胡 兵，王延青，杜旭景，楊 靜，田春霞

（1.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北邢臺 054025；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北邢臺 054025）

隨著型鋼軋線效率的不斷提升，半鋼等常規(guī)鑄鋼材質已無法滿足型鋼線連續(xù)軋制的需求，型鋼用開坯輥材質向高強度、高耐磨性的方向發(fā)展，材質設計逐步由低合金向高合金轉變。中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司作為全球最大的帶鋼及型鋼軋輥生產基地，積極開發(fā)了具備高強度及耐磨性的Cr5 鍛造工具鋼材質，如何制定出與之配套的熱處理工藝成為當前主要需解決的難題。因型鋼線用的開坯輥均為孔型輥，為保證槽底良好的耐磨性，需開槽熱處理，整體加熱及冷卻的熱處理方式已無法滿足輥身輥頸差異化的技術要求，目前鮮有文獻針對型鋼軋機用BD 輥的輥身輥頸差異化熱處理研究。

本文以中鋼邢機為某國外客戶研發(fā)的Cr5 鍛鋼BD 輥為背景，介紹了鍛造高合金工具鋼的熱處理工藝研究過程。

1 熱處理中試試驗

型鋼軋線BD 輥應用于型鋼軋線開坯機架，需具備良好的抗熱裂性及抗粘接性能。針對用戶有輥役延長的需求，中鋼邢機對BD 輥進行了材質提升，Cr5 鍛造工具鋼BD 輥合金含量高，具備良好的抗熱裂性、耐磨性及抗粘接性能。值得注意的是，Cr5 鍛造工具鋼BD 輥如采用整體熱處理方式極易造成輥身輥頸同時淬上火，尤其輥頸規(guī)格細，容易出現輥頸與輥身均達到較高硬度，甚至輥頸含有大量馬氏體組織導致韌性下降。因此，筆者認為采用整體熱處理方式不可行，采用的熱處理方式需保證輥身、輥頸差異化熱處理，同時滿足輥身高強度、輥頸高韌性的設計目的。

型鋼軋線用BD 輥輥身存在深窄孔型，粗加采用平輥進行熱處理造成后期開孔型過程中淬硬層被去除，導致深窄孔型工作部位硬度偏低，進而出現不耐磨、粘鋼的情況發(fā)生。在冷熱交替的使用環(huán)境下產生熱裂紋，降低軋輥的使用壽命和承載能力[1]。粗加預開孔型差溫熱處理因槽幫與槽底溫度場不同，在加熱過程中輥身容易出現槽幫過燒、或槽底加熱不足奧氏體化不充分的情況產生，兩者均會造成產品返修甚至報廢。

針對預開孔型熱處理導致的輥身槽幫過燒及槽底奧氏體化不充分的問題，筆者通過試驗室中試試驗，確定材質的加熱溫度范圍，并應用DEFORM軟件對熱處理工藝進行了模擬研究分析。

2 試驗室中試試驗

通過對Cr5 鍛造工具鋼BD 輥材質的膨脹儀曲線進行測定，確定鍛造工具鋼的Ac1為793℃，Ac3溫度為875℃，不同冷速MS點范圍為300～380℃。同時，根據膨脹儀曲線，馬氏體轉變的臨界冷速速率為6℃/min。

在毛坯輥身上切取軸向寬20mm，徑向深度60mm 的方形試樣進行中試試驗。Cr5 鍛造工具鋼為亞共析鋼，其淬火加熱溫度應在Ac3+（30～50）℃。分別選取900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃加熱溫度進行加熱，試驗編號分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#，加 熱 時 間60min，冷卻方式采用水冷，回火溫度按530℃，回火保溫時間6h。

不同工藝條件下的金相檢測結果顯示，奧氏體化溫度900～1000℃范圍內，組織均為馬氏體+回火索氏體+少量碳化物，對比不同溫度金相圖片，當奧氏體化溫度達到1000℃時，組織明顯粗大（試樣10）。因此，確定奧氏體化溫度范圍為900～980℃。

3 熱處理方案制定

早期在對BD 輥產品進行差溫熱處理時，為防止槽幫過燒同時保證槽底奧氏體化充分，對輥身槽底及槽幫部位焊偶測溫，實測數據表明槽幫較槽底溫度高50～60℃，但輥身焊偶測溫在冷卻過程中焊偶部位容易產生淬火裂紋[2]，不能作為長期的工藝措施，我們利用中鋼邢機國家重點試驗室DEFORM軟件，對不同熱處理工藝進行了模擬。

