高速鋼軋輥的耐磨性

高速鋼軋輥的耐磨性摘要：高速鋼軋輥由于其高耐磨性、高硬度和耐氧化性能，在熱軋機(jī)上表現(xiàn)突出。軋輥在軋制過程中循環(huán)受熱造成表面氧化，從而顯著的改變工作輥與熱軋材料之間的接觸和摩擦方式。本文中使用高溫顯微鏡觀察研究高速鋼軋輥材料表面氧化膜的形成和分布。通過表面觀測表明，高速鋼材料的氧化膜最初在碳化物和基體的晶界處生長，并迅速的覆蓋在碳化物表面，隨后持續(xù)生長至覆蓋整個(gè)材料的表面。高速鋼材料這種特殊的氧化特性對(duì)于軋輥表面形態(tài)有特別重要的意義在氧化氣氛下，水蒸氣同時(shí)增加基體和碳化物的氧化速率。通過小型兩輥軋機(jī)和Gleeble3500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)來研究靜態(tài)熱軋條件下高速鋼軋輥與低碳鋼試樣之間的摩擦行為。試驗(yàn)結(jié)果表明，表面光潔和氧化后的軋輥表面具有完全不同的摩擦行為，不管是在不同的壓下量還是溫度條件下，有氧化膜的軋輥的摩擦力總是比光潔的軋輥要高。工作輥的表面狀況對(duì)于粗糙度有決定性的影響。關(guān)鍵詞：高速鋼表面氧化摩擦性能熱軋制1、緒論高速鋼軋輥由于具有優(yōu)秀的耐磨性、高的硬度和耐氧化性，無論在熱軋機(jī)的粗軋或是精軋階段，都比傳統(tǒng)高鉻鋼軋輥以及無限冷硬鑄鐵軋輥表現(xiàn)出優(yōu)勢。在熱軋過程中與鋼坯的瞬時(shí)接觸，使軋輥表面被加熱到接近650°C，隨后又冷卻至500°。左右。這種循環(huán)受熱導(dǎo)致輥面氧化膜的產(chǎn)生，顯著的改變工作輥和軋制材料之間的摩擦性能。人們在研究軋輥表面氧化膜的摩擦學(xué)性能方面做過很多實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)研究，這些研究顯示，氧化膜的物理性質(zhì)和機(jī)械性能決定了輥面質(zhì)量，并可能導(dǎo)致軋制材料的表面缺陷。在軋制過程中，接觸小于30次/分鐘時(shí)，氧化膜會(huì)在高溫、機(jī)械疲勞和壓力的作用下剝落。因此研究高速鋼軋輥材料使用初期的氧化行為顯得十分必要。軋輥的磨損失效方式有四種：表面磨損、機(jī)械疲勞、熱疲勞、化學(xué)腐蝕。軋制材料的氧化膜對(duì)軋輥造成磨損則是軋輥損耗的一個(gè)主要形式。工作輥和軋材的摩擦學(xué)行為則是熱軋過程的關(guān)鍵所在。在本文中，通過CCD相機(jī)借助高溫金像顯微鏡，實(shí)現(xiàn)在650°C高溫、干燥或12.5%的濕度下，觀察高速鋼軋輥氧化膜的形成和擴(kuò)展。這是首次通過小型兩輥軋機(jī)和Gleeble3500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)來研究慢速熱軋條件下工作輥與熱軋材料之間的摩擦行為。試驗(yàn)后，使用SEM、XRD、AFM、外表形貌測量儀等設(shè)備對(duì)試樣氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)、組織、粗糙度進(jìn)行分析。2、試驗(yàn)2.1選材試驗(yàn)中高速鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）測定如下：Cl.96%,Cr4.85%,Mo4.47%,W3.4%,V4.00%,Mnl.26%，其余為Fe。其中有三種碳化物共占13%的體積分?jǐn)?shù)：薄片狀MC型碳化物，約占9%；其余為棒狀的Mo系M2C型和網(wǎng)狀的鉻系M7C3型，共占4%。2.2氧化原理研究一般研究氧化物的形成使用熱重分析法和Gleeble熱-力學(xué)模擬，并不能直接觀察到氧化過程的所有參數(shù)。