高铬铸铁轧辊材质的氧化行为研究.pdf

年 月第 期大型铸锻件 .态等因素直接影响合金力学性能 初生等轴 相体积分数高则塑性、韧性升高而片层组织(次生 相 转相)体积分数高则塑性、韧性降低而断裂韧度升高 次生 相是高温下的强化相其含量影响合金高温拉伸与高温持久强度 拉伸应力作用下晶界 相内位错发生滑移对于 盘的网篮状组织而言其原始 晶粒较粗大故晶界 相相对含量少难以协调变形因此网篮组织塑性逊于等轴组织但高温持久、蠕变强度优异 高温强度取决于次生 相含量与尺寸盘属于网篮状组织该组织的 相与 相相互交错编织高温下不易滑动热损伤效应较小 由于含量高热暴露过程析出硅化物这可能是拉(下转第 页)高铬铸铁轧辊材质的氧化行为研究杨金刚 郭修磊 高鑫 郭计山 梁利斌(.中钢集团邢台机械轧辊有限公司河北 邢台.轧辊复合材料国家重点实验室河北 邢台)摘要:将高铬铸铁轧辊材质试样分别在、下进行氧化采用激光共聚焦显微镜、金相显微镜、扫描电镜观察氧化膜形貌、微区成分硬度计检测硬度 结果表明:随氧化温度的升高、高铬铸铁轧辊中各相的氧化程度以及整体氧化膜的致密度均有明显差异试样的硬度也有明显不同 关键词:高铬铸铁轧辊氧化行为粗糙度硬度 中图分类号:文献标志码:.:收稿日期:作者简介:杨金刚()男高级工程师人事轧辊分析检测工作 轧辊是钢铁轧制过程中最重要的、消耗最大的工具之一轧辊的使用和维护水平直接影响到轧机的生产效率和轧材的质量 轧辊的正常消耗主要来源于在机磨损、下机磨削两方面提高轧辊在机耐磨性、减少轧辊下机再磨削量是轧线降低辊耗、延长轧辊寿命的最常用方法高铬铸铁轧辊(简称)是热带轧机上常用的一种工作辊由于其具有较好的耐磨性和抗热裂性通常被用于热轧的精轧前段 在轧制过程中高铬铸铁辊面与高温轧材接触挤压轧材使之发现变形在接触传导热和摩擦热的作用下辊面迅速升温脱离接触后喷水迅速冷却在空气和水雾的环境下辊面发生氧化并生成一层较为致密的氧化膜 良好的高铬铸铁轧辊辊面氧化膜有助于提高轧辊的表面质量、降低在机轧辊磨损量但随着氧化膜持续增厚在交变热应力、摩擦力的共同作用下如果辊面受到异物压入、板材冲击等造成的轻微损伤可能会导致氧化膜发生龟裂或大面积脱落的情况严重影响轧材表面质量 图 展示了轧辊表面氧化膜的不同情况图()是良好的氧化膜图()是发生“流星斑”的氧化膜图()是具有“刮擦”痕迹的氧化膜图()是发生局部脱落的氧化膜 年第 期大型铸锻件()()()()图 几种典型的氧化膜形貌 国内外学者对高铬铸铁轧辊氧化膜的形成机理、影响因素和剥落原因等进行了研究 孙蓟泉等对高铬铸铁的氧化膜组成、影响因素和失效机制等进行了研究张杰等采用超高温激光共聚焦显微镜研究了高铬铸铁轧辊材料连续加热及等温过程中表面的氧化行为李继新等以半连轧和热连轧产线用辊为研究对象对高铬铸铁轧辊整体氧化速度、不同组织的氧化膜生长速度和辊面粗糙度进行了研究从数字建模角度对热带轧机用辊的氧化规律进行了分析李长生等对高铬铸铁辊面氧化膜裂纹的形成、扩展和脱落机理进行了研究并建立了氧化膜厚度数学模型 本文研究不同温度下高铬铸铁轧辊表面氧化膜形貌和特征分析氧化膜表面的粗糙度特征为高铬铸铁氧化膜质量控制、氧化膜失效分析提供参考 试验材料及方法 试验材料取自高铬铸铁轧辊本体其主要合金化学成分范围见表 表 高铬铸铁轧辊化学成分表(质量分数)().