和碳、氮、氧都有極強的親和力， 與之形成相應的極為穩(wěn)定的化合物。釩和q 鐵形成連續(xù)的固溶體；但在鋼中豐要 以碳化物的形態(tài)存在。它在鋼中的主要作用：1 、細化鋼的組織和晶粒，提高晶 粒細化溫度，能有效地阻止加熱時奧氏體的晶粒粗大，降低鋼的過熱敏感性，并 提高鋼的強度和韌性。2 、當在高溫溶入奧氏體時，增加鋼的淬透性；相反，如 以碳化物形態(tài)存在時，卻將降低鋼的淬透性。3 、增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，并 產(chǎn)生二次硬化效應。 e 、m n 錳和鐵形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度；同時又是碳化 4 2 0 0 9 年上海大學碩上學位論文 物形成元素，進入滲碳體中取代一部分鐵原子。錳在鋼中由于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度， 起到細化珠光體的作用，也間接地起到提高珠光體鋼強度的作用。錳擴大鐵碳平 衡相圖中的y 相區(qū)；它使鋼形成和穩(wěn)定奧氏體組織的能力僅次于鎳；它也強烈增 加鋼的淬透性。但是，作為合金元素來說，錳也有它不利的一面。錳含量較高時， 有使鋼晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆敏感性。冶煉澆鑄和鍛軋后冷卻不當 時，容易使鋼產(chǎn)生白點。 f 、s i 硅在鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。它 提高鋼中固溶體的強度和冷j j n - r 變形硬化率的作用極強，僅次于磷；但同時也在 一定程度上降低鋼的韌性和塑性。硅是封閉y 相區(qū)的元素之一，提高鋼的a c 。溫 度；因此含硅鋼一般要求較高的淬火和退火溫度。硅對鋼的淬透性影響中等，但 對提高鋼的回火穩(wěn)定性和抗氧化性有很大的好處。 1 3 冷軋輥的主要性能要求 冷軋輥是直接參與軋制的帶鋼冷軋機的重要部件，其性能直接影響冷軋板帶 材質(zhì)量，特別是高級冷軋板的表面質(zhì)量以及軋機軋制牛產(chǎn)效率。2 0 0 5 年，國內(nèi)大 型鋼鐵企業(yè)冷連軋機數(shù)量已由上世紀末的8 套增加至1 6 套，加上民營等其他所有 制企業(yè)已建或擬建的軋機，連軋機總數(shù)已達到2 0 套左右。同時，單機可逆或雙機 可逆冷軋機的數(shù)量也己成倍增加。這些新上軋機尤其是連軋機大多采用酸軋聯(lián)機， 選擇相關(guān)的等板形控制技術(shù)，可實現(xiàn)無頭車l a j j 及自由規(guī)程軋制，具有軋制效率高、 控制技術(shù)先進、軋制板材薄、板面質(zhì)量要求高等共同特點，使得軋輥的服役條件 更加惡劣，對冷軋輥的使用性能提出了更高的要求。 現(xiàn)代化軋機對冷軋輥的主要性能要求有以下五條【l 訓： 一、純凈的冶金質(zhì)量和均勻的組織，以提高軋輥材料抗疲勞強度； 二、良好的抗事故能力，降低出現(xiàn)軋制事故時對軋輥的損傷； 三、高硬度和高耐磨性，延長軋輥的換輥周期，提高軋制效率； 四、足夠的淬硬層深度，滿足軋輥工作層深度的需要而不必進行軋輥的重淬； 五、高而均勻的輥身表面硬度，保證板材的表面質(zhì)量。 5 2 0 0 9 年j ：海大學碩十學位論文 1 4 冷軋輥的熱處理工藝 冷軋輥制造工藝復雜、難度大、周期長，具體步驟為：電爐冶煉( 鋼包精煉 和真空處理) 一鑄錠( 鑄造電極) - - - j ；l $ 0 電極坯料一電渣重熔一鍛造一鍛后正火 一球化退火一去氫退火一粗加工一探傷及檢驗一調(diào)質(zhì)處理一半精加工一表面淬 火一冷處理一低溫回火一精磨一去應力回火一精加工一檢驗交貨。