高速钢轧辊的氧化过程与损伤机制研究

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1、Ph．D．DissertationofNortheasternUniversity摘要高速钢轧辊的氧化过程与损伤机制研究摘要均匀、连续、光滑的氧化膜对高速钢轧辊的耐磨性和抗表面粗糙化起着至关重要的作用，直接影响轧辊的使用性能和轧材质量。但目前对高速钢轧辊氧化膜的形貌、相结构、形成过程的氧化动力学、损伤机制、使用性能、保持氧化膜形态的使用技术等问题，均缺乏理深入系统的研究。随着高速钢轧辊的普及和推广，急需对高速钢轧辊氧化膜的形成和损伤机制开展深入研究，建立高速钢轧辊氧化膜的有效控制对策，无疑具有重要的理论意义和实用价值。本文对不同高速钢轧辊材料的组织进行了表征，分析了合金元素

2、在高速钢中的存在形式及所起作用，重点研究了碳化物类型、形态和分布；对高速钢材料在空气、一定露点水蒸汽、100％水蒸汽中的氧化行为进行了研究，着重分析了氧化温度、露点温度、氧化介质对氧化膜形貌、相结构、氧化动力学的影响；采用激光作为手段模拟研究了热轧辊材料的冷热疲劳行为，分析了熟轧辊材料的热疲劳失效机制；根据氧化膜现场跟踪实验结果，结合氧化膜受力分析总结了热轧辊表面氧化膜的形成及损伤机制。研究结果表明：高碳高钒系列高速钢轧辊材料的金相组织主要由基体(马氏体)，碳化物(富钒的MC；富钨、钼的M2C和M6C)和残余奥氏体组成；钨含量越高，粗大的网状碳化物越容易在晶界析出。MC型碳

3、化物的分布受钨含量和晶粒大小影响，低的钨含量和小的晶粒尺寸有利于MC在基体中均匀分布；M2C和M6C型碳化物经常在晶界处偏聚析出，钨当量越高，M2C和M6C的量越多；铬元素主要固溶在基体中。高速钢在空气中氧化时，氧化动力学曲线呈线性变化，氧化相主要为Fe203，氧化膜不具有保护性。高速钢在一定露点水蒸汽中的氧化动力学曲线呈抛物线函数变化，氧化相主要为Fe203和Fe304，氧化膜具有一定保护性，伴随露点的提高，Fe304相含量增加；氧化温度变化对高速钢表面氧化膜形貌影响显著；同一Ph．D。DissertationofNortheasternUniversity摘要氧化温度下

4、露点的变化，对氧化增重产生明显影响，H20的介入使氧化速率明显提高(与空气中比较)。无论高速钢在空气中或在一定露点水蒸汽中氧化，在575℃部分富钒的碳化物区域发生氧化，并且在局部比基体氧化更为严重，伴随露点温度的升高和铬含量的增加，富钒的MC型碳化物的氧化程度减弱；在低于相变温度下氧化，增加铬含量有利于材料抗氧化性能的提高。高速钢在100％水蒸汽中氧化，在650℃以下，氧化产物主要为Fe304，氧化膜致密、均匀，在500、575℃恒温氧化，没有明显的氧化增重，在650。C恒温氧化，氧化初期增重较快，随氧化时间延长，氧化增重曲线基本保持水平直线，说明该氧化膜具有较好的保护性；

5、在725、800。C恒温氧化，氧化产物为Fe304和Fe203，氧化动力学曲线呈抛物线函数变化；在575℃，富钒的碳化物没有发生氧化。循环交变的热应力是引起热轧辊表面材料冷热疲劳的主要原因：在轧制过程中，由于基体与碳化物的热膨胀系数不同，交变的热应力使基体与碳化物交界处产生应力集中，随着rfL$IJ时间的延长，在基体与碳化物交界处首先萌生疲劳裂纹，逐渐失去基体握裹力的碳化物在外界轧制剪切力的作用下发生剥落(主要发生在轧制区内)，造成辊面疲劳失效，而在基体内没有观察到裂纹产生。此外，碳化物尺寸越大对冷热疲劳越敏感，在外部剪切轧制力作用下越容易剥落，而细小弥散分布在基体中的碳化

6、物则具有较好的抗冷热疲劳性能。采用激光作为研究手段成功模拟了热轧辊急冷急热的工况条件，再现了热疲劳裂纹的萌生过程。由于未能施加轧制载荷，故与实际工况有所差别。热轧辊表面氧化膜内裂纹主要由热应力引起，裂纹与晶界处析出的共晶碳化物分布存在对应关系：轧辊在急冷急热工况条件下，基体与碳化物交界处首先萌生裂纹，氧化膜内裂纹也在对应位置形成，并在热应力和轧制剪切力的作用下裂纹逐渐连接呈网状分布。晶界处粗大碳化物对辊面形成连续、致密的氧化膜是非常不利的，基体中细小弥散分布的碳化物可以提高轧辊的抗冷热疲劳性能。在正常轧制工况下，高速钢轧辊辊面氧化和摩擦磨损是一个动态平衡过程：使用初期辊面在

7、高温下氧化迅速生成一层氧化膜，摩擦磨损过程使氧化膜减薄，同时通过Ph．D．Dissel’tationof】Nol。theasternUniversity摘要离子穿越氧化膜的扩散过程，工作层材料不断被氧化，使氧化膜维持在～个相对稳定的厚度。一个磨辊周期内每个轧制计划完成后氧化膜形貌具有遗传性：即随着轧制计划的延长，裂纹逐渐增多、加深、加宽；另外，由于裂纹导致的局部氧化膜剥落和冷热疲劳导致的局部碳化物剥落而产生的凹坑使氧化膜的覆盖率逐渐降低，同时剥落物进一步加剧了磨粒磨损，辊面质量逐渐恶化。关键词：高速钢轧辊碳化物氧化