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【原创】微观组织对冷轧工作辊材料耐磨性能的影响
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微观组织对冷轧工作辊材料耐磨性能的影响 1. 前言 磨损是冷轧工作辊使用过程中常见的失效形式，冷轧工作辊的耐磨性能不但对冷轧板材的质量、成本、产量起着重要的影响，而且还决定了冷轧工作辊的工作寿命。冷轧工作辊的耐磨性能受轧制条件影响，但主要取决于材料的组织特点，包括材料基体的强度以及第二相质点的形态、分布等。 |
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2. 冷轧工作辊的磨损形式 冷轧工作辊的磨损主要发生在两个区域：一个是工作辊与带钢接触区，另一个区域为工作辊与支承辊或中间辊接触区。 工作辊与带钢接触面的摩擦有如下特点[1]： (1) 摩擦面的接触压力高达几千MPa，辊缝区域实际接触面积远大于刚性条件下接触峰点面积的总和； (2) 相对滑动速度大而有变化； (3) 带钢在变形的过程中与工作辊接触面积不断增大，在接触面上出现了新表面，同时由入口处带进的润滑剂变薄，使无润滑膜的带钢表面暴露出来，摩擦系数陡增； (4)带钢上的焊缝、夹杂、边裂等对磨损均有影响； 这个区域冷轧工作辊磨损失效模式主要为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损等。 支承辊的表面状态以及支承辊与工作辊之间的接触应力分布都对工作辊的磨损有影响，磨损失效模式主要为磨粒磨损、疲劳磨损等[2]。在冷轧工作辊的摩擦形式中滑动摩擦对磨损的贡献相对滚动摩擦要大，由于带钢与轧辊间存在较大的相对滑动速率，再加上高的轧制压力作用，因此冷轧工作辊的主要磨损形式为磨粒磨损[3] 。 |
2楼2009-05-13 08:43:32
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xucz(金币+2,VIP+0):鼓励原创 5-13 09:14
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3.微观组织对耐磨性能的影响 3.1 基体对耐磨性能的影响 冷轧工作辊材料的基体主要为回火马氏体，它强度大、硬度高，在摩擦热作用下比较稳定，耐磨性能特别是耐磨粒磨损性能相对较好。Jung Ho LEE等[4]提出回火马氏体基体决定着轧辊的整体硬度和强度，基体包裹碳化物的能力对轧辊耐磨性和表面粗糙度都有很大的影响。一些磨损试验[5]表明，回火马氏体具有比淬火马氏体高的耐磨性，这是因为马氏体在回火热处理下其共格的ε-碳化物转变成非共格的极细、弥散分布的合金碳化物，所以耐磨性能有显著提高。 强化基体能提高轧辊材料的耐磨性能，J.J.Sidorin 和N.A.Dolgova[6]研究了基体和碳化物内的合金成份分布对耐磨性的影响，得出材料的耐磨性主要取决于固溶在基体里的合金元素的量，即基体的固溶强化对耐磨性有显著的影响。Joon Wook PARK等[7]指出高速钢轧辊材料基体的硬度和强度直接关系到轧辊的断裂性能和包裹碳化物的能力，并提出了几种强化基体的方法： (1) 增加钨、钼和铬等合金元素以形成固溶强化； (2) 通过调整奥氏体化工艺和采用二次回火热处理工艺使基体内析出弥散二次碳化物，达到二次硬化的效果； (3) 促进基体中细小晶粒的形成，产生细晶强化。 从这些研究中可以看出，通过添加合金元素使基体产生固溶强化，改善热处理工艺使基体产生细晶强化以及二次硬化等都是强化基体、提高冷轧工作辊材料耐磨性能的有效方法。 |
3楼2009-05-13 08:43:57
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3.2 碳化物对耐磨性能的影响 碳化物是冷轧工作辊材料的主要第二相，这些碳化物多为合金碳化物。碳化物的数量、形态以及分布对冷轧工作辊材料的耐磨性能都有重要的影响。 3.2.1碳化物体积分数的影响 碳化物体积分数与含碳量有关。一般来说碳含量高，冷轧工作辊材料中碳化物体积分数就相应大，硬度就相应高，耐磨性能也相应提高。Kunio GOTO等[8]对高速钢轧辊材料的微观组织与使用性能的关系进行了研究，研究结果表明:随着碳化物的数量增多，轧辊的耐磨损性能就相应提高。 在考虑碳化物体积分数增加使冷轧工作辊材料整体硬度提高的同时，还必须注意碳化物体积分数对材料韧性的影响。试验表明，耐磨损能力随着碳化物体积分数增加有一个峰值，碳化物体积分数超过峰值量，材料耐磨性能将降低。 