回火工艺对高速钢轧辊残余奥氏体和硬度的影响

1、高速钢复合轧辊是利用具有高硬度,尤其是具有很好的红硬性、耐磨性和淬透性的高速钢作为轧辊的工作层,用韧性满足要求的高强度球墨铸铁作为轧辊的芯部材料,把工作层和芯部以冶金结合的方式复合起来的高性能轧辊。高速钢的基体中固溶有大量合金元素,使得淬火后高速钢中有大量的残余奥氏体,过多的残余奥氏体使得轧辊在冷热疲劳过程中产生裂纹的倾向增大。因此,通过热处理将淬火组织中的残余奥氏体转变为马氏体是提高热稳定性能的一个重要途径。另一方面,通过热处理可以使固溶在基体中的合金元素析出,形成高熔点、高硬度的MC型碳化物颗粒,提高二次硬化能力1。本文研究了1050空淬下,不同回火工艺对高速钢轧辊显微组织中残余奥氏体和硬

2、度的影响,通过对热处理后轧辊中残余奥氏体和碳化物含量的测量和分析,确定最优的高速钢回火工艺参数,为工业生产提供了科学依据。1试验材料和测试方法1.1实验材料来自国内某轧辊厂,复合轧辊高速钢工作层的成分见表1。1.2淬火工艺本实验所用材料是从大块高速钢铸态试样用钼切割的方法切成15mm×12mm×12mm的试样块,用高温电阻炉加热(精度±5,在1050保温1h 后出炉空淬。1050空淬保温1h的显微组织如图1。1050空淬后试样的硬度如表2。1.3回火工艺及其显微组织为减少试验次数,设计了三因素(回火温度、保温时间和回火次数三水平回火工艺正交表,选用正交表L9(34

3、表格2,其因素和水平选择的依据如下。(1回火温度的选择。200300时残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体,到300时残余奥氏体分解基本结束3。当回火温度低于350时,只表2空淬后试样的硬度回火工艺对高速钢轧辊残余奥氏体和硬度的影响Influence of the Tempering Technology on Retained Austeniteand Hardness of High-Speed Steel Rolls栗重浩1姚三九1杨仁康1王武宏1甘宅平2刘永志2(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070;2.武汉钢铁集团轧辊制造公司,武汉430070摘要:采用正交表L9(3

4、4设计高速钢轧辊淬火后的回火工艺;经XRD分析,采用K值法定量测量不同热处理工艺下高速钢轧辊中残余奥氏体和碳化物的含量;通过方差分析确定残余奥氏体最少和硬度达到HRC71以上的最优热处理工艺。关键词:高速钢轧辊,XRD,残余奥氏体,硬度中图分类号:TG142.45;文献标识码:A;文章编号:1006-9658(200904-4收稿日期:2009-04-09文章编号:2009-054作者简介:栗重浩(1982-,男,硕士研究生,从事高性能金属材料的研究、材料成型和热处理工作表1高速钢轧辊化学成分(质量百分数,%C Si Mn Cr Mo V W Nb P S1.6/图11050空淬后试样的显微组

5、织(a(b100m50m能消除内应力,对硬度影响不大。为使更多碳化物析出,提高二次硬化能力,且350回火时,在以后随炉冷却过程中有更多残余奥氏体分解,回火的最低温度定为350。400500回火时,析出的合金碳化物主要是以铬的碳化物为主,原先析出的渗碳体也在此温度下逐渐转化为铬的碳化物,此碳化物比较稳定、不易聚集,这样使高速钢的硬度逐渐升高5。而且,马氏体在300500回火得到回火托氏体组织,它具有很高的弹性极限,同时有一定的塑性,可以改善高速钢的力学性能4。因此450是回火的又一水平温度。500600回火时,一方面析出弥散度很高且不易聚集的钨和钒的碳化物,出现了明显的“弥散硬化”现象;另一方面

