高速钢轧辊的耐磨性

高速钢轧辊的耐磨性研究
————金属材料研究专题结课论文
学院：材料科学与工程学院
班级：10级焊接一班
姓名：王玉玮
学号：100102030018
高速钢轧辊的耐磨性研究
摘要：高速钢轧辊由于其高耐磨性、高硬度和耐氧化性能，在热轧机上表现突出。

轧辊在轧制过程中循环受热造成表面氧化，从而显著的改变工作辊与热轧材料之间的接触和摩擦方式。

本文中使用高温显微镜观察研究高速钢轧辊材料表面氧化膜的形成和分布。

通过表面观测表明，高速钢材料的氧化膜最初在碳化物和基体的晶界处生长，并迅速的覆盖在碳化物表面，随后持续生长至覆盖整个材料的表面。

高速钢材料这种特殊的氧化特性对于轧辊表面形态有特别重要的意义。

在氧化气氛下，水蒸气同时增加基体和碳化物的氧化速率。

通过小型两辊轧机和Gleeble 3500热-力学模拟试验机来研究静态热轧条件下高速钢轧辊与低碳钢试样之间的摩擦行为。

试验结果表明，表面光洁和氧化后的轧辊表面具有完全不同的摩擦行为，不管是在不同的压下量还是温度条件下，有氧化膜的轧辊的摩擦力总是比光洁的轧辊要高。

工作辊的表面状况对于粗糙度有决定性的影响。

关键词：高速钢表面氧化摩擦性能热轧制
1、绪论
高速钢轧辊由于具有优秀的耐磨性、高的硬度和耐氧化性，无论在热轧机的粗轧或是精轧阶段，都比传统高铬钢轧辊以及无限冷硬铸铁轧辊表现出优势。

在热轧过程中与钢坯的瞬时接触，使轧辊表面被加热到接近650℃，随后又冷却至500℃左右。

这种循环受热导致辊面氧化膜的产生，显著的改变工作辊和轧制材料之间的摩擦性能。

人们在研究轧辊表面氧化膜的摩擦学性能方面做过很多实验和数据研究，这些研究显示，氧化膜的物理性质和机械性能决定了辊面质量，并可能导致轧制材料的表面缺陷。

在轧制过程中，接触小于30次/分
钟时，氧化膜会在高温、机械疲劳和压力的作用下剥落。

因此研究高速钢轧辊材料使用初期的氧化行为显得十分必要。

轧辊的磨损失效方式有四种：表面磨损、机械疲劳、热疲劳、化学腐蚀。

轧制材料的氧化膜对轧辊造成磨损则是轧辊损耗的一个主要形式。

工作辊和轧材的摩擦学行为则是热轧过程的关键所在。

在本文中，通过CCD相机借助高温金像显微镜，实现在650℃高温、干燥或12.5%的湿度下，观察高速钢轧辊氧化膜的形成和扩展。

这是首次通过小型两辊轧机和Gleeble 3500热-力学模拟试验机来研究慢速热轧条件下工作辊与热轧材料之间的摩擦行为。

试验后，使用SEM、XRD、AFM、外表形貌测量仪等设备对试样氧化膜的微观结构、组织、粗糙度进行分析。

2、试验
2.1 选材
试验中高速钢成分（质量分数）测定如下：C l.96%, Cr 4. 85%,Mo 4.47% ,W 3.4 % , V 4. 00 % , Mn l. 26%，其余为Fe。

其中有三种碳化物共占13%的体积分数：薄片状MC型碳化物，约占9%；其余为棒状的Mo系M2C型和网状的铬系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热重分析法和Gleeble热-力学模拟，并不能直接观察到氧化过程的所有参数。

