cr5钢过烧温度试验研究

cr5钢过烧温度试验研究

随着汽车和家用电器行业的快速发展，冷油漆行业的市场需求不断增加，冷油漆行业的产品（如板厚、板形、表面特征等）的质量要求更加高。在冷轧生产过程中,锻钢冷轧辊的性能和使用效果是影响轧材质量和生产效率的重要因素。Cr5钢是含铬量在5%左右的过共析合金钢,通过化学成分的科学匹配和合理的生产工艺,其与传统的Cr2和Cr3系材质相比,由于铬含量高,形成大量硬度高且弥散分布的M7C3型碳化物,同时拥有良好的淬透性和耐磨性。目前国内以宝钢为代表的先进轧机1420、1550冷轧酸洗机组的工作辊也都要求使用Cr5钢工作辊。在实际生产过程中,由于通过电渣重熔工艺得到的电渣锭可能存在的成分偏析会导致材料的过烧临界温度发生波动。同时,在后续的锻造过程中,若初锻温度过高且形变速度过大,也可能会导致机械能转化为热能,使钢中局部区域产生内部温升,因此,钢锭加热与锻造工艺的制定都需要取决于Cr5钢初始熔化的温度,以避免产生局部过热乃至过烧现象。本文通过Thermo-cale软件模拟以及试验检测相结合的方式,研究合金元素含量与Cr5钢过烧温度的关系,旨在为实际生产中确定较为合理的热处理工艺及使用性能提供依据。1材料和试样的分析试验用Cr5钢的主要化学成分(质量分数,%)为:4～7Cr、0.7～1.0C、0.3～1.0Si、0.2～1.0Mn、0.2～1.0Ni、0.1～0.8Mo、0.1～0.4V,其余为Fe。原始料取自电渣重熔铸锭(以下简称为电渣锭),并通过S-570扫描电镜对其均匀性进行分析,热处理试样尺寸为30mm×30mm×30mm。利用NETZSCH-404C差示扫描量热仪(DSC)测定固液转变的临界温度点。使用YFA12/13G-Y型箱式电阻炉将试样在1350、1300、1280、1250℃分别进行扩散退火6h,并对其显微组织进行观察和分析。用Thermo-cale软件计算合金元素对于Cr5钢相图及其熔点的影响趋势,并借助matlab建立多元线性回归模型。2试验结果与分析2.1光学显微镜测试Cr5钢电渣锭的显微组织如图1所示,基体以珠光体类组织为主。经过硝酸酒精腐蚀之后,在光学显微镜下可以看到有明显的颜色差异。在深暗色组织的周围分布着许多白亮点。对这些白亮、深暗色组织较密集的局部区域进行能谱分析表明,耐蚀性的差异主要是由于电渣态组织中存在一定的成分偏析,如主要合金元素Cr的含量在7.01～4.32之间变化。2.1吸热峰的起始位置由于当固相向液相转变时存在明显的吸热现象,以氩气作为保护气氛,用差示扫描量热仪以20K/min的速度,将10mg的试样从80℃加热至1450℃测量该吸热峰的起始位置。测试结果如图2所示,吸热峰的起始位置约为1274℃,可视其为该Cr5钢的实际过烧温度。从图2可以看出,随着温度的升高、液相比例的增大其吸热量也不断增加。作为测试试样的电渣重熔铸锭料属于铸态组织,在成分上存在一定的不均匀性,从而引起DSC曲线上出现细微的噪音波动,而呈非光滑曲线状态。2.2扩散退火温度对组织中过烧的影响参考DSC的测试结果,将试样在不同温度等温后随炉冷却(即扩散退火),抛光态下通过低倍显微镜观察确认组织的过烧倾向,结果如图3所示。Cr5钢试样经1250℃扩散退火后,可以发现组织中并无明显过烧迹象。而当扩散退火温度达到1280℃以上时,组织中开始出现典型的在三叉型晶界过烧的痕迹,因为钢加热到过烧温度以上时,往往是在奥氏体晶界区首先熔化。金相分析与DSC的测试结果完全符合。同时,在黑色过烧痕迹中发现存在少量共晶莱氏体碳化物如图4所示,经过显微硬度测试其硬度明显高于退火基体。Cr5钢属于高碳合金钢,试验结果表明在其熔化之后的冷却过程中伴随一定量的合金碳化物析出,这种沿晶界分布的碳化物形态及所处的位置都较为敏感,对于材料的最终力学性能,尤其是韧性将会产生不良的影响。2.3cr5钢力学模拟2.3.1垂直截面平衡相图Thermo-calc软件是一种基于热力学基本原理的模拟软件,对于各种合金的平衡相图、各种温度下相的种类及相对量均可进行定量分析计算,在材料研究中得到了较为广泛深入的应用。借助Thermo-cale模拟软件对Cr5钢进行相图计算,得到垂直截面平衡相图如图5所示。根据模拟结果,图5中右下角曲线5为上述类型的MC型碳化物,这是由于Cr5钢中存在少量V元素,而MC型碳化物属于FCC结构,因而相图中低温区的FCC(右下角曲线5)便是上述类型的碳化物。同时,从图5中也不难发现M7C3型碳化物(曲线3)的稳定性要明显高于M23C6型(曲线1),此钢种的完全奥氏体化温度需在1050℃以上。作为本研究所关注的过烧临界温度,主要取决于图5中的曲线7。一般条件下,扩散退火的温度都较接近固相线以达到良好的均匀化效果,但是考虑到在实际生产过程中尚存在成分偏析、锻造温升等因素的影响,为了避免发生过烧乃至局部过烧,无论在扩散退火还是在锻造过程中都必须保证材料温度不超过其临界点。2.3.2对主要合金元素的影响在Cr5钢的合金成分波动范围内,各合金元素以平均值为基准,每次选取一种合金元素含量由上限单调递减至下限,通过单因素轮换研究不同合金元素对其过烧温度的影响。热力学计算结果表明在此范围内,其合金元素与过烧温度基本都呈单调递减的关系。C含量对于过烧温度有着较明显的影响如图6(a)所示,在不考虑成分偏析的前提下,其成分上下限就可对过烧温度的临界点产生近40℃的影响。而相较于钢中主要合金元素Cr的影响(如图6(b)所示),即使考虑到之前测得的含量存在7.01～4.32的偏析,也只有约6℃的影响。根据模拟结果,发现对于过烧温度起主要影响作用的是Cr、Si、Mo、V四种合金元素,但由于Cr5钢中Mo、V的含量不高,故其影响有限,而Cr、Si则因为含量相对较多,所以对过烧温度也能起到一定的影响作用。针对模拟结果,利用matlab进行多元线性回归,得到过烧温度与合金元素含量对应关系如下:T过烧=1534.1-176w(C)-2.1w(Cr)-8.6w(Mn)-38.2w(Si)-19.3w(Mo)-7.1w(Ni)-32.1w(V)该公式计算结果表明,不考虑成分偏析的前提下,在Cr5钢的合理成分范围内其最低过烧温度为1312℃,该温度值高于DSC测试得到的1274℃,这是由于铸态组织成分均匀性以及局部碳化物的存在都会对局部过烧临界温度产生直接影响所致,即材料中富碳高合金区域的临界过烧温度较低,在热处理加热过程或锻造变形过程中可能导致局部过烧,上式较好地反映这种变化趋势,可为该材料热处理及锻造工艺的制定提供重要参考,并对其他钢种亦有一定的借鉴意义。3在过烧位置中的应用1)根据DSC检测与金相分析结果的初步推测,Cr5钢液相析出的初始临界点