热处理对高速钢球墨铸铁复合轧辊芯部性能的影响.pdf

收稿日期:2006?07?17;?修订日期:2006?11?18作者简介:吴荣花(1980?),山东菏泽人,硕士生.研究方向:金属凝固与控制.铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.28 No.2Feb.2007热处理对高速钢球墨铸铁复合轧辊芯部性能的影响吴荣花1,吴春京1,张西鹏1,甘宅平2,赵晚子2,钏相昭2,马?烨2(1.北京科技大学,北京 100083;2.武汉钢铁(集团)公司,湖北 武汉 430082)摘要:对离心铸造高速钢球墨铸铁复合轧辊芯部球墨铸铁试样进行热处理,研究了在不同的淬火温度下轧辊芯部的球墨铸铁试样的力学性能及石墨、组织形态的变化情况。结果表明,在 1 000?至 1 100?之间淬火,球墨铸铁的性能可满足高速钢复合轧辊的要求,考虑到工作层高速钢的淬火效果,建议淬火温度在 1 050?至 1 100?之间,为离心铸造高速钢球墨铸铁复合轧辊的热处理提供了参考依据。关键词:热处理;高速钢;球墨铸铁;复合轧辊性能中图分类号:TB331?文献标识码:A?文章编号:1000?8365(2007)02?0190?05Effect of Heat Treatment on Property of Core of High SpeedSteel?Ductile Cast Iron Compound RollWU Rong?hua1,WU Chun?jing1,ZHANG Xi?peng1,GAN Zhai?ping2,ZHAOWan?zi2,CHUAN Xiang?zhao2,MA Ye2(1.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Wuhan Iron and Steel Group Co,Wuhan 430082,China)Abstract:Theductilecast ironsamples inthe coreof centrifugal casting highspeedsteel?ductile ironcompound roll are heat?treated and the effects of the quench temperature on the mechanicalproperties,graphite morphologies and microstructures are investigated.The results show that theproperty of ductile iron quenched inthe range of 1 000?1 100?can meet the requirements ofhigh speed steel?ductile iron compound roll.This investigation provides reference for the heattreatment of centrifugal casting highspeed steel?ductile iron compound roll.Key words:Heat treatment;High speed steel;Ductile cast iron;Compound roll properties?高速钢具有高的硬度和耐磨性,特别是很好的热稳定性,其主要原因除含有大量的能形成碳化物的合金元素外,还取决于高速钢的高温淬火。通常高速钢的热处理是淬火+回火。在加热到高温时,钢中的二次碳化物充分溶解,一次共晶碳化物部分溶解。这些碳化物所含有的碳和合金元素溶入奥氏体中,增加了奥氏体中的碳和合金元素的含量。在淬火时它们固溶于贝氏体和马氏体中,而在回火时析出了弥散状的碳化物,使钢呈现出比淬火时硬度还高的 二次硬度!。因此,高速钢淬火时加热,可在保证晶粒不长大的原则下,尽可能提高加热温度。但是对于高速钢球墨铸铁离心复合轧辊,轧辊芯部采用合金球墨铸铁,淬火加热温度太高,芯部材料将晶粒粗大、变形严重、性能下降,甚至熔化,轧辊在工作过程中易出现断辊现象,影响轧机设备的正常工作。所以,高速钢球墨铸铁离心复合轧辊的热处理,既要保证轧辊工作层高速钢的淬火效果,还要兼顾轧辊芯部材料。本文选取了不同的淬火加热温度,对辊芯的球墨铸铁进行热处理,获得芯部球墨铸铁组织、性能变化的规律,为高速钢球墨铸铁离心复合轧辊的热处理提供参考依据。