6、,由于在回火过程中,残余奥氏体不断析出碳化物,使其碳和合金元素含量都降低,从而提高了它向马氏体转变的温度,在此温度回火后的冷却过程中,转变为回火马氏体5。此外,共析成分的奥氏体在A1550温度范围内等温回火时,将发生珠光体转变,转变后的珠光体硬度较低6。从这三方面考虑,550是回火的上限温度。(2保温时间和回火次数的选择。高速钢基体中固溶有大量合金元素,使过冷奥氏体等温转变C曲线右移,降低了马氏体转变温度,增加过冷奥氏体的稳定性,使得淬火高速钢中有大量的残余奥氏体,需多次回火消除。一般经三次回火才能完全消除残余奥氏体7。回火次数过多,大量碳化物多次共析易聚集长大,韧性和硬度都明显下降。如果保温

7、时间不足,达不到回火目的,高速钢的力学性能得不到改善。一般保温时间至少一小时。保温时间过长时,一方面碳化物聚集长大,甚至再晶接成网状,使韧性明显降低。另一方面,大多固溶在马氏体中的合金元素大量析出,降低了马氏体的固溶强化效果,基体马氏体硬度降低。此外,在高温回火中,长时间保温易于组织粗大。所以保温时间应在15h。回火工艺正交表见表3。不同回火工艺下的显微组织如图2(a、(b、(c、(d。1.4残余奥氏体和碳化物的测量本试验所用X射线衍射仪型号为D/Max-IIIA,其试验仪器参数:额定功率3kW;Cu靶;管压35 kV;管流30mA;仪器稳定度优于1%;测角精确度2±0.02

8、6;测试速度为10deg/min;测试范围20°100°(2。用MDI Jade5.0软件(PDF2004卡片数据库建立的卡片索引进行XRD分析,并采用RIR方法定量测试残余奥氏体的含量8。此方法可以定量地测出各物相的含量,对于本实验高速钢组织中主要有回火马氏体M、残余奥氏体和碳化物。具体操作方法8:(1准确鉴定每一个物相;(2打开峰的物相鉴定报告,将标准卡片上标明为I%=100的峰留下,保存结果;(3查看峰搜索报告,并保存;(4打开物相鉴定过程中产生的PDF卡片列表,样品中包含的物相都在此表中,文件中保存的是每个相的名称、化学式和RIR值。有了以上三个文件保存的数据就可以

9、计算出每个相的质量分数:W A=I AK A Xi=AI iA图2不同回火工艺下的显微组织50m(a350×3h炉冷、二次回火(b450×3h炉冷、三次回火(c550×3h炉冷、一次回火(d550×5h炉冷、二次回火50m50m50m表3回火工艺正交表编号回火温度/保温时间/h回火次数350113503235053445012545033645051755013855031955052123其中A 表示被选定的样品中的任一相。I=A N 表示样品中有N 个相。其中RIR 的值都可以在MDI Jade 的数据库中查到。实验中测到的物相名称、化学式、RIR

10、值和I%=100的峰的晶面指数如表4。试验中VC 的(200晶面的衍射峰和奥氏体(111晶面衍射峰峰重叠,所以在计算各物相衍射积分强度时要扣除VC 对Austenite 的干扰。本试验的碳化物相主要为VC 、少量的Mo 2C 和极少量Mo 2V 4C 5等复杂化合物,其它碳化物检测不到,为计算方便碳化物只考虑VC 和Mo 2C 。此方法计算物相含量的优点:一是避免用电解定量萃取高速钢中碳化物含量带来电解工艺繁杂、周期长、成本高的缺点;二是可以测量出具体某一种碳化物的含量;三是试验的操作简单、方便、快捷。2试验结果和分析2.1高速钢轧辊空淬组织的XRD 图谱分析1050空淬条件下高速钢组织的XR

