高速鋼軋輥的氧化過(guò)程與損傷機(jī)制研究.pdf

1、均勻、連續(xù)、光滑的氧化膜對(duì)高速鋼軋輥的耐磨性和抗表面粗糙化起著至關(guān)重要的作用，直接影響軋輥的使用性能和軋材質(zhì)量。但目前對(duì)高速鋼軋輥氧化膜的形貌、相結(jié)構(gòu)、形成過(guò)程的氧化動(dòng)力學(xué)、損傷機(jī)制、使用性能、保持氧化膜形態(tài)的使用技術(shù)等問(wèn)題，均缺乏理深入系統(tǒng)的研究。隨著高速鋼軋輥的普及和推廣，急需對(duì)高速鋼軋輥氧化膜的形成和損傷機(jī)制開(kāi)展深入研究，建立高速鋼軋輥氧化膜的有效控制對(duì)策，無(wú)疑具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 本文對(duì)不同高速鋼軋輥材料的組織

2、進(jìn)行了表征，分析了合金元素在高速鋼中的存在形式及所起作用，重點(diǎn)研究了碳化物類(lèi)型、形態(tài)和分布；對(duì)高速鋼材料在空氣、一定露點(diǎn)水蒸汽、100％水蒸汽中的氧化行為進(jìn)行了研究，著重分析了氧化溫度、露點(diǎn)溫度、氧化介質(zhì)對(duì)氧化膜形貌、相結(jié)構(gòu)、氧化動(dòng)力學(xué)的影響；采用激光作為手段模擬研究了熱軋輥材料的冷熱疲勞行為，分析了熱軋輥材料的熱疲勞失效機(jī)制;根據(jù)氧化膜現(xiàn)場(chǎng)跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合氧化膜受力分析總結(jié)了熱軋輥表面氧化膜的形成及損傷機(jī)制。 研究結(jié)果表明：

3、高碳高釩系列高速鋼軋輥材料的金相組織主要由基體(馬氏體)，碳化物(富釩的MC；富鎢、鉬的M2C和M6C)和殘余奧氏體組成；鎢含量越高，粗大的網(wǎng)狀碳化物越容易在晶界析出。MC型碳化物的分布受鎢含量和晶粒大小影響，低的鎢含量和小的晶粒尺寸有利于MC在基體中均勻分布；M2C和M6C型碳化物經(jīng)常在晶界處偏聚析出，鎢當(dāng)量越高，M2C和M6C的量越多；鉻元素主要固溶在基體中。 高速鋼在空氣中氧化時(shí)，氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)呈線(xiàn)性變化，氧化相主要為Fe

4、2O3，氧化膜不具有保護(hù)性。高速鋼在一定露點(diǎn)水蒸汽中的氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)呈拋物線(xiàn)函數(shù)變化，氧化相主要為Fe2O3和Fe3O4，氧化膜具有一定保護(hù)性，伴隨露點(diǎn)的提高，F(xiàn)e3O4相含量增加；氧化溫度變化對(duì)高速鋼表面氧化膜形貌影響顯著；同一氧化溫度下露點(diǎn)的變化，對(duì)氧化增重產(chǎn)生明顯影響，H2O的介入使氧化速率明顯提高(與空氣中比較)。無(wú)論高速鋼在空氣中或在一定露點(diǎn)水蒸汽中氧化，在575℃部分富釩的碳化物區(qū)域發(fā)生氧化，并且在局部比基體氧化更為嚴(yán)重，伴

5、隨露點(diǎn)溫度的升高和鉻含量的增加，富釩的MC型碳化物的氧化程度減弱；在低于相變溫度下氧化，增加鉻含量有利于材料抗氧化性能的提高。高速鋼在100％水蒸汽中氧化，在650℃以下，氧化產(chǎn)物主要為Fe3O4，氧化膜致密、均勻，在500、575℃恒溫氧化，沒(méi)有明顯的氧化增重，在650℃恒溫氧化，氧化初期增重較快，隨氧化時(shí)間延長(zhǎng)，氧化增重曲線(xiàn)基本保持水平直線(xiàn)，說(shuō)明該氧化膜具有較好的保護(hù)性；在725、800℃恒溫氧化，氧化產(chǎn)物為Fe3O4和Fe2O3，

6、氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)呈拋物線(xiàn)函數(shù)變化；在575℃，富釩的碳化物沒(méi)有發(fā)生氧化。 循環(huán)交變的熱應(yīng)力是引起熱軋輥表面材料冷熱疲勞的主要原因：在軋制過(guò)程中，由于基體與碳化物的熱膨脹系數(shù)不同，交變的熱應(yīng)力使基體與碳化物交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著軋制時(shí)間的延長(zhǎng)，在基體與碳化物交界處首先萌生疲勞裂紋，逐漸失去基體握裹力的碳化物在外界軋制剪切力的作用下發(fā)生剝落(主要發(fā)生在軋制區(qū)內(nèi))，造成輥面疲勞失效，而在基體內(nèi)沒(méi)有觀察到裂紋產(chǎn)生。此外，碳化物尺寸越大對(duì)

7、冷熱疲勞越敏感，在外部剪切軋制力作用下越容易剝落，而細(xì)小彌散分布在基體中的碳化物則具有較好的抗冷熱疲勞性能。采用激光作為研究手段成功模擬了熱軋輥急冷急熱的工況條件，再現(xiàn)了熱疲勞裂紋的萌生過(guò)程。由于未能施加軋制載荷，故與實(shí)際工況有所差別。 熱軋輥表面氧化膜內(nèi)裂紋主要由熱應(yīng)力引起，裂紋與晶界處析出的共晶碳化物分布存在對(duì)應(yīng)關(guān)系：軋輥在急冷急熱工況條件下，基體與碳化物交界處首先萌生裂紋，氧化膜內(nèi)裂紋也在對(duì)應(yīng)位置形成，并在熱應(yīng)力和軋制剪切

8、力的作用下裂紋逐漸連接呈網(wǎng)狀分布。晶界處粗大碳化物對(duì)輥面形成連續(xù)、致密的氧化膜是非常不利的，基體中細(xì)小彌散分布的碳化物可以提高軋輥的抗冷熱疲勞性能。在正常軋制工況下，高速鋼軋輥輥面氧化和摩擦磨損是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程：使用初期輥面在高溫下氧化迅速生成一層氧化膜，摩擦磨損過(guò)程使氧化膜減薄，同時(shí)通過(guò)離子穿越氧化膜的擴(kuò)散過(guò)程，工作層材料不斷被氧化，使氧化膜維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的厚度。一個(gè)磨輥周期內(nèi)每個(gè)軋制計(jì)劃完成后氧化膜形貌具有遺傳性：即隨著軋制計(jì)