调质工艺对Cr5钢组织和性能影响

2014-06-07元亚莎王文焱岳宗格岳慎伟谢敬佩

河南科技大学学报(自然科学版) 2014年4期

关键词：点状调质延伸率

元亚莎，王文焱，岳宗格，岳慎伟，谢敬佩

（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023；2.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471003）

调质工艺对Cr5钢组织和性能影响

元亚莎1，王文焱1，岳宗格2，岳慎伟1，谢敬佩1

（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023；2.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471003）

用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉伸试验机和洛氏硬度计，观察和分析了Cr5钢调质处理前后的显微组织以及调质处理后的断口形貌、抗拉强度、延伸率和硬度。研究结果表明：调质处理前Cr5钢中碳化物类型有M7C3、M23C6和M3C2；调质处理后Cr5钢的显微组织得到明显改善，点状偏析基本消除，基体上弥散分布着细小的碳化物；断口形貌由小准解理刻面逐渐向韧窝转变；抗拉强度和硬度值随回火温度的升高而降低，延伸率有所提高；回火温度为540℃左右时，抗拉强度、延伸率和硬度值分别为1 429.9 MPa、2.90%和49.2HRC，有良好的力学性能。

Cr5钢；调质处理；微观组织；力学性能

0 引言

支承辊是金属轧制设备上用以支承工作辊或中间辊，并保护工作辊不偏转的关键部件，轧板的产量及质量受其直接制约［1－2］。支承辊的质量特征为：辊身表面高硬度且硬度均匀性好、辊身淬硬层深、辊颈及辊身心部具有良好的强韧性。与Cr3、Cr4相比，Cr5钢具有更高的耐磨性和抗剥落性，但Cr5钢中的碳化物聚集、分布不均匀也会导致使用过程中出现表面剥落，甚至断裂而失效［3］。轧机支承辊材料发展的主要趋势是降低C含量，提高Cr含量，以保证钢的韧性及良好的淬透性、淬硬性［4］。但随着合金含量的增加，Cr5钢会出现一个典型组织缺陷，即点状偏析。点状偏析是指在横向酸浸试样上出现的大小和形状不同、颜色灰暗的斑点，而在纵向酸浸试样上呈灰暗色的粗短条带［5］。为了改善碳化物的形态分布，消除或减轻点状偏析的同时使Cr5钢发挥其优异的综合力学性能，须对其进行适当的热处理，热处理工艺可以提高材料的强韧性、耐磨性等力学性能［6］。预备热处理是满足其性能的首选热处理工艺，为达到以上要求，本文采用的预备热处理为调质处理，保持淬火温度不变，选用不同回火温度，以期找到最佳消除或减轻点状偏析和提高支承辊综合力学性能的调质工艺，为以后支承辊制造提供理论支持。

1 试样制备与试验方法

试验材料为锻后热处理态的锻钢支承辊，材质50Cr5NiMoV（Cr5），化学成分见表1。锻后热处理的具体工艺为：900℃正火＋800℃球化退火＋650℃回火。通过钼丝切割机将其切成4组相同的拉伸试样（标准试样），一组测试3根试样，将切割好的试样进行调质处理，具体工艺是：把试样放入XWL-5610箱式电阻炉加热到970℃，保温1 h，出炉后油淬；然后，将淬火后的试样分别放入同型号的电阻炉中进行回火处理，回火工艺分别为520℃×2 h、540℃×2 h、560℃×2 h以及580℃×2 h。在SHIMADZU（岛津）AG-I250KN精密万能电子拉伸试验机上对调质后的试样进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm／s；将拉伸后的试样进行磨制、抛光，然后用4%的硝酸酒精腐蚀，制得金相试样，用SM-5610LV扫描电子显微镜（SEM）观察试样的拉伸断口形貌和金相组织；采用D8X射线衍射仪（XRD）对试样的物相进行分析，洛氏硬度计测试调质后试样的硬度。

