高速钢离心复合铸造轧辊的研究

论文摘要

本文利用金相法、X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱等手段，对Fe-1.8％C-4％V-4％Mo-5％Cr-X％W合金系高速钢复合轧辊、对不含钨的Fe-1.8％C-5％Cr-5％Mo-6％V高速钢的显微组织、热处理工艺及性能进行了系统的分析。研究了钨、碳、钒、铌含量对高速钢材质的影响。研究了利用RE、Ti、Mg、V及其复合剂进行变质处理对各种碳化物的形貌、尺寸、分布及体积分数的影响；研究了变质处理对复合轧辊用高速钢热处理工艺及性能的影响。本文采用三种方式：（1）砂型铸造；（2）内腔直径为φ12mm的金属型铸造；（3）φ180mm的金属型离心铸造。本文所得主要结果如下： 1 对Fe-1.8％C-4％V-4％Mo-5％Cr-X％W合金系高速钢进行了研究，结果表明： 1．1 高速钢凝固组织包括马氏体基体、残余奥氏体及各种类型的碳化物（如MC型碳化物、M2C型碳化物、M6C型碳化物和MC／M2C型复合碳化物），大部分MC型碳化物分布于晶粒内部，其它类型碳化物则沿晶界呈网状分布。当钨含量为2％时，组织中颗粒状的MC型碳化物主要含（原子百分比）V（31.70％），羽毛状的M2C型碳化物主要含Mo（6.47％）和W（1.57％），鱼骨状的M6C型碳化物主要含W（12.07％）和Mo（5.07％），MC／M2C型复合碳化物主要含Mo（6.17％）和W（1.46％）。 1．2 钨含量对高速钢凝固组织及碳化物的类型影响较大。钨含量较低时，晶界处碳化物主要为羽毛状的M2C型碳化物和MC／M2C型复合碳化物，晶内为颗粒状MC型碳化物；随着钨含量的增加，颗粒状的MC型碳化物减少，晶界处出现了较多的鱼骨状的M6C型碳化物，碳化物网更趋严重。 1．3 Nb可以促进高速钢中MC型碳化物生成，能与V形成复合MC型碳化物，增加碳化物密度，减轻离心偏析。在含钨高速钢中加入1.5％Nb，将使晶粒内部弥散的粒状MC型碳化物增加。合金元素V主要分布于颗粒状的MC型碳化物中，Mo主要形成M2C型碳化物沿晶界分布，Cr主要分布在晶界网状碳化物中。 1．4 不含W的高速钢在热处理过程中氧化现象较为严重，试块的氧化烧损量在10％左右，而含2.2％W试块的烧损量减至5％左右，较好地控制了高速钢在热处理时的氧化。 1．5 退火后，高速钢的硬度在37～40（HRC）之间，易于进行切削加工；其淬火峰值硬度出现在1000℃～1100℃温度之间，二次硬化温度为550℃。当钨含量为2％时，合适的热处理工艺为：（1）退火工艺：将试样加热到850～870℃，保温4h，随炉冷至750～760℃，保