其中，對于鍛 后冷軋輥的熱處理而言，大致可分為三個階段：( 1 ) 鍛后熱處理；( 2 ) 調(diào)質(zhì)熱 處理；( 3 ) 最終熱處理【1 1 】。 1 4 1 冷軋輥的鍛后熱處理 鍛后熱處理工藝主要包括正火、球化退火和擴氫退火三個階段，其工藝特點： 軋輥鍛造過程中出現(xiàn)局部過熱，造成鍛件粗晶組織和較大的殘余應力、組織 應力和鍛造殘余應力，以及氫析出過程中產(chǎn)生的應力綜合作用所形成的白點，故 在制定鍛后熱處理工藝時，需要緩慢加熱到8 5 0 - 8 7 0 ，以減少鍛件中的殘余應 力，細化晶粒，使氫在整個截面上分別均勻，降低鍛件對白點的敏感性。在 接近臨界溫度a 1 時長時間保溫，利用片狀滲碳體的自發(fā)球化趨勢球化，以獲得 點球狀珠光體和顆粒狀共晶碳化物，改善切削加工性，并為隨后的終處理做好組 織準備。利用氫在q - f e 組織狀態(tài)下的溶解度小，擴散速度較大，選擇適宜溫 度保溫利于氫的析出。 1 4 2 正火工藝 軋輥在經(jīng)過鍛造之后，如果冷卻速度不夠，就容易造成滲碳體在晶界偏聚形 成了粗大的碳化物網(wǎng)。這種網(wǎng)狀碳化物，會對最后軋輥的性能造成致命影響。因 此，通過正火，不但可以消除網(wǎng)狀碳化物，還能提供細片狀的珠光體為之后的球 化退火工藝帶來較好的效果。理論上而言，一般正火加熱溫度為a c m + ( 3 0 - - - 5 0 c ) 1 2 】。 據(jù)文獻【l6 】報道，國內(nèi)工廠在生產(chǎn)中一般將正火溫度定為9 5 0 。c ，因為加熱溫 度越高，殘存的碳化物越少，當高于9 5 0 。c 時碳化物數(shù)量起變化已不明顯，并且 溫度過高會使晶粒急驟長大，對探傷和疲勞產(chǎn)生不良影響，因此將正火溫度規(guī) 6 2 0 0 9 年卜海大學碩士學位論文 定在9 5 0 ( 2 - i - i o c 。保溫時間一般視工件大小而定，但是保溫時間短，奧氏體組 織不易均勻化，保溫時間適宜，可使奧氏體組織均勻化，因此，保溫時間一般定 為7 - 1 0 h 。 1 4 3 球化退火 大型冷軋工作輥經(jīng)鍛造成形后，都需要進行球化退火，其目的是獲得球狀珠 光體組織，降低軋輥硬度，便于切削加工，為調(diào)質(zhì)做好準備。球化珠光體直接影 響著冷軋工作輥的耐磨性，冷軋輥經(jīng)表面淬火后，在有效淬硬區(qū)內(nèi)球狀碳化物球 化越細小，數(shù)量越多，分布越細密，軋輥在軋制過程中，抗剝落性越強，耐磨性 就越高。 1 、球化退火的原理【1 3 1 ： 片狀珠光體加熱到h c l 以上2 0 一3 0 時，因溫度不高，滲碳體溶解不充分， 片狀滲碳體溶斷成許多細小的碳化物質(zhì)點，分布于不均勻奧氏體中，在隨后緩冷 時，未溶碳化物作為非自發(fā)核心，奧氏體中的富碳區(qū)便成為碳化物晶核，長成晶 粒。在緩冷或略低于a c l 溫度的等溫過程中，聚集長大成一定尺寸的粒狀滲碳體， 獲得球狀組織。因確定促使片狀珠光體分解成細小碳化物質(zhì)點的溫度很重要，該 溫度必須選定適宜，不宜過高或過低，根據(jù)實際情況，有的牛產(chǎn)廠家在一次球化 退火的基礎(chǔ)上，再進行一次球化退火，從而進一步獲得高質(zhì)量的球狀珠光體。 2 、影響球化熱處理的因素【1 4 1 ： 1 ) 原始組織的影響： 鍛造后的冷軋輥用鋼8 6 c r m o v 7 、m c 3 、m c 5 系列的原始組織為層片狀的珠光體。 加熱h c l 溫度以上時，珠光體中的片狀碳化物開始溶解，但又未完全溶解，導致 奧氏體的成分極不均勻，在隨后的冷卻過程中，以未溶的細小碳化物微粒為核心， 而均勻地長大形成顆粒狀的碳化物。冷軋輥用鋼加熱n a c l - - 一h c 3 之間溫度時，未 溶解的游離碳化物被奧氏體包圍，滲碳體片的兩端棱角處界面的曲率小，表面的 碳原子易于遷移而使奧氏體的碳濃度增高，碳原子不易由滲碳體表面轉(zhuǎn)入奧氏體 中，因而其附近奧氏體的濃度較低。