表1 Cr5钢的化学成分质量分数／%

2 试验结果与讨论

2.1 调质处理前显微组织

图1和图2分别为Cr5钢锻后热处理态的显微组织（点状偏析处）图片和调质处理前后的XRD谱图。图1a是Cr5钢点状偏析处（纵向）低倍组织图，图1b是图1a中A区域的放大图。由图1a可以看出：Cr5钢调质处理前的组织中有较为明显的一定宽度的白色带状组织。将白色边缘区域放大可以看出：白色条状组织处出现严重的碳化物聚集现象，且碳化物形态多样。由图2可知：Cr5钢调质处理前基体相是α-Fe，类型有M7C3、M23C6以及M3C2（M为Cr、Fe、Mo等一些合金元素）型碳化物，其中，M7C3碳化物有六方和正交两种点阵结构，所对应的PDF卡片分别为06-0696和36-1482，M23C6和M3C2碳化物所对应的PDF卡片分别为35-0786和35-0804。由于M7C3碳化物的衍射强度较强，故而Cr5钢中M7C3为主要碳化物相［7］。此外，M7C3、M23C6和α-Fe相的衍射角度较为接近，故而在同一XRD图中显示重峰。由此可知，Cr5钢点状偏析的实质就是不同类型碳化物的异常聚集。富Cr碳化物（M7C3、M23C6、M3C2等）大多对温度较为敏感，一般在950℃左右即会溶入基体［8］，基于此，调质处理的淬火温度选择为970℃。

图1 Cr5钢调质前（点状偏析处）的显微组织（SEM）

2.2 调质后的显微组织

调质处理是制造支承辊的预备热处理，其目的是保证辊颈硬度，调整组织，提高支承辊的综合力学性能，为最终热处理做好组织准备。钢经调质处理，微观组织为回火索氏体、残余奥氏体和颗粒状碳化物，其中马氏体和贝氏体针状形貌的索氏体组织中碳化物的排列方向仍保持其针状组织分解前的方向性。图3为一组相同温度淬火后的Cr5钢经不同温度回火后的微观组织形貌图，图3a～图3d所对应的淬火工艺都是970℃×1 h油淬，回火工艺依次是：520℃×2 h、540℃×2 h、560℃×2 h和580℃×2 h。

图2 Cr5钢调质前后XRD谱图

从图3中可以看出：调质后Cr5钢点状偏析基本消除，其组织主要是回火索氏体，在回火温度为520℃和540℃时，碳化物颗粒比较细小，均匀地分布于基体上（见图3a和图3b）。随着回火温度的升高，细小的颗粒状碳化物有聚集长大的趋势［9］，在回火温度为560℃时，碳化物在基体上已出现聚集长大现象（见图3c），在580℃回火时，碳化物聚集长大和粗化现象尤为严重［10］，甚至出现异常（见图3d）。此外，由图2可知：调质处理后Cr5钢中碳化物衍射强度有一定降低，并且有些小峰消失，说明较之调质处理前，Cr5钢中碳化物有一定减少。

2.3 拉伸断口形貌分析

图4为一组不同回火温度的拉伸断口微观形貌图，从图4中可以看出：调质后的拉伸断口都是以准解理为主，断口形貌是准解理刻面及一定的撕裂棱，这是由于准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间，在不同部位产生解理断裂扩展成解理刻面，最后以脆性方式断裂［11］。图4a的回火温度最低是520℃，断口形貌是小解理刻面，断面间均有明显的撕裂棱，这是断裂时微区产生少量塑性变形的结果，该断口形貌表明是准解理断裂；回火温度达到540℃时，断裂的微观形貌如图4b所示，开始出现少量韧窝，但还是以准解理断裂为主；随着回火温度的进一步提高，钢的塑性、韧性均有一定提高，如图4c（560℃）和图4d（580℃）所示，韧窝越来越多，断裂方式由脆性断裂逐步向韧性断裂转变，但是主要断裂方式仍为准解理断裂。

2.4 Cr5钢调质后的力学性能

表2为不同调质工艺下试样的抗拉强度、延伸率和洛氏硬度。由表2可见：Cr5钢在520～580℃回火时，随着回火温度的升高，其抗拉强度和硬度值逐渐下降，延伸率升高，延伸率提高说明回火温度的提高增加了材料的韧性；在520～540℃回火时，试样的抗拉强度和硬度稍有降低，延伸率升高，原因是少量的残余奥氏体转变对硬度的影响抵消了淬火马氏体的分解对硬度的影响；回火温度为540～560℃时，抗拉强度和硬度下降幅度均比较大，延伸率升高较快，原因是540℃时材料内部的淬火应力基本消除，马氏体分解和少量的残余奥氏体转变都已基本完全，其组织已趋于稳定，钢的塑性有一定提高；结合图3可以看出：随回火温度的升高，碳化物逐渐析出，560℃回火时碳化物已开始粗化聚集，因此，回火温度在560℃继续升高，抗拉强度、延伸率和硬度值的变化趋于平缓。

根据以上分析可知：回火温度在540℃时，淬火应力基本消除，淬火马氏体的分解和残余奥氏体的转变已基本完成，组织趋于稳定，抗拉强度、延伸率和硬度值分别为1 429.9 MPa、2.90%和49.2HRC，有良好的力学性能；温度继续升高，组织中碳化物开始粗化聚集，因此，Cr5支承辊调质处理的回火温度选择在540℃较为合适。