但是，通过以上装置，可以观测到试样的高温金像，同时记录出温度变化，对应出试样氧化期在力学性能表现出的变化。

加热时，将试样（2.7x2.7x2m3）放置在坩埚
上，光洁的表面向上，坩埚悬浮在一个镀金的椭圆形红外加热装置中，如图1所示。

图1 氧化观测装置的图示
氧化性的气体通过软管到达试样表面。

将工业压缩空气通过50℃的恒温蒸馏水，获得12.5%的湿度，以此用来提供氧化气氛。

试验过程中，在高纯氩气保护氛围下，将试样加热至650℃恒温5分钟，使试样受热均匀。

然后关闭氩气，通入氧化气氛，持续30分钟，同时确保试样温度保持在650℃。

氧化过程完成后，通入气氛改为高纯氩气，防止试样进一步氧化，同时使试样在1.7℃/s的速度下冷却至室温。

2.3 摩擦性能测试
在研究滚动摩擦和疲劳测试时，忽略了热轧钢材的塑性形变。

为了研究热轧工作辊在静态热轧制条件下的摩擦力学行为，我们将一个小型两辊高速轧机通过改装，连接在Gleeble 3500热-力学模拟试验机上，如图2所示。

图2 小型两辊高速轧机示意图
通过两个安装在上辊轴承上的压力计可以检测出轧制力。

通过调节两辊之间的间距，来获得所需的轧制下压量。

试样使用热-力学模拟器的夹具夹住，在热轧模拟试验之前通过电流加热至所需温度。

数字控制系统模拟轧制参数，驱动模拟器部件模拟轧制。

考虑到Gleeble 模拟器的空间限制，轧制距离设置为25mm。

试验中使用的轧材为低碳钢。

为了模拟光洁/氧化后的辊面，我们研究了高速钢轧辊的两种不同的表面形态。

一个种是光洁的金属表面，粗糙度约0.2 ~0. 3μm（Ra）；一种是氧化后的辊面，在干燥的工业空气气氛，700℃温度条件下，氧化80分钟后形成，粗糙度约1.2μm，氧化膜厚度约7μm。

