王學(xué)鋒
(中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司,河北054025)
中國(guó)的鋼鐵行業(yè)進(jìn)入了高質(zhì)量發(fā)展時(shí)代,中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司作為冶金壓延領(lǐng)域的重要軋輥加工配套企業(yè),也要順應(yīng)鋼鐵業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求,加快新產(chǎn)品的研發(fā)和轉(zhuǎn)型升級(jí)。傳統(tǒng)的軋制黑色產(chǎn)品的軋輥已風(fēng)光不在,中鋼邢機(jī)只有加快高端軋輥技術(shù)研發(fā),不斷開(kāi)拓市場(chǎng),才能持續(xù)保持軋輥加工制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)家新材料戰(zhàn)略的發(fā)展,不銹鋼、硅鋼、鋁銅合金、鈦鎂合金等超薄極薄帶材,高精度帶材需求量日益上升,多輥軋機(jī)就是軋制此類帶材的主要設(shè)備,它具有廣闊的市場(chǎng)容量和市場(chǎng)前景,而多輥軋機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是其工作輥的研發(fā)。
多輥軋機(jī)是指具有良好剛性的塔形輥系特殊結(jié)構(gòu)軋機(jī),其原理是利用小直徑軋輥軋制,以較大直徑軋輥支承,軋制壓力通過(guò)支承輥、中間輥施加。多輥軋機(jī)是由工作輥、中間輥和支承輥組成,有Y型軋機(jī)(七輥軋機(jī))、八輥軋機(jī)、十二輥軋機(jī)、十四輥軋機(jī)、十八輥軋機(jī)、二十輥軋機(jī)等型式。采用小直徑工作輥,可以使軋制變形抗力顯著減小,然而輥徑的減小會(huì)出現(xiàn)剛性不夠的問(wèn)題,為了解決這一矛盾,就需要有良好剛性的塔形支承輥系。因此,工作輥的基本作用是使軋制材料產(chǎn)生塑性變形,并承受產(chǎn)生的軋制力[1]。多輥軋機(jī)工作輥見(jiàn)圖1。
圖1 多輥軋機(jī)工作輥
不銹鋼、硅鋼、鋁銅合金、鈦鎂合金等材料屬于難軋制材料,塑性變形能力較黑色金屬差,軋材各向異性顯著,軋制反彈力高。由于軋機(jī)、軋材兩方面原因,多輥軋機(jī)工作輥工作條件十分苛刻,要求軋輥精度高、強(qiáng)度高、硬度及耐磨性高?;趯?duì)多輥軋機(jī)工作輥的使用條件和失效形式的分析,通常對(duì)其性能有以下要求:
(1)具有高的硬度和高的硬度均勻性。由于軋材種類、規(guī)格、軋制工藝、軋機(jī)條件等的不同,對(duì)軋輥適用性的要求也是不同的,同類型的軋機(jī)在不同廠家使用,對(duì)軋輥的硬度要求也是有差異的。多輥軋機(jī)工作輥的硬度是主要性能指標(biāo),可以保證軋材板型控制和表面質(zhì)量。硬度指標(biāo)包括硬度、硬度均勻性、沿直徑方向的硬度降落。
(2)具有嚴(yán)格的組織要求。多輥軋機(jī)工作輥組織是細(xì)針狀馬氏體和均勻分布的細(xì)小碳化物。工作輥輥身表面耐磨性是依靠高耐磨的組織,主要取決于馬氏體基體組織中未溶碳化物的類型、數(shù)量及分布特征,而不是依靠組織中加入的耐磨相。
(3)具有高的抗事故能力。多輥軋機(jī)工作輥?zhàn)鳛榉菢?biāo)件,抗事故能力主要是指軋輥能夠適應(yīng)特定的使用條件,穩(wěn)定發(fā)揮功能的特性。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),無(wú)論軋輥具備什么性能要求,目的都是要保證軋鋼生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。
