cr5鋼過(guò)燒溫度試驗(yàn)研究

cr5鋼過(guò)燒溫度試驗(yàn)研究

隨著汽車和家用電器行業(yè)的快速發(fā)展，冷油漆行業(yè)的市場(chǎng)需求不斷增加，冷油漆行業(yè)的產(chǎn)品（如板厚、板形、表面特征等）的質(zhì)量要求更加高。在冷軋生產(chǎn)過(guò)程中,鍛鋼冷軋輥的性能和使用效果是影響軋材質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素。Cr5鋼是含鉻量在5%左右的過(guò)共析合金鋼,通過(guò)化學(xué)成分的科學(xué)匹配和合理的生產(chǎn)工藝,其與傳統(tǒng)的Cr2和Cr3系材質(zhì)相比,由于鉻含量高,形成大量硬度高且彌散分布的M7C3型碳化物,同時(shí)擁有良好的淬透性和耐磨性。目前國(guó)內(nèi)以寶鋼為代表的先進(jìn)軋機(jī)1420、1550冷軋酸洗機(jī)組的工作輥也都要求使用Cr5鋼工作輥。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于通過(guò)電渣重熔工藝得到的電渣錠可能存在的成分偏析會(huì)導(dǎo)致材料的過(guò)燒臨界溫度發(fā)生波動(dòng)。同時(shí),在后續(xù)的鍛造過(guò)程中,若初鍛溫度過(guò)高且形變速度過(guò)大,也可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,使鋼中局部區(qū)域產(chǎn)生內(nèi)部溫升,因此,鋼錠加熱與鍛造工藝的制定都需要取決于Cr5鋼初始熔化的溫度,以避免產(chǎn)生局部過(guò)熱乃至過(guò)燒現(xiàn)象。本文通過(guò)Thermo-cale軟件模擬以及試驗(yàn)檢測(cè)相結(jié)合的方式,研究合金元素含量與Cr5鋼過(guò)燒溫度的關(guān)系,旨在為實(shí)際生產(chǎn)中確定較為合理的熱處理工藝及使用性能提供依據(jù)。1材料和試樣的分析試驗(yàn)用Cr5鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:4～7Cr、0.7～1.0C、0.3～1.0Si、0.2～1.0Mn、0.2～1.0Ni、0.1～0.8Mo、0.1～0.4V,其余為Fe。原始料取自電渣重熔鑄錠(以下簡(jiǎn)稱為電渣錠),并通過(guò)S-570掃描電鏡對(duì)其均勻性進(jìn)行分析,熱處理試樣尺寸為30mm×30mm×30mm。利用NETZSCH-404C差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)定固液轉(zhuǎn)變的臨界溫度點(diǎn)。使用YFA12/13G-Y型箱式電阻爐將試樣在1350、1300、1280、1250℃分別進(jìn)行擴(kuò)散退火6h,并對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察和分析。用Thermo-cale軟件計(jì)算合金元素對(duì)于Cr5鋼相圖及其熔點(diǎn)的影響趨勢(shì),并借助matlab建立多元線性回歸模型。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1光學(xué)顯微鏡測(cè)試Cr5鋼電渣錠的顯微組織如圖1所示,基體以珠光體類組織為主。經(jīng)過(guò)硝酸酒精腐蝕之后,在光學(xué)顯微鏡下可以看到有明顯的顏色差異。在深暗色組織的周圍分布著許多白亮點(diǎn)。對(duì)這些白亮、深暗色組織較密集的局部區(qū)域進(jìn)行能譜分析表明,耐蝕性的差異主要是由于電渣態(tài)組織中存在一定的成分偏析,如主要合金元素Cr的含量在7.01～4.32之間變化。2.1吸熱峰的起始位置由于當(dāng)固相向液相轉(zhuǎn)變時(shí)存在明顯的吸熱現(xiàn)象,以氬氣作為保護(hù)氣氛,用差示掃描量熱儀以20K/min的速度,將10mg的試樣從80℃加熱至1450℃測(cè)量該吸熱峰的起始位置。測(cè)試結(jié)果如圖2所示,吸熱峰的起始位置約為1274℃,可視其為該Cr5鋼的實(shí)際過(guò)燒溫度。從圖2可以看出,隨著溫度的升高、液相比例的增大其吸熱量也不斷增加。作為測(cè)試試樣的電渣重熔鑄錠料屬于鑄態(tài)組織,在成分上存在一定的不均勻性,從而引起DSC曲線上出現(xiàn)細(xì)微的噪音波動(dòng),而呈非光滑曲線狀態(tài)。2.2擴(kuò)散退火溫度對(duì)組織中過(guò)燒的影響參考DSC的測(cè)試結(jié)果,將試樣在不同溫度等溫后隨爐冷卻(即擴(kuò)散退火),拋光態(tài)下通過(guò)低倍顯微鏡觀察確認(rèn)組織的過(guò)燒傾向,結(jié)果如圖3所示。Cr5鋼試樣經(jīng)1250℃擴(kuò)散退火后,可以發(fā)現(xiàn)組織中并無(wú)明顯過(guò)燒跡象。