Page 22 - 摩擦学学报2025年第10期
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第 10 期                   程建国, 等: 1种高速钢轧辊材料高温氧化与摩擦磨损行为研究                                     1419

                                                                         [22]
            定的临界厚度后，随着热应力和生长应力的增加，由                            磨性. Liu等 则采用了2种不同的高速钢与GCr15钢
            于氧化膜很难通过塑性变形来松弛应力，故而当应力                            摩擦副在室温下进行摩擦磨损试验，发现高速钢的碳
                                                    [3]
            累积到一定量时，氧化膜便会发生开裂和剥落 ，这会                           化物越细小，越接近球型，摩擦磨损产生的划痕更均
                                                      [2]
            影响轧制品的质量，严重时甚至会导致生产事故 .                            匀，塑性变形也越小，同时氧化膜越完整，摩擦系数
                在轧制过程中，高速钢轧辊发生不均匀磨损、热                          越小，磨损率越低. 因此如今高速钢为了增强其硬度
            裂和氧化膜保持不良等问题，主要与高速钢轧辊组织                            和耐磨性，逐渐向细化碳化物颗粒并使其具有球形
                                                                         [23]
            结构非均质性以及高温氧化等密切相关                   [8-10] . 通常轧   的方向发展 . 氧化层对高速钢的摩擦磨损也起到关
            辊在使用过程中，辊面与热轧带钢接触后温度快速提                            键性作用，前人也对此进行了大量的研究. Zambrano
            升至大约700 ℃，随着冷却水的冷却和轧辊的旋转，                          等  [24] 认为高速钢的摩擦磨损和其氧化膜密切相关，
            辊温快速下降至大约50 ℃，而在高温段的降温速率远                          均匀的氧化膜能有效降低摩擦系数，不均匀的氧化膜
                                    [11]
                                                [12]
            远大于在低温段的降温速率 . 对此Yin等 利用热重                         则会降低基体黏附性，导致氧化物颗粒容易脱落，从
                                                                                    [25]
            分析对高速钢轧辊的氧化温度及氧化速率进行了研                             而加剧磨粒磨损. Hao等 则在500 ℃下进行了高速
            究，结果表明当氧化温度低于600 ℃时，氧化膜生长                          钢/B445J1M钢摩擦副的摩擦磨损试验，结果表明高速
                               2
            速率缓慢(<0.5 mg/cm )，而600 ℃后氧化膜生长速率                   钢的摩擦过程分为2个阶段，分别为摩擦系数快速下
            快速提高，并且温度越高，氧化膜保护作用越低，直到                           降和稳定阶段，同时摩擦过程中高速钢表面的氧化物
            氧化膜发生剥落，整个氧化过程中氧化动力学曲线均                            会快速磨损，导致摩擦过程更容易出现黏附磨损.
                                                                     [26]
            保持抛物线规律. 周利则等             [13] 考察了1种高速钢在           Yuan等 则采用了高速钢/Cr12MoV钢摩擦副同样在
            500、650和800 ℃下恒温氧化2 h的氧化行为，其氧化                     500 ℃下进行摩擦试验，也认为摩擦过程存在黏着磨
            动力学曲线均为直线型，且氧化过程中碳化物基本不                            损，同时伴随着氧化层的剥离会在配副上产生凸起块

            氧化，氧化主体为基体. 由于实际轧制工况下存在冷                           状氧化层，摩擦过程中产生的磨屑亦会将高速钢的摩
            却水，空气环境下的氧化性不能真实反应高速钢轧辊                            擦面擦伤，出现沟槽. 因此，研究高速钢轧辊材料的摩
            实际的氧化行为，因而必须考虑冷却水对氧化行为的                            擦磨损性能，阐明其磨损机制，探讨轧辊材料和配副
                 [14]
            影响 . 部分学者对高速钢在潮湿环境(水蒸气)下的                          减摩抗磨机制，将对轧辊材料减磨增寿、轧材质量提
                                              [15]
            高温氧化行为进行了研究，Monteiro等 认为当高速                        升和生产效率提高等均有助益. 因此本文中将通过对
            钢样品在水蒸气环境下进行氧化时，将不再遵循抛物                            1种高速钢样品恒温氧化、循环氧化和摩擦学行为的
            线规律，同时表面的氧化物相对于干燥条件下呈现更                            对比研究，探讨高速钢在干燥环境(恒温氧化)和水冷
            为松散的结构，使其更容易剥落. Delaunois等 则认为                     环境(循环氧化)下的氧化行为，阐明其氧化动力学；并
                                                  [16]
            高速钢在水蒸气环境下氧化动力学曲线依旧呈抛物                             探讨其高温摩擦磨损行为和磨损机制，分析其氧化和
            线，且氧化表面会出现很多裂缝，同时高速钢的硬度                            摩擦后氧化膜的成分、显微组织变化规律及机理，为
                         [17]
            会下降. Kim等 在600 ℃水蒸气环境内进行氧化研                        后续高速钢轧辊氧化与摩擦关系的研究奠定基础，并
            究时发现氧化层分为2层，表层以多孔氧化物为主，而                           对生产实际提供指导.
            内层以致密氧化物为主，这种结构导致在水蒸气环境
            下氧化层的厚度要更厚. Garza-Montes-de-Oca等            [18]    1    试验方法
            在氧化温度为550和600 ℃时加入水蒸气，发现铁和水                            高温氧化和摩擦试验的示意图如图1所示. 本文
            蒸气之间发生了额外的氧化反应，加速了磁铁矿的生                            中使用的高速钢样品由中钢集团邢台机械轧辊有限
            成从而促进氧化层的生长. 但在实际轧制过程中，冷                           公司提供，其主要化学成分列于表1中.
            却水直接与轧辊接触，与水蒸气环境有所不同. 因而                               恒温氧化试验和循环氧化试验均采取不连续称
            研究高速钢材料在水冷环境下的氧化行为很有必要.                            重法. 氧化试验样品为          Φ15 mm×11 mm的高速钢圆
                同时，轧制过程中除了水热等环境造成的损失外，                         柱，使用金相磨抛机[LAP-2MV，耐博检测技术(上
                                             [19]
            轧辊与轧件的摩擦磨损也会造成辊耗 ，而高速钢轧                            海)有限公司，中国]分别用60目、400目和1 200目的砂
                                               [20]
            辊耐磨性的关键因素为其本身的碳化物 . Phan等                   [21]   纸将样品表面磨光，再将磨好的试样浸入无水乙醇溶
            预测了碳化物占比对工作辊抗磨粒磨损能力的影响，                            液中，使用超声清洗器(KQ-500，昆山市超声仪器有限
            同时说明了球形碳化物比簇形碳化物具有更强的耐                             公司)进行超声处理15 min. 将清洗好的样品晾干后置
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