含硼高速钢轧辊的组织和性能探究

强少光　郭红星　杨智强　刘忠全

摘要：文章对含硼高速钢轧辊的组织和性能进行了研究。先对不同成分的含硼高速钢轧辊材料进行金相组织分析，再对含硼高速钢轧辊材料和硬度测试、磨损试验以及冲击韧性试验等进行了研究。研究发现，未经过变质的试样组织中的硼化合物在晶体的边界处呈连续网状分布，而经变质的试样材料组织细化，韧性及耐磨性有所提高。

关键词：含硼高速钢轧辊；变质处理；组织性能；硬度；耐磨性；金相组织分析 文献标识码：A

中图分类号：TG333 文章编号：1009-2374（2015）36-0065-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.031

高速钢轧辊是在高速工具钢基础上，通过提高碳、钒含量，从而增加高硬度MC型碳化物数量而发展起来的一类新型轧辊材料。这类轧辊具有良好的热稳定性和抗高温耐磨性，在轧钢生产中，具有良好的使用效果。但是高速钢轧辊中往往需要加入大量的合金元素，比如铬、钒、钨、钴以及铌等，这些元素价格昂贵，在生产过程中会提高制造成本，不利于大范围的生产制造。本文主要针对含硼高速钢轧辊的组织和性能探究，研究使用硼元素部分代替贵合金元素的可能，从而降低制造成本。

1 试验材料与方法

高速钢轧辊材料熔炼采用中频感应电炉，主要的配料包括废钢、生铁，所有原材料熔化为钢水之后，加入铬铁、钨铁、钼铁以及镍铁，待钢水出炉之前加入的钒铁、钛铁及硼铁，并实施脱氧处理，待所有的成分比例调整到设计要求之后，控制好钢水的出炉温度以及浇注温度，将出炉温度控制在1570℃～1590℃之间，浇注温度应该控制在1450℃～1470℃之间，变质采用钢液冲包的方法，然后浇铸成φ350×600×1530的轧辊。在变质前后分别浇注20×20×120mm的试样，之后通过切割机将试块切割成20×20×20mm以及10×10×55mm的两种试样，总共制作的试样有4种，分别对其组织和性能进行探究。这4种试样的基本成本主要如表1所示：

主要的试验方法如下：所有试样的硬度测量采用的是HR-150A洛氏硬度计，在试验荷载选项上调节到1470N，测试过程中需要对试样在不同的地方标记上7个点，在计算试样硬度的时候去掉其中的一个最大值和最小值，然后其他五项求取平均值；试样的显微硬度测量采用的是MICROMET-5103数字显微硬度计，选择荷载的时候调节到50g，荷载持续时间15s，显微硬度值的计算方法同上，还是求其平均值；试样的磨损实验采用的是销盘磨损试验机，转速为60r/min，使用280号SiC水砂纸作为磨料，试样的进给量控制在4mm/s，磨损过程中最初的半径确定为13mm。试验结束后的半径确定为103mm，整个实验阶段磨盘的行程为16.4m，荷载4.0kg。

2 实验结果

2.1 含硼高速钢轧辊的组织形式

试样中的1#和2#试样是没有经过变质处理的含硼高速钢轧辊试样，利用金相显微镜及扫描电镜观察其显微组织如图1所示，通过对其组织形式观察，含硼高速钢轧辊在铸态下的组织主要包括碳硼化合物、α-Fe以及所占比例较少的残余奥氏体，碳硼化合物在组织形式上主要是呈连续网状分布，但是在局部会表现出网状的断裂。由Fe-B二元合金相图可知硼在γ相中的最大固溶度为0.02%，多余的硼原子就会集聚并产生结晶。1#和2#试样使用XRD分析后，可以确定没有变质的轧辊材料的物相，轧辊材料的基本组成主要是奥氏体以及α-Fe，这两种组织中，奥氏体数量的下降、马氏体数量的上升有助于提高材料的耐磨性。

3#和4#试样采用了变质处理工序，经过变质处理后的金相以及扫描的电镜照片如图2所示，而与没有变质的1#含硼高速钢轧辊试样相比其组织中的碳化物形态上出现了网状的断裂。通过加入变质剂进行变质处理，可以减小共晶组织枝晶间距，细化组织中共晶组织以及奥氏体晶粒，并使其分布更加均匀，而变质剂中的钛元素属于强碳化合物形成元素，钛元素在与碳元素发生反应，形成高硬度耐磨相。含硼高速钢轧辊经过变质处理后，奥氏体晶粒细化明显；共晶组织团簇减少且分布更加均匀；硼碳化合物变细小；组织形态网状形态明显，但呈现出了断开、不连续的现象。

2.2 含硼高速钢轧辊的硬度及磨损试验

对制作的轧辊材料进行硬度测试，对于含硼高速钢轧辊的宏观硬度以及显微硬度分别如图3和图4所示，从图中可以看出，1#材料和其他几种材料相比，1#试件的强度是最低的，这是因为1#试件的含碳量明显的低于其他几组试件的含碳量，较高的碳含量会形成大量碳化物出，从而使材料具有较高的硬度。但4#样组织细小均匀，其耐磨性和韧性更好。

3 结论

通过对以上的实验数据分析，得出以下结论：（1）含硼高速钢轧辊的铸态组织包括马氏体、奥氏体以及其他的一些碳硼化合物；（2）经过变质处理之后的试样，在组织形态网状形态明显，但呈现出了断开、不连续的现象，组织得到细化，回火的温度对于含硼高速钢轧辊的力学性能影响较小，对其耐磨性影响也较小。但是回火温度的升高，材料的硬度表现出下降趋势；（3）经变质处理后，4#样耐磨性、韧性高，硬度更稳定，而且在抗切削以及疲劳磨损方面都强于其他几个试件。

4 结语

含硼高速钢轧辊合金材料中用廉价硼元素部分的替代昂贵的合金材料，降低了高速钢轧辊制造成本，同时拥有较高的耐磨性、强韧性和高硬度，是高性能轧辊发展的趋势和方向。

参考文献

[1]王天义，曹建芳，饶建华.轧辊材料及其热处理工艺发展的现状与趋势[J].西部探矿工程，2005，（7）.

[2]贾建平.中国轧辊制造业技术现状与发展趋势（上）[J].中国钢铁业，2008，（9）.

[3]刘光俊.金属加工用的硬质合金轧辊进展[J].硬质合金，1994，（1）.

作者简介：强少光（1985-），男，陕西扶风人，云南昆钢重型装备制造集团有限公司助理工程师，研究方向：离心铸造及热处理工艺。

（责任编辑：陈 洁）