11、D 图谱分析如图3。1050淬火后,基体组织中有大量的淬火马氏体和残余奥氏体,还有从奥氏体中析出的共晶碳化物VC 及少量的二次碳化物Mo 2C 。由于背低的影响Cr 7C 3难以检测,它9是从奥氏体中析出,能溶入W 、Mo 、V 等元素,呈长条状,长轴尺寸可达5070m ,较聚集,不易通过XRD 检测。2.2高速钢轧辊1050空淬的组织和硬度1050空淬下不同回火温度的高速钢轧辊碳化物、残余奥氏体和硬度平均值见表5。通过三次回火,残余奥氏体量基本为零或含量极少。随回火温度升高和保温时间延长碳化物含量增多,但在550时,大多碳化物聚集长大,但呈减少趋势。碳化物Mo 2C 随回火温度和保温时间延长

12、而增多,说明在回火温度较高和保温时间较长的情况下,碳化物Mo 2C 才容易析出。450保温3h 回火3次时,碳化物含量明显增多,呈颗粒状、块状和细棒状,此温度正好为上贝氏体和回火托氏体的转变温度,回火托氏体有很高的弹性和一定的塑性,使组织力学性能有所改善,并且硬度达到峰值。550保温1h 回火3次时,碳化物含量较高,但硬度相对较低,是因为550回火时,大量碳化物从基体析出,易使奥氏体体转变为珠光体或铁素体,同时马氏体中合金元素降低,固溶强化效果有所下降。550保温3h 回火1次时,仍有较多的残余奥氏体,虽然碳化物含量没有达到最高,但硬度很高,说明在此热处理工艺下,碳化物颗粒和基体组织都没有粗大

13、,一部分合金元素析出后形成碳化物颗粒均匀分布于基体,起到明显的“弥散硬化”现象,另一部分合金元素留于马氏体中,起到固溶强化的效果,最终使基体的加权硬度较高。从图1(a 和(b 可以看出,空淬组织中大多是大表5不同回火温度下高速钢轧辊碳化物、残余奥氏体(质量百分数,%和硬度76.19.89.44.771.5注:*表示通过软件没有检测到该物相,说明该物相的含量很少,大多情况下可以忽略不计。图31050空淬条件下试样的图谱20304050607080901002(°100200300400500600C P S-Fe -Fe VC Mo 2C表4物相的测量参数物相名称Mo 2C12.63(

14、101图2(a(d可以看出,基体中分布有许多二次碳化物VC小颗粒,对基体起到的弥散强化作用显著,硬度上升。粒状碳化物使得基体硬度升高,并且改善部分力学性能。随着回火温度的升高和保温时间延长,颗粒状VC逐渐长大,块状VC和棒状的复杂碳化物(碳化物中固溶有V、Mo、W和Cr增多。到550时,回火马氏体组织粗大,颗粒状碳化物向棒状碳化物转化,并开始交接成断网状,网状碳化物使得基体韧性下降,碳化物的交接和增多使基体中固溶的合金元素大大降低,最终使得加权硬度下降。此外,550回火时一部分马氏体转变为由粗粒状渗碳体和多边形铁素体构成的回火索氏体(500650回火,还可能由残余奥氏体转变为部分珠光体,故基体

15、的硬度下降。2.3通过硬度和残余奥氏体的方差分析确定最优回火工艺为得出高速钢轧辊的最优回火工艺,分别对不同回火工艺下试样的硬度和残余奥氏体进行方差分析,分析结果分别见表6和表7。为进一步了解不同因素下的各水平效应对回火后的高速钢轧辊硬度的影响关系,分别对试样的硬度和残余奥氏体进行效应分析,结果分别见表8和见表9。从表4可以看出在1050空淬条件下,450保温3h回火三次和550保温3h回火一次的硬度都很高。根据方差分析表表5和表6中的极差大小,在考察水平因素段上,影响硬度的主次因素是:回火温度>回火次数>保温时间;影响残余奥氏体的主次因素是:回火次数>保温时间>回火温度