所选择的高铬铸铁轧辊辊身直径 工作层厚度 用于 热轧机 轧辊采用离心复合铸造工艺生产高铬铸铁轧辊辊身外层在卧式离心机上铸造轧辊芯部采用静态铸造填芯工艺 为了保证轧辊辊身工作层获得较高的硬度和优良的耐磨性对高铬铸铁进行淬火 回火热处理轧辊在 保温后采用吹风或喷雾的方式快速冷却随后转入台车式热处理炉内在 回火 热处理后的轧辊根据图纸要求加工至成品状态通过车床切取试环的方式在轧辊辊身部位进行取样利用线切割等设备将试环制备出适用于各项检测的试样 在轧辊辊身端面切开试环沿试环径向切割小试样 小试样的检测面及背面磨削至厚度 然后对检测面抛光至镜面制备出用于氧化试验的试样 采用丙酮对试样上的油污进行清洗清洗后的试样检测面朝上置入预热至试验温度的热处理炉中分别在、进行 恒温氧化 保温结束后将试样取出空冷至室温 试样编号对应氧化温度见表 表 氧化试验条件 试样编号氧化温度 采用激光共聚焦显微镜和白光干涉仪对氧化膜表面进行检测 采用 软件对形貌文件重建分析获取氧化膜的表面形貌 图和表面粗糙度参数采用 光学金相显微镜对氧 化 膜 及 划 痕 进 行 彩 色 金 相 观 察 采 用扫描电镜对氧化膜中碳化物和基体组织进行能谱分析采用 显微硬度计对基体组织进行显微硬度检测采用 洛氏硬度计进行宏观硬度检测 试验结果与分析.高铬铸铁微观组织 高铬铸铁轧辊的耐磨性与轧辊工作层的硬度有较大的关联性而工作硬度取决于基体组织和碳化物的相对数量及其显微硬度 图 是高铬铸铁轧辊材质的显微组织从中可以看出高铬铸铁显微组织为回火马氏体基体 碳化物 少量的残余奥氏体碳化物多为 型呈板条状或菊花状分布 均匀分布在基体上的碳化物是高铬铸铁轧辊具有良好耐磨性的重要因素碳化物的数量、形态和分布状况都对轧辊的耐磨性有影响 除了碳化物自身以外具有较好强韧性的回火马氏体基体组织为碳化物提供良好的支承作用降低了碳化物断裂和从基体“脱落”的几率杨金刚:高铬铸铁轧辊材质的氧化行为研究 年第 期()()图 典型高铬铸铁显微组织 .高铬铸铁氧化膜形貌 利用激光共聚焦显微镜在完整的表面氧化膜上选取.区域进行拍照绘制氧化膜的 图见图 图 中浅色区域是高铬铸铁基体组织深色区域是碳化物 从图片中观察发现基体和碳化物处于不同的水平面基体的氧化膜高于碳化物氧化膜 分析认为金属材料的抗氧化性与其合金成分和组织结构有较大的关系 元素是提高铁基材料抗氧化性能的最有效元素之一而、对材料的抗氧化性影响不大、元素会降低材料的抗氧化性 高铬铸铁材料中含有大量的 元素虽然大多数 都以共晶碳化物的形式存在但基体中含有的 元素其氧化能力大于 元素可以在较低的温度下就开始有氧化膜的形成且其生成的氧化膜具有较好的致密性 为进一步分析基体和碳化物氧化膜厚度的差异分别在完整的表面氧化膜上设置 长截线跨越氧化后的高铬铸铁基体组织和碳化物获取相应的氧化膜的轮廓线见图()氧化()氧化()氧化图 高铬铸铁、和 氧化膜 图及氧化膜 轮廓线 从图 的轮廓线可以明显看出轮廓线上存在很多“陡降”的低谷区域对比金相组织和激光共聚焦显微镜 成像可以确认轮廓线上的低谷区域是碳化物相对平直的部分是基体.氧化膜粗糙度分析 在完整的表面氧化膜上随机选取.长作为基准长度对氧化膜表面形貌进行重建分析计算其表面粗糙度参数见表 和图 表 高铬铸铁氧化膜粗糙度参数 试样编号.图 氧化温度和粗糙度参数变化曲线 表 中 表示表面粗糙度、分别表示基准长度内轮廓线的最大峰谷差、最大谷值、最大峰值、平均峰谷差、平均谷值、平均峰值 在对试样进行表面观察时发现局部碳化物脱落或基体表面局部凸起都有可能造成表征粗糙度绝对值参数的、和 数据出现异常偏大因此进行数据分析时可能存在偏差而表征粗糙度平均值参数的、受单个峰谷值影响较小所以这些数据对氧化膜粗糙度的分析更具有意义 结合氧化膜形貌可判断 表征的是碳化物氧化膜而 表征的是基体氧化膜 图 显示无论是粗糙度 还是、均随着氧化温度的升高而增大 其中平均最大峰值 近似线性升高这说明在 之间基体组织的氧化膜的生长速度未发生明显加快 年第 期大型铸锻件 平均峰谷差 曲线表示的是基体氧化膜和碳化物氧化膜的差值差值越大说明基体和碳化物的氧化程度差别越大差值越小则两者的氧化膜厚度越接近 对 曲线求导 所得数值可近似认为是在某一温度下基体和碳化物氧化膜厚度差的变化速度 从图 中可以明显看出 间的 增长速度小于 之间的 增长速度 结合高铬铸铁表面先基体、后碳化物的氧化过程分析认为随着温度的升高碳化物氧化膜的生长速度越来越快推测随着温度的升高碳化物和基体氧化膜的生长速度的差值也越来越小最终在某一临界温度两者的氧化膜生长速度会达到一致.