但是，通過以上裝置，可以觀測到試樣的高溫金像，同時(shí)記錄出溫度變化，對(duì)應(yīng)出試樣氧化期在力學(xué)性能表現(xiàn)出的變化。加熱時(shí)，將試樣2.7x2.7x2m）放置在坩堝上，光潔的表面向上，坩堝懸浮在一個(gè)鍍金的橢圓形紅外加熱裝置中，如圖1所示。—GasentrySpecimenObjectivelensGasexit"—GasentrySpecimenObjectivelensGasexit"InfraredlampCCDCamera圖1氧化觀測裝置的圖示氧化性的氣體通過軟管到達(dá)試樣表面。將工業(yè)壓縮空氣通過50°C的恒溫蒸餾水，獲得12.5%的濕度，以此用來提供氧化氣氛。試驗(yàn)過程中，在高純氬氣保護(hù)氛圍下，將試樣加熱至650CB溫5分鐘，使試樣受熱均勻。然后關(guān)閉氬氣，通入氧化氣氛，持續(xù)30分鐘，同時(shí)確保試樣溫度保持在650C。氧化過程完成后，通入氣氛改為高純氬氣，防止試樣進(jìn)一步氧化，同時(shí)使試樣在1.7C/s的速度下冷卻至室溫。2.3摩擦性能測試在研究滾動(dòng)摩擦和疲勞測試時(shí)，忽略了熱軋鋼材的塑性形變。為了研究熱軋工作輥在靜態(tài)熱軋制條件下的摩擦力學(xué)行為，我們將一個(gè)小型兩輥高速軋機(jī)通過改裝，連接在Gleeble3500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)上，如圖2所示。dcellsUpperrolterStiip”m|dcellsUpperrolterStiip”m|底Lo^errc]ler圖2小型兩輥高速軋機(jī)示意圖通過兩個(gè)安裝在上輥軸承上的壓力計(jì)可以檢測出軋制力通過調(diào)節(jié)兩輥之間的間距，來獲得所需的軋制下壓量。試樣使用熱■力學(xué)模擬器的夾具夾住，在熱軋模擬試驗(yàn)之前通過電流加熱至所需溫度。數(shù)字控制系統(tǒng)模擬軋制參數(shù)，驅(qū)動(dòng)模擬器部件模擬軋制。考慮到Gleeble模擬器的空間限制，軋制距離設(shè)置為25mmo試驗(yàn)中使用的軋材為低碳鋼。為了模擬光潔/氧化后的輥面，我們研究了高速鋼軋輥的兩種不同的表面形態(tài)。一個(gè)種是光潔的金屬表面，粗糙度約0.2?0.3pm(Ra)；一種是氧化后的輥面，在干燥的工業(yè)空氣氣氛，700笆溫度條件下，氧化80分鐘后形成，粗糙度約1.2pm，氧化膜厚度約7pm。試樣在氬氣保護(hù)氛圍下加熱到700和850°C后開始軋制，軋制速度15mm/s，下壓量為16%、25%、33%。3、試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1氧化試驗(yàn)圖3是高速鋼試樣在650。。十燥空氣氛圍下氧化時(shí)，表面氧化膜最初形成和連續(xù)生長。圖3（a）展示的是通入干空氣前的高速鋼試樣潔凈表面，可以明顯的看到碳化物分布在馬氏體上。通過高溫金像裝置中的CCD相機(jī)，只有MC型V系碳化物可以被清晰的看到，因?yàn)樗w積較大，分布較廣。從圖3（b）中可以明顯看出，通入十空氣后，碳化物和基體的顏色立即產(chǎn)生差別。這說明在氧化氣氛通入后，氧化最初發(fā)生在碳化物和基體的晶界處。5秒后，氧化膜迅速擴(kuò)展到碳化物表面，并具有向基體蔓延的趨勢，如圖3（c）所示。圖3（d）和圖3（e）是氧化發(fā)生至15秒和30秒后的情況，氧化膜持續(xù)生長，蔓延至覆蓋基體。氧化膜在晶界處形成至覆蓋整個(gè)表面約用時(shí)50秒，如圖3（f）。隨后，氧化膜隨著氧化的時(shí)間延長，不斷增厚。當(dāng)氧化氣氛濕度變?yōu)?2.5%時(shí)，狀況與于空氣類似，但是氧化膜的生長更加迅速。