這樣，就造成奧氏體晶粒內(nèi)碳原子的濃度差， 引起碳原子的擴散，導致尖端處碳原子的溶解，而平直處碳原子的沉積并析出滲 7 2 0 0 9 年上海大學碩十學位論文 碳體。如此不斷進行最終形成球狀滲碳體。經(jīng)過兩次等溫球化的軋輥，基本上能 消除原始組織所帶來的影響。 2 ) 加熱溫度和保溫時間的影響： 加熱溫度和保溫時間主要是通過改變奧氏體成分和狀態(tài)來影響珠光體的轉(zhuǎn) 變。奧氏體的成分并不一定是鋼的成分。例如，當奧氏體化溫度較低時鋼中的殘 余碳化物較多，則奧氏體中碳和合金元素的含量就會相對降低，故奧氏體化溫度 的高低，可以在一定范圍內(nèi)影響奧氏體成分。保溫時間的長短也可起一定的作用。 所以提高奧氏體化溫度和延長保溫時間，即相當于提高奧氏體中碳和合金元素的 含量，都可使珠光體轉(zhuǎn)變的孕育期變長，轉(zhuǎn)變速度降低。另一方面，加熱溫度越 高，保溫時閭越長，奧氏體成分愈均勻，奧氏體晶粒愈粗，都會導致珠光體形核 減少，相應的使珠光體轉(zhuǎn)變速度變慢。相反，則碳化物沒有完全溶解或還未均勻 化，此時奧氏體中碳和合金元素的含量將低于鋼的含量。未溶解的碳化物，可作 為珠光體轉(zhuǎn)變的晶核；已溶解還未均勻化，則高碳區(qū)和低碳區(qū)均可以為珠光體的 轉(zhuǎn)變的形核準備有利條件。所以奧氏體化溫度低、時間短均將加速以后珠光體轉(zhuǎn) 變【2 2 1 。 3 ) 奧氏體晶粒度的影響： 下圖為珠光體轉(zhuǎn)變的進程與奧氏體晶粒度的關(guān)系： 可以看出，奧氏體晶粒越細，珠光體轉(zhuǎn)變越快。冷軋輥鋼含碳量較高，在鍛 造過程中先共析碳化物沿晶界析出易形成網(wǎng)狀碳化物。所以球化之前的正火是非 常必要的。正火后，碳化物溶于奧氏體中，使球化退火時珠光體形核減少，降低 了珠光體的形成速度。 4 ) 等溫溫度的影響： 等溫退火是在a c l 以下的某一溫度等溫，使之發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。由i t 圖可知， 等溫退火可以縮短退火時間，所得組織更均勻。從圖l 可以看出，我們將軋輥加 熱到8 1 0 i o * c 保溫一定時間后，冷卻到7 2 0 進行等溫球化，等溫球化有一臨界 8 2 0 0 9 年j ：海大學碩士學位論文 過冷度a t o ，t o = a c l 一等溫溫度，中野平曾做過證明【1 5 】： 球狀珠光體的成長速度g s = a a t s 片狀珠光體成長速度g = b t 2 式中a 、b 為邊界平均遷移率的常數(shù)項；s 碳化物的平均粒間距：t 一過冷度。 奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變時，可能生長成球狀也可能牛長成片狀，只有當g b g a 時， 才能生長成球狀，即a a t s b t 2 。 t 1 0 2 1 c s ，并可據(jù) 此預測旨在確保抑制網(wǎng)狀碳化物形成的工件從正火加熱溫度冷卻至a r l 點所允 許的最長時間。 5 、通過實驗驗證了結(jié)合模擬結(jié)果對大截面工件內(nèi)部組織預測工作的可行性，為 現(xiàn)場應用奠定了基礎(chǔ)。 2 0 0 9 年上海大學碩十學位論文 第五章球化退火的研究 球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼，其主要目的在于降低硬度， 改善切削加工性，并為以后淬火作好準備。球化退火工藝方法很多，最常用的兩 種工藝是普通球化退火和等溫球化退火，本實驗采用等溫球化退火。等溫球化退 火是與普通球化退火工藝同樣的加熱保溫后，隨爐冷卻到略低于a r l 的溫度進行 等溫，等溫時間為其加熱保溫時間的1 5 倍，等溫后隨爐冷至5 0 0 左右出爐空 冷。和普通球化退火相比，等溫球化退火不僅可縮短周期，而且可使球化組織均 勻，并能嚴格地控制退火后的硬度瞄0 1 。 