1?试验条件球墨铸铁试样是从武汉钢铁集团离心铸造高速钢球墨铸铁复合轧辊上切取(非同一根轧辊),化学成分如表 1 所示。表 1?球墨铸铁试样的化学成分?w(%)Tab.1?Chemical composition of ductile cast iron sampleCSiMnSPCrNiMo3.1 3.30.8 1.00.4 0.6 0.03 0.10.2 0.40.8 1.00.2 0.4?热处理工艺如图 1 所示,升温速度均为 30?/h。用箱式电阻炉,试样按照图 1 所示的热处理制度,选取淬火温度分别为 1 000?、1 050?、1 100?、1 150?,将升温速度、保温时间、冷却速度和回火工艺保持不变,进行热处理。由于轧辊比较大,空冷时芯部的球铁冷速较慢,本文采用炉中冷却,控制冷速接近实际冷却#190#?铸造技术%02/2007?吴荣花等:热处理对高速钢球墨铸铁复合轧辊芯部性能的影响图 1?高速钢球墨铸铁复合轧辊的热处理工艺Fig.1?Heat treatment technology of high speed steel and ductile cast iron compound roll速度。球墨铸铁试样淬火温度及铸态组织如表 2 所示。表 2?试样淬火温度及铸态组织状态Tab.2?Quench temperature and as?cast structure of samples试样编号淬火温度/?铸态试样组织状态1#1 000石墨球+中等片状珠光体+少量铁素体2#1 050石墨球+细片状珠光体+少量铁素体3#1 100石墨球+中等片状珠光体+少量铁素体4#1 150石墨球+细片状珠光体+少量铁素体?用布氏硬度计测量铸态和热处理后试样的硬度,加工拉伸试样,用万能力学试验机测量试样热处理前后的抗拉强度。金相试样的制备使用 400?1000#的水砂纸依次磨平,粒度为 25?m 的金刚石研磨膏抛光,用 4%的硝酸酒精侵蚀剂侵蚀。用普通光学显微镜观察其金相组织。用理中图像仪分析软件分析晶粒度。图 2?1#试样热处理前后的石墨形态Fig.2?Graphite morphology of No.1 sample before and after heat treatment2?试验结果及分析2.1?力学性能热处理前后的力学性能分别如表 3、4 所示,热处理前后的晶粒度等级如表 5 所示。2.2?石墨数量及形态的变化热处理后试样的石墨数量均明显减少,1#、2#、3#试样的石墨形态变化不明显(图 2、3、4)。4#试样在 1 150?淬火,由于加热温度过高,球状石墨变成了厚片状(图 5)。这种变化将大大降低球墨铸铁的力学表 3?试样热处理前的力学性能T ab.3?M echanical property of sample before heat treatment试样编号1#2#3#4#硬度/HB238229238222抗拉强度/MPa440455450455表 4?试样热处理后的力学性能T ab.4?Mechanical property of sample after heat treatment试样编号1#2#3#4#硬度/HB280292303315抗拉强度/MPa445430420395表 5?试样热处理前后的晶粒度等级Tab.5?Grain grades of samples before and after heat treatment试样编号热处理前热处理后1#5级4级2#6级3级3#5级3级4#6级2级性能。加热温度在 Ac3以上时,石墨球中的碳原子开始溶入奥氏体,随着温度的升高,溶入到奥氏体中的碳原子也就越多。温度更高将会引起石墨形态的改变。在 1 100?以上加热球状石墨就会变成厚片状石墨,加热温度过高后还会出现环状、同心球和针状等各种畸形石墨,畸形石墨的出现将大大恶化球铁的性能。2.3?组织形态的变化试样热处理前后的基体组织如图 6 9 所示。由图可知,热处理前基体组织为中等片状或细片状珠光#191#?FOUNDRY TECHNOLOGYVol.28 No.2Feb.2007图 3?2#试样热处理前后的石墨形态Fig.3?Graphite morphology of No.2 sample before and after heat treatment图 4?3#试样热处理前后的石墨形态Fig.4?Graphite morphology of No.3 sample before and after heat treatment图 5?4#试样热处理前后的石墨形态Fig.5?Graphite morphology of No.4 sample before and after heat treatment图 6?1#试样热处理前后的基体组织Fig.6?Matrix microstructure of No.1 sample before and after heat treatment#192#?