而當(dāng)擴(kuò)散退火溫度達(dá)到1280℃以上時(shí),組織中開(kāi)始出現(xiàn)典型的在三叉型晶界過(guò)燒的痕跡,因?yàn)殇摷訜岬竭^(guò)燒溫度以上時(shí),往往是在奧氏體晶界區(qū)首先熔化。金相分析與DSC的測(cè)試結(jié)果完全符合。同時(shí),在黑色過(guò)燒痕跡中發(fā)現(xiàn)存在少量共晶萊氏體碳化物如圖4所示,經(jīng)過(guò)顯微硬度測(cè)試其硬度明顯高于退火基體。Cr5鋼屬于高碳合金鋼,試驗(yàn)結(jié)果表明在其熔化之后的冷卻過(guò)程中伴隨一定量的合金碳化物析出,這種沿晶界分布的碳化物形態(tài)及所處的位置都較為敏感,對(duì)于材料的最終力學(xué)性能,尤其是韌性將會(huì)產(chǎn)生不良的影響。2.3cr5鋼力學(xué)模擬2.3.1垂直截面平衡相圖Thermo-calc軟件是一種基于熱力學(xué)基本原理的模擬軟件,對(duì)于各種合金的平衡相圖、各種溫度下相的種類及相對(duì)量均可進(jìn)行定量分析計(jì)算,在材料研究中得到了較為廣泛深入的應(yīng)用。借助Thermo-cale模擬軟件對(duì)Cr5鋼進(jìn)行相圖計(jì)算,得到垂直截面平衡相圖如圖5所示。根據(jù)模擬結(jié)果,圖5中右下角曲線5為上述類型的MC型碳化物,這是由于Cr5鋼中存在少量V元素,而MC型碳化物屬于FCC結(jié)構(gòu),因而相圖中低溫區(qū)的FCC(右下角曲線5)便是上述類型的碳化物。同時(shí),從圖5中也不難發(fā)現(xiàn)M7C3型碳化物(曲線3)的穩(wěn)定性要明顯高于M23C6型(曲線1),此鋼種的完全奧氏體化溫度需在1050℃以上。作為本研究所關(guān)注的過(guò)燒臨界溫度,主要取決于圖5中的曲線7。一般條件下,擴(kuò)散退火的溫度都較接近固相線以達(dá)到良好的均勻化效果,但是考慮到在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中尚存在成分偏析、鍛造溫升等因素的影響,為了避免發(fā)生過(guò)燒乃至局部過(guò)燒,無(wú)論在擴(kuò)散退火還是在鍛造過(guò)程中都必須保證材料溫度不超過(guò)其臨界點(diǎn)。2.3.2對(duì)主要合金元素的影響在Cr5鋼的合金成分波動(dòng)范圍內(nèi),各合金元素以平均值為基準(zhǔn),每次選取一種合金元素含量由上限單調(diào)遞減至下限,通過(guò)單因素輪換研究不同合金元素對(duì)其過(guò)燒溫度的影響。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明在此范圍內(nèi),其合金元素與過(guò)燒溫度基本都呈單調(diào)遞減的關(guān)系。C含量對(duì)于過(guò)燒溫度有著較明顯的影響如圖6(a)所示,在不考慮成分偏析的前提下,其成分上下限就可對(duì)過(guò)燒溫度的臨界點(diǎn)產(chǎn)生近40℃的影響。而相較于鋼中主要合金元素Cr的影響(如圖6(b)所示),即使考慮到之前測(cè)得的含量存在7.01～4.32的偏析,也只有約6℃的影響。根據(jù)模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)對(duì)于過(guò)燒溫度起主要影響作用的是Cr、Si、Mo、V四種合金元素,但由于Cr5鋼中Mo、V的含量不高,故其影響有限,而Cr、Si則因?yàn)楹肯鄬?duì)較多,所以對(duì)過(guò)燒溫度也能起到一定的影響作用。針對(duì)模擬結(jié)果,利用matlab進(jìn)行多元線性回歸,得到過(guò)燒溫度與合金元素含量對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:T過(guò)燒=1534.1-176w(C)-2.1w(Cr)-8.6w(Mn)-38.2w(Si)-19.3w(Mo)-7.1w(Ni)-32.1w(V)該公式計(jì)算結(jié)果表明,不考慮成分偏析的前提下,在Cr5鋼的合理成分范圍內(nèi)其最低過(guò)燒溫度為1312℃,該溫度值高于DSC測(cè)試得到的1274℃,這是由于鑄態(tài)組織成分均勻性以及局部碳化物的存在都會(huì)對(duì)局部過(guò)燒臨界溫度產(chǎn)生直接影響所致,即材料中富碳高合金區(qū)域的臨界過(guò)燒溫度較低,在熱處理加熱過(guò)程或鍛造變形過(guò)程中可能導(dǎo)致局部過(guò)燒,上式較好地反映這種變化趨勢(shì),可為該材料熱處理及鍛造工藝的制定提供重要參考,并對(duì)其他鋼種亦有一定的借鑒意義。3在過(guò)燒位置中的應(yīng)用1)根據(jù)DSC檢測(cè)與金相分析結(jié)果的初步推測(cè),Cr5鋼液相析出的初始臨界點(diǎn)