cr5鋼過燒溫度試驗研究

隨著汽車和家用電器行業的快速發展，冷油漆行業的市場需求不斷增加，冷油漆行業的產品（如板厚、板形、表面特征等）的質量要求更加高。在冷軋生產過程中,鍛鋼冷軋輥的性能和使用效果是影響軋材質量和生產效率的重要因素。Cr5鋼是含鉻量在5%左右的過共析合金鋼,通過化學成分的科學匹配和合理的生產工藝,其與傳統的Cr2和Cr3系材質相比,由于鉻含量高,形成大量硬度高且彌散分布的M7C3型碳化物,同時擁有良好的淬透性和耐磨性。目前國內以寶鋼為代表的先進軋機1420、1550冷軋酸洗機組的工作輥也都要求使用Cr5鋼工作輥。在實際生產過程中,由于通過電渣重熔工藝得到的電渣錠可能存在的成分偏析會導致材料的過燒臨界溫度發生波動。同時,在后續的鍛造過程中,若初鍛溫度過高且形變速度過大,也可能會導致機械能轉化為熱能,使鋼中局部區域產生內部溫升,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,以避免產生局部過熱乃至過燒現象。本文通過Thermo-cale軟件模擬以及試驗檢測相結合的方式,研究合金元素含量與Cr5鋼過燒溫度的關系,旨在為實際生產中確定較為合理的熱處理工藝及使用性能提供依據。1材料和試樣的分析試驗用Cr5鋼的主要化學成分(質量分數,%)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(以下簡稱為電渣錠),并通過S-570掃描電鏡對其均勻性進行分析,熱處理試樣尺寸為30mm×30mm×30mm。利用NETZSCH-404C差示掃描量熱儀(DSC)測定固液轉變的臨界溫度點。使用YFA12/13G-Y型箱式電阻爐將試樣在1350、1300、1280、1250℃分別進行擴散退火6h,并對其顯微組織進行觀察和分析。用Thermo-cale軟件計算合金元素對于Cr5鋼相圖及其熔點的影響趨勢,并借助matlab建立多元線性回歸模型。2試驗結果與分析2.1光學顯微鏡測試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。經過硝酸酒精腐蝕之后,在光學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。對這些白亮、深暗色組織較密集的局部區域進行能譜分析表明,耐蝕性的差異主要是由于電渣態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固相向液相轉變時存在明顯的吸熱現象,以氬氣作為保護氣氛,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℃測量該吸熱峰的起始位置。測試結果如圖2所示,吸熱峰的起始位置約為1274℃,可視其為該Cr5鋼的實際過燒溫度。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。作為測試試樣的電渣重熔鑄錠料屬于鑄態組織,在成分上存在一定的不均勻性,從而引起DSC曲線上出現細微的噪音波動,而呈非光滑曲線狀態。2.2擴散退火溫度對組織中過燒的影響參考DSC的測試結果,將試樣在不同溫度等溫后隨爐冷卻(即擴散退火),拋光態下通過低倍顯微鏡觀察確認組織的過燒傾向,結果如圖3所示。Cr5鋼試樣經1250℃擴散退火后,可以發現組織中并無明顯過燒跡象。而當擴散退火溫度達到1280℃以上時,組織中開始出現典型的在三叉型晶界過燒的痕跡,因為鋼加熱到過燒溫度以上時,往往是在奧氏體晶界區首先熔化。金相分析與DSC的測試結果完全符合。同時,在黑色過燒痕跡中發現存在少量共晶萊氏體碳化物如圖4所示,經過顯微硬度測試其硬度明顯高于退火基體。Cr5鋼屬于高碳合金鋼,試驗結果表明在其熔化之后的冷卻過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及所處的位置都較為敏感,對于材料的最終力學性能,尤其是韌性將會產生不良的影響。2.3cr5鋼力學模擬2.3.1垂直截面平衡相圖Thermo-calc軟件是一種基于熱力學基本原理的模擬軟件,對于各種合金的平衡相圖、各種溫度下相的種類及相對量均可進行定量分析計算,在材料研究中得到了較為廣泛深入的應用。借助Thermo-cale模擬軟件對Cr5鋼進行相圖計算,得到垂直截面平衡相圖如圖5所示。根據模擬結果,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結構,因而相圖中低溫區的FCC(右下角曲線5)便是上述類型的碳化物。同時,從圖5中也不難發現M7C3型碳化物(曲線3)的穩定性要明顯高于M23C6型(曲線1),此鋼種的完全奧氏體化溫度需在1050℃以上。作為本研究所關注的過燒臨界溫度,主要取決于圖5中的曲線7。一般條件下,擴散退火的溫度都較接近固相線以達到良好的均勻化效果,但是考慮到在實際生產過程中尚存在成分偏析、鍛造溫升等因素的影響,為了避免發生過燒乃至局部過燒,無論在擴散退火還是在鍛造過程中都必須保證材料溫度不超過其臨界點。2.3.2對主要合金元素的影響在Cr5鋼的合金成分波動范圍內,各合金元素以平均值為基準,每次選取一種合金元素含量由上限單調遞減至下限,通過單因素輪換研究不同合金元素對其過燒溫度的影響。熱力學計算結果表明在此范圍內,其合金元素與過燒溫度基本都呈單調遞減的關系。C含量對于過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過燒溫度的臨界點產生近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),即使考慮到之前測得的含量存在7.01～4.32的偏析,也只有約6℃的影響。根據模擬結果,發現對于過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則因為含量相對較多,所以對過燒溫度也能起到一定的影響作用。針對模擬結果,利用matlab進行多元線性回歸,得到過燒溫度與合金元素含量對應關系如下:T過燒=1534.1-176w(C)-2.1w(Cr)-8.6w(Mn)-38.2w(Si)-19.3w(Mo)-7.1w(Ni)-32.1w(V)該公式計算結果表明,不考慮成分偏析的前提下,在Cr5鋼的合理成分范圍內其最低過燒溫度為1312℃,該溫度值高于DSC測試得到的1274℃,這是由于鑄態組織成分均勻性以及局部碳化物的存在都會對局部過燒臨界溫度產生直接影響所致,即材料中富碳高合金區域的臨界過燒溫度較低,在熱處理加熱過程或鍛造變形過程中可能導致局部過燒,上式較好地反映這種變化趨勢,可為該材料熱處理及鍛造工藝的制定提供重要參考,并對其他鋼種亦有一定的借鑒意義。3在過燒位置中的應用1)根據DSC檢測與金相分析結果的初步推測,Cr5鋼液相析出的初始臨界點