對同范 圖5 1 等溫球化退火上藝圖 輥坯材質(zhì)是影響冷軋工作輥使用壽命的重要因素之一。退火處理的目的是為 中間調(diào)質(zhì)處理和最后的表面淬火作好組織準備。m c 5 鋼作為過共析的合金工具 鋼，鋼錠開坯鍛造后所獲得的組織將是珠光體+ 網(wǎng)狀碳化物，只采用不完全退火 或高溫回火是無法得到呈顆粒狀形態(tài)和均勻分布的碳化物，這就削弱了冷軋工作 輥的抗剝落和抗斷裂性能 3 1 、3 2 1 ，同時對于后面的表面淬火也增加了開裂的危險 性【3 。因此，為改變碳化物的形態(tài)和分布，對軋輥毛坯采用了等溫球化退火， 使之獲得在鐵素體基體上均勻分布的顆粒狀碳化物即球狀珠光體組織【3 叉3 4 。 5 1 還原片狀珠光體 片狀碳化物在加熱過程中的破碎分斷及?；c原始組織有密切關(guān)系。原始組 5 9 2 0 0 9 4 ?；?學位論i 織中片狀碳化物愈細薄，豐爿界而稅愈人，片狀碳化物破斷的驅(qū)動力愈大；舊時， 斷開后尖角部何的曲率半徑愈小，尖角同鈍化得愈f j ，有利于獲得更人彌散度的 碳化物質(zhì)點，從m 提高球化率，文獻【6 ”給出t 1 0 鋼分別絳砂冷、空冷和噴水冷 的方式冷卻，再進行相同的球化退火熱處坪j = 藝，所得結(jié)果為噴水冷的方式拎卻 歌得極細片狀珠光體的原始組織球化率最高p ”。由于來荊己是成品軋輥，其糾 織并1 ：符臺研究的需耍，因此在進行球化退火之前必須先對其進行組織還原，將 其恢復到原始片層狀珠光體狀態(tài)。 考慮到現(xiàn)實牛產(chǎn)中軋輥尺寸較大，j 下火冷卻時其內(nèi)外冷速差異較大，從而造 成組織上的差異，理論上分析會表現(xiàn)為珠光體閨尺寸的不同和片問距的粗細| 6 “。 l 扎比，在對球化退火工藝的研究中，需考慮原始組織這影響岡素。 根據(jù)文獻的研究結(jié)果珠光伴轉(zhuǎn)變的區(qū)域人斂在7 8 0 。c 一5 0 0 。c 之間p 5 i ，在珠 光體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)變溫度越低，形成的滲碳體片層問距越薄，所形成的珠光體品 粒越細小，以此使試樣在小刊溫度等溫轉(zhuǎn)變來模擬因冷速i f u 造成的原始組織籌 異。因此，將狀組織還原熱處理工藝定為：將尺寸為1 5 n g n l5 m m 15 m m 原始 試樣加熱到9 8 0 保溫1 h ，然后分別在7 0 0 干7 5 0 c 等溫4 h ，進行組雙還原。 所得組織的金相圖片如下： 豳飄 倒527 0 0 糶濉4 h ( x 1 0 0 0 ) 州5 - 37 5 0 保溫4 h ( 1 0 0 0 ) 觀察以上金相罔片發(fā)現(xiàn)，7 保溫與7 5 0 保溫所得珠光體組織差異較小， 均未出規(guī)粗片狀的珠光體，可見等溫實驗選取溫度已較高l 町仍未得到較粗的片狀 珠光體，對于該現(xiàn)致認為可能足由于c r 5 鋼巾合金禽量和碳含量都很高的緣故， 并與文獻叫1 所指出的研究結(jié)果一致。 基于陵實驗結(jié)果，認為在之后的球化工藝研究巾，原始組織這一兇索暫時可i r 考慮。均采片j9 8 0 c 保溫l 小時后7 0 0 等溫4 h 的上藝還原組織。 2 0 0 9 年上海大學碩士學位論文 5 2 球化退火工藝對于組織的影響 球化退火工藝得到的球狀珠光體直接影響著冷軋工作輥的耐磨性，冷軋輥經(jīng) 過表面淬火后，在有效的淬硬區(qū)內(nèi)若球狀碳化物球化越細小，數(shù)量越多，分布越 細密，貝, j s l 輥在軋制過程中，抗剝落性越強，耐磨性就越好。 一般意義上的球化退火是指讓鋼中碳化物球化而進行的退火工藝。理論上， 等溫球化退火工藝的制定主要是將鋼加熱到a c l 以上2 0 - - 3 0 ，保溫一段時間， 然后冷卻至略低于a r l 溫度，并在此溫度保溫一定時間確保奧氏體全部分解，并 得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織【3 7 1 。 