3.2.2碳化物类型的影响 早期的冷轧工作辊其碳化物一般都为Fe3C，随着铬元素含量的提高，M7C3型碳化物的含量越来越高，铬元素含量增加到5%，轧辊的碳化物以M7C3型碳化物为主。M7C3型碳化物有很好的耐磨性能，但是组织容易粗大导致抗事故性能下降。近年来轧辊材料着重添加了钼、钒等合金元素，使得轧辊材料中的碳化物类型多了起来，主要有M7C3型，MC型和M2C型碳化物。这些碳化物的出现，特别是细小弥散分布的二次析出MC型碳化物，极大地提高了轧辊的整体硬度，改善了轧辊的耐磨性能。 Joon Wook PARK等[7] 研究了高速钢轧辊材料合金成份对微观组织、硬度以及耐磨性能的影响。磨损试验结果表明含有大量钒元素的高速钢轧辊试样耐磨性最佳，这归功于轧辊材料中含有大量的高硬度的MC型碳化物。Hongsug OH等[9] 发现少量钼元素的加入能产生适量M2C型碳化物，这种碳化物弥散分布于基体中，能够提高基体的整体硬度，使冷轧工作辊材料的耐磨性能更优异。 冷轧工作辊组织含有粗大的一次块状碳化物，共析碳化物以及回火产生的二次碳化物等。研究表明，冷轧工作辊组织中大块一次碳化物易产生麻坑状剥落，使磨损表面粗糙。脱落下来的碳化物颗粒咬入磨损面，形成磨粒磨损，更加剧了轧辊表面的磨损。球状碳化物对耐磨性起促进作用，通过添加钒元素形成细小的球状碳化物对冷轧工作辊材料耐磨性的提高有促进作用。 3.2.3碳化物平均尺寸、分布的影响 D.N.Hanlon等[10]采用0.8%C/3%Cr和0.8%C/5%Cr的冷轧工作辊材料进行滚滑磨损试验,试样分别采用锻造和喷射成型两种方法制成，由于制造工艺不同,碳化物尺寸有一定差异,对0.8%C/3%Cr材料，锻造工艺碳化物平均尺寸为317nm，而喷射成型工艺碳化物平均尺寸为134nm。锻造的材料含有一部分粗大碳化物，使得碳化物平均尺寸较大，对裂纹敏感性提高，在循环载荷作用下易产生接触疲劳导致轧辊失效。对磨损形貌进行观察发现在碳化物与基体界面处磨损最严重，尤其是大块碳化物界面区域。 碳化物与基体结合状态对耐磨性能有很大影响。弥散的细球状的碳化物与基体结合很牢固，在摩擦过程中不易掉落，起到了硬质点的作用，阻碍了进一步的磨损。细小的弥散分布的碳化物颗粒以及不连续的共晶碳化物都有助于提高冷轧工作辊材料的耐磨性能。 |
4楼2009-05-13 08:44:22
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3.3 残余奥氏体对耐磨性能的影响 残余奥氏体对材料耐磨性能的影响是比较复杂的。一般认为，残余奥氏体的存在对提高材料的耐磨性是有益的。佟晓辉和陈再良[11]研究了Cr12 型工具钢深冷处理后的耐磨性和残余奥氏体的作用，发现经过深冷处理的零件显微组织中的残余奥氏体相对稳定,在硬度相等条件下,残余奥氏体增多工具钢的耐磨性也相应提高。这是由于在磨损过程中,受冲击负荷的作用,磨面上的残留奥氏体发生γR →α转变,产生高硬度马氏体,残留奥氏体含量越多,转变的马氏体越多,耐磨性提高得越明显。仝健民等[12]通过X衍射分析、薄膜透射电镜分析和亚表层硬度分析，研究了GCr15和高铬铸铁两类耐磨材料中残余奥氏体在磨料磨损中的结构变化及其影响。试验结果表明，磨损中相当数量的残余奥氏体发生马氏体转变，形成密排六方ε型马氏体，提高表面硬化程度，改善一定磨损条件下材料的耐磨性。 一定数量的残余奥氏体之所以能提高材料的耐磨性，有以下几个方面原因： (1) 在磨粒磨损时，载荷通过磨粒在工件表面层产生压缩、拉伸和剪切应力。在这些应力作用下，使犁沟附近的薄层内发生残余奥氏体到马氏体的转变。当钢中含有一定数量的形变诱发马氏体时，会呈现相变塑性，硬化指数增高，提高了加工硬化率，减少磨损裂纹的形核与扩展，有利于提高耐磨性。 (2) 韧性的残余奥氏体存在，其本身就有抑制裂纹扩展的作用。在磨损过程中，磨损面如果形成了显微裂纹，当它们向表面下方扩展，遇到塑性的残余奥氏体时将会钝化，从而对裂纹的扩展起抑制作用。 (3) 显微组织中残余奥氏体与碳化物相的结合，比马氏体与碳化物相的结合更牢固些，能更好的防止磨粒磨损过程中碳化物的剥落，从而减少磨损。 残余奥氏体的数量、磨损条件，特别是磨损机制及磨损表面的温度，都可能改变残余奥氏体所起的作用。在工具钢的试验中发现，残余奥氏体与钢的耐磨性之间的关系不是简单的单值函数。残余奥氏体量增多会使韧性会有较大改善，同时也使钢的硬度下降，磨损过程中塑性变形加剧，促进粘着磨损的发生。 |
5楼2009-05-13 08:44:36
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