白兴红 赵席春 郭峰 南玉静

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

收稿日期：2021-08-30

作者简介：白兴红(1984—)，女，高级工程师，硕士，主要从事支承辊新材料、新产品、新工艺研发工作。

轧辊作为轧钢设备的重要工具及消耗件，始终伴随着轧钢技术的进步和轧钢装备的更新而不断发展，材质己形成系列化，由早期的Cr2发展到现在的Cr4、Cr5等高合金材质。Cr5钢因其高的合金含量而拥有优越的淬硬性、淬透性以及良好的耐磨性和抗断裂性，成为连轧机支承辊和有色轧机工作辊的主流产品材料[1-3]。随着冶金质量的提高和热工艺的完善，从改善耐磨性考虑提高碳含量[4]，进一步提高轧辊使用性能。热处理温度直接影响了组织状态、硬度、强度、塑韧性等力学性能。本文研究了热处理温度对高碳Cr5轧辊钢组织与性能的影响规律，为高碳Cr5轧辊钢热处理工艺的制定与优化奠定了理论基础。

1 试验材料及方法

试验材料为高碳Cr5材质，源自生产锻件，化学成分见表1。材料的热处理状态为锻后球化态，用线切割切取块状试样，采用高温井式电阻炉进行热处理模拟，工艺方案为：900～1100℃、保持150 min的奥氏体化，出炉迅速油冷，考察淬火温度对试验钢显微组织和硬度的影响；选择固定淬火温度，经450～680℃保持5 h回火，考察回火温度对试验钢显微组织和力学性能的影响。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of tested steel (mass fraction,%)

采用光学显微镜、扫描电镜观察钢的显微组织；采用维氏硬度计测定试样硬度，按照硬度转化表转化为工程常用硬度计量单位(HSD)；采用300 kN拉伸试验机进行拉伸试验；采用夏比摆锤试验机进行冲击(U型)试验。

2 试验结果与讨论

2.1 淬火试验

2.1.1 淬火温度对显微组织的影响

金相组织检测发现，淬火温度900～1000℃时，组织多为马氏体和颗粒状碳化物。图1(a)、(b)、(c)、(d)分别为920℃、980℃、1000℃、1100℃保温150 min后油冷的金相组织，随着淬火温度的升高，马氏体组织有粗化的趋势，1100℃时组织为粗大的马氏体。

图1 试验钢淬火显微组织Figure 1 Microstructure of tested steel after quenching

2.1.2 淬火温度对晶粒度的影响

对淬火温度920～1100℃下各试样的晶粒度进行检测，图2为920℃、980℃、1000℃、1100℃保温150 min后油冷淬火的晶粒度照片，表2为晶粒度评定结果。可以看出，随着淬火温度的升高，晶粒逐渐长大；温度低于1000℃时，奥氏体晶粒生长缓慢，而温度高于1000℃时，晶粒迅速长大，这与上述金相组织是相对应的。

图2 试验钢在不同淬火条件下的晶粒度照片Figure 2 Grain size photos of tested steel at different quenched temperatures

表2 不同淬火温度下的试样晶粒度Table 2 Grain size of tested steelat different quenched temperatures

2.1.3 淬火温度对碳化物溶解的影响

图3为试验用钢在不同温度保温150 min后淬火的碳化物形貌。可以看出，随着淬火温度的升高，碳化物溶解量逐渐增多：980℃以上碳化物明显溶解，1000℃碳化物大量溶解，1100℃已完全溶解。该试验钢中含有很多的强碳化物形成元素，这些合金碳化物熔点高，加热温度较低时，碳化物溶解量少，对奥氏体形成和长大都有强烈的阻碍作用。因此，淬火温度应选择低于1000℃，保证奥氏体内存在一定量的未溶碳化物颗粒，一方面抑制奥氏体晶粒长大，另一方面使一定量的合金元素溶解，形成高淬硬性的马氏体，提高组织强度和硬度。

图3 试验钢的碳化物溶解情况Figure 3 Dissolution situation of carbides in tested steel

2.1.4 淬火温度对硬度的影响

对经不同温度淬火的试样进行硬度检测，结果见图4。可以看出，试样淬火硬度呈现出先升后降的趋势，大致分为两个阶段：低温区硬度(≤980℃)随淬火温度升高而升高，高温区硬度(>980℃)随淬火温度升高而降低。淬火温度>980℃时，硬度下降，这与试样中残余奥氏体量增加有关[5-6]：随着淬火温度的升高，奥氏体中溶解的碳和合金元素含量增多，提高了过冷奥氏体稳定性，使得Ms点降低，残余奥氏体量增多，表现为硬度下降。结合上述显微组织，该钢种淬火温度应低于1000℃，从而得到细小的显微组织和较高的硬度。

图4 不同温度淬火后试样硬度Figure 4 The hardness of the test pieceafter quenching at different temperatures

2.2 回火试验

2.2.1 不同回火温度下的显微组织

经不同温度回火后的显微组织见图5，560℃以下回火时的显微组织均为“回火马氏体+颗粒状碳化物”；600℃以上为“回火索氏体+颗粒状碳化物”。因此，在制定热处理工艺时，根据不同部位的使用要求，合理选择回火温度。

图5 回火后的显微组织Figure 5 Microstructure after tempering tested steel

2.2.2 回火温度对硬度的影响

对经不同温度回火的试样进行硬度检测，结果见图6。随着回火温度的升高，硬度逐渐降低，当回火温度为450～500℃时，硬度达到平台78HSD，说明该钢具有较高的回火稳定性。

图6 不同温度回火后硬度曲线Figure 6 The hardness of the tested steel after temperingat different temperatures

2.2.3 回火温度对力学性能的影响

对经不同温度回火的试样进行力学性能检测，结果见图7。随着回火温度的升高，抗拉强度和屈服强度显著降低，断后伸长率和断面收缩率明显升高，冲击吸收能量逐渐升高。回火温度560℃时，抗拉强度高达1723 MPa，其对应的断后伸长率为10%、断面收缩率为30%，冲击吸收能量(KU2)20 J；回火温度680℃时，抗拉强度1001 MPa，屈服强度814 MPa，断后伸长率18%，断面收缩率53%，冲击吸收能量(KU2)45 J。可见，试验钢基体强度高，而且保持着良好的塑韧性，说明该钢具有较好的综合力学性能。

(a)强度

3 结论

(1)试验钢经不同温度淬火后的显微组织为马氏体和颗粒状碳化物，随着淬火温度的升高，碳化物溶解量增多、晶粒长大、组织粗大。淬火温度高于1000℃时，上述变化趋势愈加明显。

(2)随着淬火温度的升高，硬度呈现先升后降的趋势，低温区硬度(≤980℃)随淬火温度升高而升高，高温区硬度(>980℃)随淬火温度升高而降低。

(3)在选定的淬火温度下进行回火，回火温度较低时，试样组织为回火马氏体和颗粒状碳化物；回火温度较高时，试样组织为回火索氏体和颗粒状碳化物。

(4)试样硬度随着回火温度的降低而逐渐升高，回火温度降低至500℃及以下时，硬度达到一平台，说明试验钢具有较高的回火稳定性。

(5)随着回火温度的升高，抗拉强度和屈服强度显著降低，断后伸长率和断面收缩率明显升高，冲击吸收能量逐渐升高。试验钢基体强度高，并且保持着良好的塑韧性，说明该钢具有较好的综合力学性能。