在木節(jié)中，主要對加熱溫度及保時間，等溫溫度及等溫時間等因素對球化效 果產(chǎn)牛的影響進行具體討論和研究。考慮到為能使本文c r 5 鋼的研究結(jié)果對該材 質(zhì)的主要產(chǎn)品冷軋輥的實際生產(chǎn)起到指導作用，在研究球化退火時，需考慮冷軋 輥產(chǎn)品尺寸較大這一實際因素，工件燒透所需時間較長，因此通過延長各階段的 加熱及保溫時間，在理論上討論碳化物的球化及粗化過程的同時，從實際角度出 發(fā)也觀察了大尺寸軋輥在球化退火處理后，其心部及表面組織的差異。 5 2 1 加熱溫度及時間對于球化組織的影響 研究表明，加快碳化物球化速度，應從兩個方面入手：1 ) 加熱奧氏體化時， 除盡可能保留多的未溶c e m 顆粒；2 ) 獲得碳濃度不均勻性最大的奧氏體。文獻 p 8 】在論述a ( y ) 一p 。轉(zhuǎn)變時指出：在充分奧氏體化的鋼中珠光體一般在晶界形核， 而這種核心只能向晶內(nèi)生長，得到的是層片狀珠光體?？梢姡瑠W氏體化溫度越高， 保溫時間越長，奧氏體成分越均勻，則越不容易獲得球狀珠光體【3 9 1 。 圖5 4 為層片狀球光體( p l ) 、粒狀珠光體( p s ) 及奧氏體( y ) 的自由焓( g ) 與 溫度( t ) 的關(guān)系。已知g p s g p l ，y 為高溫穩(wěn)定相，g p 。= 研的溫度為a c l ( p l y ) ； g p 。= 研的溫度為a c l ( p s y ) 。由圖5 4 可見在連續(xù)加熱奧氏體化時，p y 轉(zhuǎn) 變是在a c l 以上一個溫度區(qū)間內(nèi)的升溫過程中完成的，因此存在轉(zhuǎn)變的開始溫度 a c l s ( p y ) 和終了溫度a c l f 。傳統(tǒng)球化退火的加熱溫度現(xiàn)有的所有資料都指 出應選在略高于a c l ，也有的具體給出a c l + ( 2 0 - - - 3 0 ) ，此a c l 是指a c l s 還是 a c l f ，令人費解 4 1 4 3 1 。 6 1 2 0 0 9 年j ：海大學碩十學位論文 。 察 丑 0 丁 圖5 4p 。、p s 及y 的自由焓( g ) 與溫度( t ) 關(guān)系的示意圖 又如圖5 - 5 所示為t i o 鋼連續(xù)加熱奧氏體化的t t a 曲線( a ) 及奧氏體內(nèi)碳濃 度的變化( b ) 。圖5 - 5 ( a ) 中t i o 鋼的加熱分成四個階段( 加熱速度選定為1 0 s ) ：( 1 ) a c l s 線上點1 ，p 。一y 轉(zhuǎn)變；( 2 ) a c l f 線上點2 ，鐵素體q 消失；( 3 ) a c m 線上點3 ，碳化物c e m 完全溶解；( 4 ) a b 虛線上的點4 ，奧氏體y 均勻化。加熱過 程中奧氏體內(nèi)碳濃度會產(chǎn)牛相應的變化，如圖5 - 5 ( b ) 所示。不均勻y 內(nèi)的最低 和最高碳濃度分別為c m i n 和c m a x ，而y 的平均碳濃度以虛線表示。從圖中可見， q 消失時( a c l f 線上點2 ) y 內(nèi)碳濃度不均勻性( c m a x c m i n ) 最大，而且此時y 處 于初始晶粒狀態(tài)，晶內(nèi)未溶碳化物質(zhì)點數(shù)量較多。因此，該研究【3 9 認為球化退火 加熱溫度及保溫時間以a c l f 溫度透燒為宜，繼續(xù)升高溫度或延長時間，將降低 碳濃度梯度，減少殘余碳化物數(shù)量，對球化不利。 6 2 2 0 0 9 年l ：海大學碩十學位論文 p 蜊 翹 柵熱堰褒r s o i l f t t i 均勻 、 1 、i 、 、t 因c h l _ 、 、 i sx 4 r 、 、 ? 。， 。f “： 、 f 芯汰q 、百 “&受o o ：孓