圖4高速鋼試樣在650^氧化30分鐘后的表面形態(tài)。（a）干燥空氣（b）12.5%濕空氣。圖4是在干空氣和12.5%濕空氣中氧化后的表面形態(tài)。氧化表面是有差異的，表明高速鋼組織中耐氧化性的不同。MC型V系碳化物氧化后突出于表面，呈六邊形顆粒狀，如圖4(a)。碳化物區(qū)域氧化較嚴(yán)重，且覆蓋有較厚的氧化膜，而基體由于較好的耐氧化性，氧化程度較輕，導(dǎo)致試樣表面氧化程度不一致。觀測表明，MC型V系碳化物氧化速率叫基體要快，與先前的研究結(jié)果一致。與干空氣相比，在潮濕氛圍下(12.5%濕空氣)這種氧化的差異性更大。氧化氣氛中的水分同時(shí)增加碳化物和基體的氧化速率。在650。。，氧化膜在濕空氣下較在十空氣下表現(xiàn)出較多的孔隙，而且其中MC型V系碳化物體積較大也較為狹長，氧化更嚴(yán)重，如圖4(b)。聚焦離子束成像表明，高速鋼試樣在650°C氧化30分鐘，氧化膜厚度只有l(wèi)?2呻。而X射線衍射表明，氧化膜的主要成分是Fe203和Fe304。有意思的是，試樣表面的平均粗糙度從干空氣的335.37nm降低至濕空氣下的249.9nm。水分同時(shí)增加基體和碳化物的氧化速率，減少了兩者之間的氧化差異，使30分鐘后，氧化膜傾向一致。3.2摩擦測試摩擦行為一般認(rèn)為是熱軋過程中的關(guān)鍵項(xiàng)次。圖5(a)表明的是光潔或者氧化后的輥面條件下，軋制力隨軋制溫度變化的曲線。氧化過的輥面軋制力要比光潔表面大。表面粗糙度高(氧化后1.50呻/光潔0.2?0.3pm)使摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致軋制力較大。圖5(b)表示的是試樣表面粗糙度的變化與模擬軋制過程中軋制力之間的關(guān)系。試樣的初始粗糙度大約在1.8?2.0pm。需要注意的是，雖然模擬裝置中充滿氬氣，軋材試樣表面仍然隨著加熱而氧化。在輥面光潔的情況下，任何下壓量，無論在700C還是800C，軋材表面形成的氧化膜被壓平并殘留在軋材表面。如圖5（b）所示，軋材表面粗糙度隨著下壓量增加，明顯減小。在下壓量較低6%?8%）時(shí)，軋材表面粗糙度較低，與高溫條件下類似；下壓量較高（16%?18%）時(shí)，軋材軋制后的表面粗糙度與輥面粗糙度接近（光潔輥面軋制后粗糙度約為0.2?0.3pm）。在輥面氧化時(shí)，溫度為700°C，下壓量大于12%，或者溫度為850°C，任意下壓量，氧化膜開始剝落，軋制后露出新鮮的金屬表面。700C，下壓量較?。?0%）時(shí)，軋材被氧化后的軋輥軋制變形后，氧化膜被壓平并殘留在表面。而被光潔的軋輥軋制后與此類似，如圖6所示。殘留的氧化膜使材料表面平整，并改變軋輥與軋材之間的接觸。這就是為什么圖5（b）中軋材下壓量為10%時(shí)，表面粗糙度在700C軋制條件下，會(huì)比在850C軋制條件下要小。下壓量大于12%時(shí)，在700C或是850C下軋制后，軋材軋表面粗糙度都會(huì)與軋輥表面比較接近?？梢耘卸?，軋輥表面粗糙度對(duì)軋材的粗糙度有決定性的作用。Fig>6Surfacetopographiesofstripafterrolling,(a)at700Cwith9%reductior;(h)at8501：with10%reduction4、結(jié)論在本文中，通過高溫顯微鏡和CCD相機(jī)，研究了650°C溫度下，干燥或者濕度為12.5%的大氣氛圍下，高速鋼軋輥材料氧化膜的形成和生長，隨后用SEM、XRD、EBSD等儀器進(jìn)行檢測。觀測表明，氧化膜最初形成在高速鋼材料的碳化物及基體的晶界處，然后迅速生長覆蓋碳化物乃至整個(gè)材料表面。高速鋼材料表面氧化的差別對(duì)于輥面形態(tài)有重要影響。濕空氣同時(shí)增加碳化物和基體的氧化速率，650C下，高速鋼在濕空氣中氧化更為嚴(yán)重，但是