16、。由效应分析表表7和表8可知:硬度最高的优化组合是A3C3B2;残余奥氏体最低的优化组合是C3B2A1。所以在使硬度达到71HRC以上的情况下,残余奥氏体最少的优化组合为:1050空淬下,550保温3h回火三次。实验表明:本实验所用高速钢在1050空淬条件下,硬度随回火温度的升高和保温时间的延长,其变化规律是先升高后降低,450保温3h和550保温3h时硬度达到峰值,超过550和保温时间达5h后,硬度反而下降,因为回火后的硬度除了与碳化物含量和残余奥氏体量有关外,还与回火马氏体中饱和碳含量和合金元素含量及组织晶粒度的大小所决定。回火温度较低时,回火马氏体中的碳化物较少,故硬度相对较低;当回火温

17、度过高时,碳化物含量显著增多,甚至呈断网状,马氏体中固溶碳含量和合金元素含量大大降低,固溶强化效果也明显降低,过高的回火温度可能在基体组织中出现珠光体或铁素体,并且在长时间的高温回火条件下,组织易粗大,多方面因素致使组织硬度下降。考虑到淬火温度过高对组织的不利影响及一次回火可能残留的奥氏体较多,不同成份的高速钢轧辊回火温度应在450550之间调整,回火次数应在23次选择。3结论(11050淬火条件下,基体组织中有大量的淬火马氏体和残余奥氏体,还有从奥氏体中析出的表6不同回火工艺下试样的硬度值方差分析表7不同回火工艺下试样的残余奥氏体方差分析表8硬度效应分析因素水平效应回火温度A a1=-0.7

18、a2=0.3a3=0.4保温时间B b1=-0.4b2=0.3b3=0.1回火次数C c1=-0.4c2=0c3=0.4表9残余奥氏体效应分析因素水平效应回火温度A a1=-1.0a2=0.4a3=0.5保温时间B b1=1.1b2=0.8b3=0.1回火次数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通过三次回火,残余奥氏体量基本为零或含量极少;450保温3h回火3次时,碳化物含量明显增多,呈颗粒状、块状和细棒状,使组织的力学性能有所提高,并且硬度值达到最高。(3550回火时,颗粒状碳化物向棒状碳化物转化,并开始呈断网状;马氏体中固溶碳含量和合金元素

19、含量大大降低,固溶强化效果降低;基体组织中出现部分珠光体或铁素体,马氏体组织粗大,最终使得组织加权硬度有所下降。(4影响硬度的主次因素是:回火温度>回火次数>保温时间;影响残余奥氏体的主次因素是:回火次数>保温时间>回火温度。硬度达到71HRC以上和残余奥氏体量在10%以下的最优回火工艺是:1050空淬下,550保温3h回火三次。参考文献1肖纪美.高速钢的金属学问题M.北京:冶金工业出版社,1976:25-26.137-138.学出版社,2005:188.学报,2005.9宫坂善和,江南和幸,谷川俊宏.高碳素高速度钢碳化物形成及添加影响J.铸造工学,1997,69:20

20、1-206. 10魏世忠,徐流杰,李炎,等.高钒高速钢中碳化钒的电镜分析J.电子显微学报,2004,23(4:413.镁合金的塑性变形能力较差、室温韧性低、屈服强度低,长期以来阻碍了镁合金的应用。近年来,一些研究者在AZ31变形镁合金材料的改性上开展了不少工作,通过微量元素合金化和复合合金化的方法来提高AZ31变形镁合金的性能。已有研究表明1-4:在AZ31合金中添加Y、Ce、Sr和Sb等合金元素可以使镁合金的组织细化,力学性能得到改善。本文旨在通过Sb合金化,提高AZ31变形镁合金综合性能。1实验材料和试验方法试验材料选用纯镁、铝、锌、AZ31、纯度为99.99%Sb颗粒。试验设备:TH160里氏硬度计;冲击韧性试样为10mm×10mm×55mm无缺口标准试样。4XC双目金相显微镜观察显微组织;HITACHI S-3000N型扫描电镜上观察合金的组织形貌;Sb对AZ31镁合金组织和性能的影响Microstructures and Mechanical Properties ofAZ31Based Alloys with Additions of Sb高珊夏兰廷李宏战(太原科技大学,太原030024摘要:经XRD等检测表明:Sb的加入使镁及