氧化膜的能谱分析 对三个试样中的基体和碳化物部分分别进行能谱分析图 是试样 的检测点说明其中点 为基体中心部位、点 为靠近碳化物的基体边缘、点 为碳化物中心部位 从表 能谱分析结果可以看出基体中心部位和基体边缘部位成分基本相当主要为大量 元素和少量 元素的氧化物 在碳化物中心部位氧化物中 元素与 元素含量基本相当 有研究表明在轧辊中 元素是抗氧化能力最强的 在温度较低的氧化初期首先在基体中形成细小均匀的 元素的氧化膜随着温度升高和时间延长含有较多 元素的碳化物也发生氧化形成致密的 氧化膜 氧化膜能够抑制 元素在氧化膜中的扩散避免疏松的 进一步形成和长大 在本研究中高铬铸铁轧辊在升温和恒温阶段发生复杂的化学反应 元素和空气中的氧气和水蒸气发生反应 生成 相或相 随着加热温度升高和加热时间的延长在 基体界面开始出现 和 相 在水蒸气环境中生成()()()()()()()()()()()()()()()().硬度分析 图 为氧化状态下高铬铸铁的宏观硬度可以看出随氧化温度升高本体硬度逐渐下降图 高铬铸铁氧化膜能谱分析检测点 表 高铬铸铁氧化膜能谱分析结果 图谱号位置基体中心.基体边缘.碳化物中心.图 不同氧化温度下的硬度检测结果 .氧化膜对轧辊耐磨性的影响 在轧辊在机轧制过程中工作辊直接与轧材接触极短时间内轧辊承受快速升温、快速降温随着轧制时间延长氧化膜逐渐生长、变厚对轧辊本体产生了保护作用 氧化膜的存在可以降低轧辊和轧材间的摩擦系数 摩擦系数降低有助于降低轧制力有助于降低轧线的能源消耗但摩擦系数过低对于轧制过程的咬入不利容易发生打滑现象 在整个轧制过程氧化膜是一个动态的、边形成边磨损的过程 对于轧辊使用者来说最理想的状态是氧化膜的生成速度和磨损速度达到相对平衡的状态 当氧化速度低于磨损速度时氧化膜无法达到保护轧辊本体的作用这种情况一般发生在轧辊上机初期氧化膜还未充分形成时通常轧线在新辊上机时进行充分的“烫辊”可以保证氧化膜的快速形成 当轧辊上机到中后期辊身氧化层会增厚氧化膜致密性变差、结构会疏松此时容易发生氧化膜脱落脱落的氧化膜压入轧材影响轧材表面质量 结论 ()高铬铸铁轧辊材质组织为回火马氏体 碳化物 少量残余奥氏体在 及之后局部高温环境下氧化初始阶段基体组织的氧化速度高于碳化物推测随着氧化的进行两者氧化杨金刚:高铬铸铁轧辊材质的氧化行为研究 年第 期速度将趋于一致 ()激光共聚焦显微镜观察表明高铬铸铁材质氧化后表面轮廓线出现明显的碳化物“低谷”区域 随着氧化温度的升高高铬铸铁氧化后辊面粗糙度 呈线性增大趋势 结合表征基体和碳化物氧化膜厚度差的粗糙度参数平均峰谷差值 以及表征平均峰值的 变化趋势认为随着氧化温度的升高碳化物氧化膜的生长速度逐渐加快 ()高铬铸铁轧辊材质氧化膜成分与显微组织有关基体部位以 的氧化物为主而碳化物部位则含有较多的 元素致密的 氧化膜能够抑制 元素在氧化膜中的扩散 ()发生氧化后高铬铸铁轧辊材质宏观硬度降低且随着氧化温度的升高宏观硬度逐渐降低参考文献 .():.周利 刘常升 刘常升 等.高速钢轧辊工作层材料的高温氧化行为.钢铁研究学报():.孙蓟泉 张帆 赵爱民 等.热轧高铬铸铁轧辊氧化膜的研究.轧钢 ():.孙蓟泉 张帆 赵爱民 等.热轧辊工作层的氧化动力学.材料热处理学报 ():.张杰 周旬 苏长水 等.种典型轧辊材料氧化行为的原位观察.轧钢 ():.李继新 周旬 徐海卫 等.热轧产线和半连轧产线的轧辊氧化行为研究.中国金属通报():.():.李长生 徐建忠 刘相华 等.热轧带钢高铬铸铁轧辊表面氧化膜研究与应用.钢铁():.邢小红 刘赛月 王铀 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