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第一章引言

1.1 主题背景及研究意义

1.2 研究目标

1.3 研究内容

1.4 设计思路与技术路线

1.4.1 实验设计思路

1.4.2 技术路线

第二章文献综述

2.1 国内外高速钢轧辊的生产及应用概况

2.2 高速钢复合轧辊的制造工艺

2.2.1 离心铸造（CF）法

2.2.2 连续浇注复合法（CPC法）

2.2.3 电渣重熔（ESR）法

2.2.4 粉末冶金法

2.2.5 喷射沉积（Ospray）法

2.2.6 电渣外层金属液（ESSLM）法

2.3 轧辊用高速钢的组织特点

2.4 高速钢中主要碳化物类型及特性

2.5 高速钢轧辊的组织分析方法

2.6 高速钢中化学成分的作用

2.6.1 碳

2.6.2 钒

2.6.3 铌

2.6.4 钨

2.6.5 钼

2.6.6 铬

2.6.7 钴

2.7 高速钢轧辊材料的力学性能及物理性能

2.8 高速钢轧辊的热处理工艺

2.9 铸造高速钢轧辊的变质处理

2.9.1 钛

2.9.2 稀土

2.9.3 钾、钠

2.9.4 镁

2.9.5 铌

2.9.6 硼

2.9.7 变质处理对高速钢性能的影响

2.10 我国高速钢轧辊今后的研究方向

第三章实验方案

3.1 合金的制备

3.1.1 制型的选择

3.1.2 金属型的预热和喷涂料

3.1.3 熔炼及浇注

3.1.4 离心铸造工艺参数

3.2 金相组织观察

3.2.1 金相观察

3.2.2 SEM结合EDS分析

3.2.3 XRD分析

3.2.4 残余奥氏体测试

3.3 性能测试

3.3.1 硬度

3.3.2 强度

3.3.3 冲击韧性

第四章钨对高速钢轧辊材质的影响

4.1 成分设计

4.1.1 碳

4.1.2 钨

4.1.3 铌

4.2 钨对高速钢轧辊材质凝固组织的影响

4.3 铌对高速钢轧辊材质凝固组织的影响

4.4 高速钢轧辊材质热处理工艺的设计

4.4.1 退火

4.4.2 淬火

4.4.3 回火

4.5 化学成分对高速钢轧辊材质热处理组织及性能的影响

4.5.1 钨对高速钢复合轧辊热处理组织的影响

4.5.2 钨对高速钢热处理后性能的影响

4.6 分析和讨论

4.6.1 高速钢轧辊凝固过程的分析

4.6.2 高速钢铸态共晶碳化物形貌的形成

4.7 本章小结

第五章变质处理对高速钢轧辊材质的影响

5.1 高速钢变质处理的必要性

5.2 变质方案设计

5.3 变质处理对高速钢轧辊组织及性能的影响

5.4 变质处理对高速钢轧辊热处理组织及性能的影响

5.5 分析和讨论

5.5.1 Ti对高速钢轧辊变质处理的机理分析

5.5.2 Mg对高速钢轧辊变质处理的机理分析

5.6 本章小结

第六章不含钨离心铸造高速钢复合轧辊的组织和性能

6.1 实验条件

6.1.1 化学成分设计

6.1.2 变质处理

6.1.3 热处理工艺

6.2 砂型铸造和离心铸造辊环的实验结果

6.2.1 砂型铸件的组织和性能

6.2.1.1 退火态

6.2.1.2 淬火回火态

6.2.2 离心铸造轧辊的组织和性能

6.2.2.1 金相组织

6.2.2.2 硬度及抗拉强度

6.2.2.3 冲击韧性

6.3 不含W、Nb的高速钢辊环的热处理制度探索

6.3.1 热处理条件

6.3.2 实验结果

6.3.2.1 硬度测定结果

6.3.2.2 碳化物的检测

6.3.2.3 抗拉强度和冲击韧性

6.4 热处理温度对高碳高速钢轧辊性能的影响

6.4.1 金相组织

6.4.2 硬度

6.4.3 冲击韧性

6.5 分析和讨论

6.5.1 高碳高钒系高速钢的凝固过程

6.5.2 碳化钒形态及形成条件

6.5.3 碳化钒分布及形成条件

6.6 本章小结

第七章含W、Nb的高速钢辊环

7.1 试验条件

7.2 不同变质处理对高速钢组织的影响

7.3 各种高速钢的性能

7.3.1 硬度

7.3.2 显微硬度

7.3.3 抗拉强度和弹性模量

7.3.4 冲击韧性的比较

7.4 分析和讨论

7.4.1 稀土元素在高速钢中的作用

7.4.2 稀土变质处理的作用机理

7.5 本章小结

第八章离心复合高速钢轧辊的实际应用

8.1 试制目标

8.1.1 高速钢外层的金相组织

8.1.2 双金属的冶金结合强度

8.1.3 高碳高速钢外层的物理性能

8.1.4 高碳高速钢外层的机械性能

8.2 中试生产工艺

8.2 1 熔炼工艺

8.2.1.1 外层钢水熔炼

8.2.1.2 中间层钢水熔炼

8.2.1.3 芯部铁水熔炼

8.2.2 离心铸造工艺

8.2.2.1 冷型涂料挂料工艺

8.2.2.2 外层浇注工艺

8.2.2.3 中间层浇注工艺

8.2.2.4 填芯浇注工艺

8.2.3 热处理工艺

8.2.4 中试结果

8.2.4.1 硬度及金相组织分析

8.2.4.2 热处理工艺分析

8.2.4.3 扫描电镜及电子探针分析

8.2.5 中试小结

8.3 高速钢轧辊生产

8.3.1 高速钢轧辊的性能指标

8.3.2 高速钢轧辊的应用

8.3.3 工艺质量问题探讨

8.3.4 本文创新点、不足及后续研究

8.4 本章小结

第九章结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及获得的奖励和专利

致谢

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