摘要：研究了两种不同成分的半高速钢轧辊材料在600℃时碳化物的氧化行为。对两种半高速钢的金相组织、氧化试样的表面形貌进行了研究，结果表明：半高速钢中富铌的MC型碳化物抗氧化性能最差，氧化产物不但凸出基体表面，而且每个氧化区域均有裂纹产生；富钼的M2C型碳化物具有较好的抗氧化性能，但由于在与基体交错相间生长，其表面容易被基体表面横向生长的氧化产物所覆盖；富铬的M7C3型碳化物具有最佳的抗氧化性能。

关键词：粗轧；半高速钢；轧辊；碳化物；氧化

     近年来，在热轧薄板的粗轧机架采用半高速钢轧辊获得成功，其耐磨性能是高铬钢轧辊的2倍，且咬人性能和抗热疲劳性能优异，因而成为热轧薄板粗轧机架和线、棒材中轧机架轧辊的理想选择。用于热轧粗轧的半高速钢轧辊的金相组织通常由马氏体基体、合金碳化物和少量残余奥氏体组成，碳的质量分数一般在0．5％～1．5％之间，同时加入Nb、V、Mo、W、Cr等合金元素，形成MC、M2C、M6C、M7C3等不同类型的耐磨碳化物。不同轧辊制造厂家加入合金的种类和数量往往差别很大，使用性能也会因此受到影响。热轧粗轧辊轧制区内最高温度接近600℃，因此，轧辊材料的抗氧化性能至关重要，它不但影响轧辊的使用寿命，同时对轧材表面质量产生直接影响。

    不同轧辊制造厂家的轧辊金相组织中碳化物类型差别很大，因此开展高温下不同类型碳化物的氧化行为研究对于指导半高速钢轧辊选材和使用具有重要的现实意义。笔者对两种半高速钢轧辊材料进行了氧化实验，分析了不同类型碳化物的抗氧化性能。

1  实验材料和方法

本研究所采用的试样取自热轧粗轧用半高速钢轧辊工作层的侧表面。半高速钢A、B中主要碳化物形成元素的成分范围及材料硬度见表1。

    金相试样的制取是将线切割加工的10 mm×10 mm×10 mm试样用砂纸研磨、抛光后用4％硝酸酒精腐蚀并吹干。氧化试样的制取是将线切割加工的10 mm×10 mm×5 mm试样用砂纸研磨，然后在超声波中用丙酮溶液清洗10 min，取出后用无水乙醇清洗后吹干。氧化实验在管式电阻炉中进行，采用恒温静态氧化法，氧化介质为空气，氧化温度选取600℃，氧化时间为30 min。

    采用光学显微镜(LSM5 PASCAL)、扫描电镜(S4200)、电子探针(JXA一8800RL)、X射线衍射仪(D／maX_rb)对金相、相结构及氧化物形貌进行观察分析；采用洛氏硬度计(Future Tech)和亚微米压痕仪(Micro—combi Tester)测试材料的硬度。

2  实验结果及分析

图1为半高速钢A的组织及碳化物的分析结果。其金相组织由马氏体基体、合金碳化物和少量残余奥氏体组成，碳化物的体积分数在5％左右，呈断网状沿晶界分布(图1(a))；由XRD检测结果可知，合金碳化物主要由富铬的M₇C₃和富钼的M₂C组成(图1(b))；在EPMA下观察发现，大部分的M₇C₃和M₂C在晶界处混合生长，并伴有条块状基体存在于碳化物之间，在高倍下观察，比基体颜色略深的碳化物为富铬的M₇C₃(图1(c))，乳白色的为富钼的M₂C型碳化物，M₂C碳化物除了与M₇ C₃混合生长外，还经常与基体呈条状相间生长(图1(e))。

图2为半高速钢B的组织及碳化物的分析结果。其金相组织也由马氏体基体、合金碳化物和少量残余奥氏体组成，碳化物的含量比A钢略少，呈半网状沿晶界分布(图2(a))；由XRD检测结果可知，合金碳化物主要由富铌的MC、富钼的M2C和富铬的M7C3组成(图2(b))；在EPMA下观察发现，富铌的MC型碳化物呈灰白色单独在晶界处析出(图2(c))，而M7C3和M2C型碳化物在晶界处呈块状混合生长，同时伴有条状基体存在于碳化物之间(图2(e))。

图3为在600℃氧化30 min后，半高速钢A的组织及碳化物的能谱。由图可见，富铬的M₇C₃型碳化物具有非常好的抗氧化性能，氧化30 min后，在EPMA下高倍观察，没有发现被氧化的痕迹，谱线中虽有少量氧存在，这是能谱打到少量基体氧化产物造成的(图3(b))；富钼的M₂C型碳化物也具有较好的抗氧化性能，但由于M₂C通常与基体呈条状相问生长，其表面容易被基体表面横向生长的氧化产物所覆盖，在图3(c)中可明显观察到部分M₂C已被附近条状基体的氧化产物所覆盖；夹在M₂C碳化物问的基体与马氏体基体表面氧化程度相当，只是颜色有所差异(图3(e))。

    图4为在600℃氧化30 min后，半高速钢B的组织及碳化物的能谱。由图可见，富铌的MC碳化物抗氧化性能非常差，氧化产物不但凸出基体表面，而且每个氧化区域均有裂纹产生，此类裂纹的存在对轧辊使用性能是不利的，在外部轧制力诱导下裂纹会扩展，严重的会导致轧辊表面局部剥落甚至断辊；富铬的M₇C₃型碳化物具有非常好的抗氧化性能，在高倍下观察不到表面被氧化的痕迹(图4(c))；富钼的M₂C型碳化物由于与基体相间生长，

大部分已被相邻基体表面横向生长的氧化产物所覆盖(图4(e))。

由以上分析可见，用于热轧粗轧的半高速钢轧辊材料的金相组织主要由马氏体基体、合金碳化物和少量残余奥氏体组成，不同材料中合金元素种类和含量的不同导致碳化物类型存在一定差异，A钢的铬含量明显高于B钢，形成大量的M₇C₃型碳化物，B钢中加入了强碳化物形成元素铌，基体中形成大量的MC型碳化物。合金元素抗氧化性能的差异导致不同碳化物抗氧化性能的不同，在A、B两种半高速钢中，富铬的M₇C₃具有非常好的抗氧化性能，在600℃氧化30min，观察不到它的氧化；富钼的M₂C自身虽然具有较好的抗氧化性能，但由于与基体交错相间生长，其表面容易被临近基体表面横向生长的氧化产物所覆盖；强碳化物形成元素铌形成的MC型碳化物抗氧化性能最差，氧化产物不但凸出基体表面，而且每个氧化区域均有裂纹产生。

3  结论

    (1)半高速钢A、B中合金元素种类和含量的不同导致碳化物类型存在一定差异，A钢中碳化物为富铬的M₇C₃和富钼的M₂C；B钢中碳化物为富铌的MC、富铬的M₇C₃和富钼的M₂C。

    (2)富铌的MC碳化物抗氧化性能最差，氧化产物不但凸出基体表面，而且每个氧化区域均有裂纹产生；富钼的M₂C型碳化物自身具有较好的抗氧化性能，但由于与基体交错相问生长，其表面容易被临近基体表面横向生长的氧化产物所覆盖；富铬的M₇C₃型碳化物具有最佳的抗氧化性能。

                                                                                                  周  利1,2，  孙大乐2，  刘常升1，  董丹阳1