多輥軋機(jī)工作輥的性能要求決定技術(shù)條件。多輥軋機(jī)工作輥技術(shù)條件一般包含:化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能、硬度、超聲波檢驗(yàn)、加工精度等要素。以國(guó)內(nèi)某一鋼廠為例,多輥軋機(jī)工作輥的技術(shù)條件如下:
(1)化學(xué)成分要求,見(jiàn)表1。
(2)產(chǎn)品硬度要求,見(jiàn)表2。表中HRC 為洛氏硬度,HSD 為肖氏硬度,M2 材質(zhì)為Cr12MoV。
(3)機(jī)械性能要求,見(jiàn)表3。
(4)多輥軋機(jī)工作輥不得有肉眼可見(jiàn)的氣孔、夾渣、裂紋、砂眼、亮斑、劃痕、麻點(diǎn)、凸塊等缺陷,超聲波探傷檢測(cè)達(dá)到GB13314-2006 附錄A 級(jí)要求。
(5)多輥軋機(jī)工作輥輥面粗糙度≤Ra0.2 mm,圓柱度、同軸度≤Φ0.005 mm,不允許有“振紋”。
表1 工作輥的成分組成 /%
表2 工作輥的硬度要求
表3 工作輥的機(jī)械性能要求
多輥軋機(jī)工作輥制作工藝完全不同于普通合金冷軋輥,其制作過(guò)程更加復(fù)雜,成材率大約在87%左右,多輥軋機(jī)工作輥的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下:
(1)多輥軋機(jī)工作輥材質(zhì)特殊,屬于鉬系高速鋼,淬透性較好,但易產(chǎn)生較大應(yīng)力,具有較大開(kāi)裂傾向。淬火溫度較高,淬火易產(chǎn)生彎曲變形和堆積變形。
(2)多輥軋機(jī)工作輥結(jié)構(gòu)特殊,是典型的“超細(xì)長(zhǎng)軸”,形位精度和表面粗糙度難以控制。材質(zhì)導(dǎo)熱性差,磨削過(guò)程中易發(fā)生磨削燒傷。
根據(jù)以上的技術(shù)分析,確定了多輥軋機(jī)工作輥的加工工藝。
(1)為進(jìn)一步改善工作輥的碳化物形態(tài),淬火前增加高溫調(diào)質(zhì)處理,作好組織準(zhǔn)備。
(2)工作輥采用垂直整體加熱淬火,進(jìn)行二次預(yù)熱。淬火溫度控制在碳化物最大溶解奧氏體,同時(shí)不至晶粒過(guò)分長(zhǎng)大的合理溫度區(qū)間內(nèi)。
(3)中心孔是軋機(jī)工作輥加工精度保證的基準(zhǔn),為保證同軸度Φ0.005 mm,采用強(qiáng)力熱壓頂研的工藝方法加工兩端中心孔。
(4)多輥軋機(jī)工作輥磨削是保證軋輥輥型的最終工序,由于軋輥剛性較差,因此采用托磨方式。
多輥軋機(jī)工作輥的制作技術(shù)中,淬火工藝是一個(gè)重要環(huán)節(jié),其材質(zhì)屬于W-Mo 系萊氏體鋼,淬透性高,碳化物的溶解及奧氏體晶粒的長(zhǎng)大是決定M2 材質(zhì)淬火性能的重要因素。
多輥軋機(jī)工作輥淬火采用新型熱處理爐,制作專用吊具,產(chǎn)品批量垂直加熱,垂直整體淬火。這樣,減少了工作輥的熱應(yīng)力和熱變形,消除了氧化脫碳層的產(chǎn)生。
為確定M2 材質(zhì)的淬火冷卻參數(shù),試驗(yàn)輥設(shè)計(jì)了四個(gè)溫度的淬火試驗(yàn)?;鼗鹎昂突鼗鸷蠓謩e檢測(cè)硬度對(duì)照比較,檢測(cè)回火后金相組織和晶粒度,切片分析不同溫度下殘奧量,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選擇目標(biāo)金相組織,從而確定合理淬火溫度。
在正常淬火加熱溫度下,采用空冷方式,出現(xiàn)貝氏體組織,軋輥硬度偏低。采用水基淬火介質(zhì),冷卻速度較快,因應(yīng)力過(guò)大軋輥極易出現(xiàn)縱向裂紋,甚至開(kāi)裂、崩斷。因此,通過(guò)多次研究機(jī)理,多次進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)淬火介質(zhì)特性,淬火采取預(yù)冷、高溫段快速冷卻,低溫段緩慢冷卻的冷卻制度。