铸造技术%02/2007?吴荣花等:热处理对高速钢球墨铸铁复合轧辊芯部性能的影响图 7?2#试样热处理前后的基体组织Fig.7?Matrix microstructure of No.2 sample before and after heat treatment图 8?3#试样热处理前后基体组织Fig.8?Matrix microstructure of No.3 sample before and after heat treatment图 9?4#试样热处理前后的基体组织Fig.9?Matrix microstructure of No.4 sample before and after heat treatment体,1 000?热处理后基体组织为较粗大的粗片状珠光体,1 050?热处理后组织为粗大的珠光体,且沿晶界有白色网状碳化物出现。这是由于温度过高,保温时间过长而造成的。1 100?热处理后,由于温度过高出现了磷共晶和渗碳体。1 150?热处理后,由于加热温度更高,晶界产生局部熔化并出现较多莱氏体。球墨铸铁在 1 000?以上加热,球状石墨会变成厚片状石墨。由于温度过高引起奥氏体晶粒长大,并且使石墨中的碳溶入奥氏体中过多,石墨数量减少,冷却不当时易在晶界析出网状二次渗碳体,严重降低球铁的韧性、塑性以至影响强度。理论上对球墨铸铁来说,当淬火温度超过 1 000?时则有较多的二次渗碳体析出。但本文的实验过程中,1 000?和 1 050?时均没有较多的二次渗碳体析出,其原因是炉冷时,由于冷却速度比较缓慢,转变过程即按照稳定系统进行。1 100?加热,会析出二次渗碳体,这可能是由于磷的作用造成的,此时由于较多的磷原子溶入奥氏体,冷却时,磷有排斥碳优先进入?F e 中的作用,被排斥的碳就以二次渗碳体的形式析出。超过 1 150?会出现局部熔化现象,高磷相周围的奥氏体逐渐熔化,这种奥氏体的碳、锰含#193#?FOUNDRY TECHNOLOGYVol.28 No.2Feb.2007量较高,因而使高磷相中的碳、锰含量也趋于较高,冷却后,就有可能得到以磷共晶为基体复合物,这种磷共晶普遍具有莱氏体的外形(图 9),大大降低球墨铸铁的强度。3?结论(1)球墨铸铁在 1 100?以下热处理,可获得较高的硬度和较低的抗拉强度,但仍能满足轧辊芯部性能的要求(辊颈抗拉强度要求大于 400 MPa)。(2)球墨铸铁在 1 100?以上热处理,球墨数量将大大减少,并且球状石墨将变成蠕虫状或片状,基体组织晶粒变得粗大,并且随着温度的升高这种现象越严重,这也将大大降低球铁的力学性能。(3)结合离心铸造高速钢球墨铸铁复合轧辊工作层高速钢的淬火效果和芯部球墨铸铁的淬火效果,建议淬火温度为 1 050 1 100?。参考文献 1?蒋漫文.球墨铸铁低碳奥氏体化和部分奥氏体化热处理研究 J.江西冶金,2003,23(6):140?43.2?李炯辉,胡明初.球墨铸铁显微研究 M.上海:上海科技出版社,1977.3?李济玉.球芯轧辊及其发展 J.铸造技术,2004,24(4):292?294.4?王金国,周?宏,苏源德.高碳高钒高速钢的高温硬度热处理的研究 J.金属热处理,2000,(3):138?140.铸件均衡凝固技术耐磨钢生产工艺培训研讨会时间:2007 年 3 月 27 31 日(27 日报到)地点:西安市尚勤路八一宾馆(东八路陕西省军区招待所)内容:1?铸件均衡凝固、大孔出流理论与应用2?防止铸件缺陷的专有技术及应用实例分析3?铸件浇注系统补缩的定量计算及应用4?高锰钢和超高锰钢铸件生产方法5?大型锤头、双金属复合锤头的铸造工艺6?典型球铁铸件、铸钢件工艺设计及缺陷防止7?消失模铸件工艺设计及生产技术8?防止铸件缺陷工艺技术的研讨。报名:710048?西安理工大学 608 信箱?铸造技术杂志社联系咨询:电话/传真:[phone] 魏兵(西安)电话/传真:[phone] 李德臣(沈阳)Email:会议正式通知函索即寄铸造技术杂志社西安市铸造学会#194#