试样在氩气保护氛围下加热到700和850℃后开始轧制，轧制速度15mm/s，下压量为16%、25%、33%。

3、试验结果及分析
3.1 氧化试验
图3是高速钢试样在650℃干燥空气氛围下氧化时，表面氧化膜最初形成和连续生长。

图3（a）展示的是通入干空气前的高速钢试样洁净表面，可以明显的看到碳化物分布在马氏体上。

通过高温金像装置中的CCD相机，只有MC型V系碳化物可以被清晰的看到，因为它体积较大，分布较广。

从图3（b）中可以明显看出，通入干空气后，碳化物和基体的颜色立即产生差别。

这说明在氧化气氛通入后，氧化最初发生在碳化物和基体的晶界处。

5秒后，氧化膜迅速扩展到碳化物表面，并具有向基体蔓延的趋势，如图3（c）所示。

图3（d）和图3（e）是氧化发生至15秒和30秒后的情况，氧化膜持续生长，蔓延至覆盖基体。

氧化膜在晶界处形成至覆盖整个表面约用时50秒，如图3（f）。

随后，氧化膜随着氧化的时间延长，不断增厚。

当氧化气氛湿度变为12.5%时，状况与干空气类似，但是氧化膜的生长更加迅速。

图4 高速钢试样在650℃氧化30分钟后的表面形态。

（a）干燥空气（b）12.5%湿空气。

图4是在干空气和12.5%湿空气中氧化后的表面形态。

氧化表面是有差异的，表明高速钢组织中耐氧化性的不同。

MC型V系碳化物
氧化后突出于表面，呈六边形颗粒状，如图4（a）。

碳化物区域氧化较严重，且覆盖有较厚的氧化膜，而基体由于较好的耐氧化性，氧化程度较轻，导致试样表面氧化程度不一致。

观测表明，MC型V系碳化物氧化速率叫基体要快，与先前的研究结果一致。

与干空气相比，在潮湿氛围下（12.5%湿空气）这种氧化的差异性更大。

氧化气氛中的水分同时增加碳化物和基体的氧化速率。

在650℃，氧化膜在湿空气下较在干空气下表现出较多的孔隙，而且其中MC型V系碳化物体积较大也较为狭长，氧化更严重，如图4（b）。

聚焦离子束成像表明，高速钢试样在650℃氧化30分钟，氧化膜厚度只有l ~2µm。

而X射线衍射表明，氧化膜的主要成分是Fe203和Fe304。

有意思的是，试样表面的平均粗糙度从干空气的335.37 nm 降低至湿空气下的249.9 nm。

水分同时增加基体和碳化物的氧化速率，减少了两者之间的氧化差异，使30分钟后，氧化膜倾向一致。

3.2 摩擦测试
摩擦行为一般认为是热轧过程中的关键项次。

图5（a）表明的是光洁或者氧化后的辊面条件下，轧制力随轧制温度变化的曲线。

氧化过的辊面轧制力要比光洁表面大。

表面粗糙度高（氧化后l.50 µm/光洁0.2 ~0. 3 µm）使摩擦系数增大，导致轧制力较大。

图5（b）表示的是试样表面粗糙度的变化与模拟轧制过程中轧制力之间的关系。

试样的初始粗糙度大约在l. 8 ~ 2.0 µm。

需要注意的是，虽然模拟装置中充满氩气，轧材试样表面仍然随着加热而氧化。

在辊面光洁的情况下，任何下压量，无论在700℃还是800℃，轧材
表面形成的氧化膜被压平并残留在轧材表面。

如图5（b）所示，轧材表面粗糙度随着下压量增加，明显减小。

在下压量较低（6% ~8%）时，轧材表面粗糙度较低，与高温条件下类似；下压量较高（16% ~18%）时，轧材轧制后的表面粗糙度与辊面粗糙度接近（光洁辊面轧制后粗糙度约为0. 2 ~ 0. 3 µm）。

在辊面氧化时，温度为700℃，下压量大于12%，或者温度为850℃，任意下压量，氧化膜开始剥落，轧制后露出新鲜的金属表面。

700℃，下压量较小（10%）时，轧材被氧化后的轧辊轧制变形后，氧化膜被压平并残留在表面。

而被光洁的轧辊轧制后与此类似，如图6所示。

残留的氧化膜使材料表面平整，并改变轧辊与轧材之间的接触。

这就是为什么图5（b）中轧材下压量为10%时，表面粗糙度在700℃轧制条件下，会比在850℃轧制条件下要小。

下压量大于12%时，在700℃或是850℃下轧制后，轧材轧表面粗糙度都会与轧辊表面比较接近。

可以判定，轧辊表面粗糙度对轧材的粗糙度有决定性的作用。

4、结论
在本文中，通过高温显微镜和CCD相机，研究了650℃温度下，干燥或者湿度为12.5%的大气氛围下，高速钢轧辊材料氧化膜的形成和生长，随后用SEM、XRD、EBSD等仪器进行检测。

观测表明，氧化膜最初形成在高速钢材料的碳化物及基体的晶界处，然后迅速生长覆盖碳化物乃至整个材料表面。

高速钢材料表面氧化的差别对于辊面形态有重要影响。

湿空气同时增加碳化物和基体的氧化速率，650℃下，高速钢在湿空气中氧化更为严重，但是氧化后的表面形态较干空气中平整。

这是首次通过小型两辊轧机和Gleeble 3500热-力学模拟试验机来研究慢速热轧条件下工作辊与热轧材料之间的摩擦行为。

研究的是两种不同的辊面，光洁或氧化。

结果表明，两种不同的辊面状况导致完全不同的摩擦行为。

在不同温度和不同下压量下，氧化辊面的轧制力总比光洁表面大。

轧材与轧辊，轧辊与轧辊之间的表面形貌不同，轧材的表面粗糙度在经过轧制后，与辊面接近。

所以工作辊的表面对于粗糙度起决定性的作用。