多輥軋機(jī)工作輥回火在電加熱空氣循環(huán)爐進(jìn)行,同淬火相同,軋輥垂直懸置,減少回火變形。由于M2 材質(zhì)有二次硬化特性,所以進(jìn)行三次高溫回火,促使殘奧充分轉(zhuǎn)變,消除內(nèi)應(yīng)力。
多輥軋機(jī)工作輥淬火后硬度檢測(cè)結(jié)果:輥面硬度檢測(cè)兩條母線8 個(gè)檢測(cè)點(diǎn),其硬度為64~65HRC,滿足表2 中規(guī)定的工作輥的硬度要求。通過(guò)解剖試驗(yàn)輥檢測(cè)淬硬層深度,心部硬度達(dá)到60HRC 以上。
圖2 為多輥軋機(jī)工作輥熱處理后金相組織照片。從圖3 中可以看出工作輥金相組織主要是:馬氏體+少量殘奧+碳化物,晶粒度11 級(jí)。
圖2 工作輥熱處理后金相組織
多輥軋機(jī)工作輥?zhàn)罱K加工是磨削工序,是保證軋輥精度、保持軋輥輥型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的疊加因素,多輥軋機(jī)工作輥磨削加工難度系數(shù)極大,磨削中易出現(xiàn):輥面粗糙度偏低,達(dá)不到軋制要求;輥面直線度差,出現(xiàn)中凸現(xiàn)象;輥面有輕微振紋、螺旋紋等質(zhì)量問(wèn)題。
磨削多輥軋機(jī)工作輥,要具有三要素:磨床、砂輪、磨削方法。
(1)磨床的選擇。要選用高精度數(shù)控軋輥磨床,這是保證產(chǎn)品精度的設(shè)備條件。
(2)砂輪的選擇。砂輪的選擇主要包含砂輪材質(zhì)、粒度、硬度、結(jié)合劑等技術(shù)參數(shù),經(jīng)多次磨削試驗(yàn),選定了綠色碳化硅砂輪,樹(shù)脂結(jié)合劑,硬度為中硬,粗磨選用80#砂輪,精選用180#砂輪。
(3)磨削方法的確定。磨削方法分為粗磨、精磨、光磨三個(gè)工步。磨削前檢測(cè)磨削部位直徑,從余量最大處開(kāi)始磨削,砂輪進(jìn)給均勻,砂輪同時(shí)要及時(shí)修整,保持鋒利,冷卻液要充足,嚴(yán)禁任何程度的燒傷現(xiàn)象。
(1)勤測(cè)量,保證合理的磨削量,避免產(chǎn)生磨削燒傷和磨削裂紋。
(2)合理選擇冷卻方法,磨削過(guò)程的冷卻效果不僅取決于磨削液,更取決于磨削液是否能有效注入磨削區(qū)。
(3)及時(shí)更換切削液,保證切削液的純凈度,無(wú)磨削拉毛現(xiàn)象。
多輥軋機(jī)工作輥磨削檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4,從表4 的結(jié)果可以看出,按上述磨削工藝加工的工作輥符合客戶對(duì)工作輥輥面粗糙度、圓柱度和同軸度的要求。
表4 工作輥磨削檢測(cè)結(jié)果
在多輥軋機(jī)工作輥的研制過(guò)程中,根據(jù)多輥軋機(jī)工作輥的性能要求和技術(shù)條件要求,通過(guò)技術(shù)分析制定了軋輥的加工工藝、熱處理工藝和磨削。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和工藝的調(diào)整,最后成功的研制出多輥軋機(jī)工作輥產(chǎn)品,一次通過(guò)用戶驗(yàn)收,完全達(dá)到圖紙技術(shù)要求。經(jīng)過(guò)上機(jī)試軋制3 個(gè)月,換輥周期延長(zhǎng)了10%,輥耗較同類產(chǎn)品降低了16%,受到用戶的高度評(píng)價(jià)。多輥軋機(jī)工作輥制作是系統(tǒng)工程,需要冶煉、鍛造、熱處理、車(chē)削、磨削綜合因素,才能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。