3.1 DEFORM 模擬

3.1.1 模擬物性參數

物性參數作為模擬結果與實際是否相符的關鍵，我們根據焊偶測溫的實測值及積累的鉆孔測溫數據，測量得出Cr5 鍛造工具鋼的熱傳導系數、比熱容等物性參數，如表1 所示。

3.1.2 模擬過程

利用中鋼邢機軋輥復合材料國家重點試驗室DEFORM模擬軟件，對Cr5 鍛造工具鋼BD 輥差溫熱處理進行模擬，產品差溫加熱前的預熱溫度按400℃進行設定。

如圖2 所示差溫加熱工藝，利用DEFORM模擬軟件對工藝進行模擬，共計230min，模擬時每10min 為一個步驟提取一次數據，共提取23 次數據。從提取的溫度數據看，槽幫表面部位最高溫度974℃，槽底表面部位最低溫度945℃，均符合最佳的淬火加熱溫度范圍。同時，在工藝結束時，槽底深度100mm 范圍內溫度均在930℃以上，因此工作層范圍內奧氏體化溫度均能滿足中試試驗淬火加熱溫度范圍900～980℃。

表1 Cr5 鍛造工具鋼物性參數

3.2 工藝方案制定

為保證Cr5 鍛造工具鋼BD 輥輥身高硬度、高耐磨的同時，輥頸及芯部獲得良好的組織形態(tài)及韌性，要求輥頸及輥身芯部組織保持為調質態(tài)，輥身為淬火態(tài)。為此，在輥身淬火前，需對產品整體進行調質處理，保證輥頸及輥身芯部獲得韌性良好的珠光體組織。

3.2.1 調質工藝

圖3 為Cr5 鍛造工具鋼的調質熱處理工藝。

3.2.2 差溫熱處理工藝

根據中試試驗及DEFORM模擬結果，制定差溫加熱工藝，根據Cr5 鍛造工具鋼馬氏體轉變臨界冷速速率為6℃/min，采用中鋼邢機臥式噴淬機冷卻時冷速可滿足冷速要求，回火溫度與中試試驗的回火溫度一致，按兩段回火，回火溫度530～560℃。實際執(zhí)行差溫熱處理工藝如圖4 所示。

圖2 熱處理差溫加熱工藝模擬

圖3 調質熱處理工藝

4 性能檢測

通過調質及差溫熱處理，輥身及輥頸硬度均滿足用戶要求，如表2 所示。

檢測輥身組織為馬氏體、殘奧+少量碳化物，輥頸組織為珠光體+碳化物，符合設計目的。

在輥身部位切取試片逐層檢測宏觀、微觀硬度及顯微組織，從宏觀及顯微檢測結果看，工作層50mm 范圍內宏觀硬度落差控制在HS3 以內，顯微硬度落差控制在HV20 以內，試環(huán)組織均為索氏體+少量馬氏體、殘奧+碳化物，如表3 所示。

表3 輥身宏觀、顯微硬度及組織

表4 輥身及輥頸機械性能檢測數據

同時，檢測試環(huán)顯微組織均為馬氏體+回火索氏體+少量碳化物，試環(huán)組織正常，未出現組織過燒的情況。

同時，分別切取輥身及輥頸試片檢測機械性能如表4 所示。

從檢測結果看，按制定的熱處理方案進行熱處理，既保證了輥身高硬度、高強度，又保證了輥頸的高韌性，輥身及輥頸各項性能指標均符合技術要求。

輥身組織均為索氏體+少量馬氏體、殘奧+碳化物。根據產品機械性能數據，輥身具備較高的強度，從輥頸斷面延伸率及斷面收縮率看，輥頸韌性良好。因此，預開孔型的鍛造工具鋼經差溫熱處理后輥身具有高強度、高耐磨的同時，輥頸具有高的韌性，達到了工藝設計目標。

圖5 輥身顯微組織圖

圖6 國外用戶A 型鋼軋線半鋼BD 輥下機輥面

圖7 國外用戶A 型鋼軋線鍛造工具鋼BD 輥下機輥面

5 實際效果驗證

中鋼邢機研發(fā)的鍛造工具鋼BD 輥，已供貨國外廠家共計30 余支，技術條件均滿足用戶要求。國外某用戶反饋的使用結果顯示，中鋼邢機供貨的鍛造工具鋼BD 輥較普通的半鋼材質單次過鋼量提高近3 倍，同時解決了半鋼BD 輥出現的不耐磨及下機輥面粗糙的問題。

6 結論

通過以上研究，得出結論如下：

（1）利用DEFORM設計差溫熱處理工藝較準確的指導了熱處理工藝的制定，避免了輥身焊偶導致的工序復雜及熱處理開裂等質量問題，模擬指導的差溫熱處理工藝能較好的應用于實際生產。

（2）中鋼邢機通過預開輥身孔型進行差溫熱處理的Cr5 鍛造工具鋼BD 輥既保證了輥身高硬度、高強度的同時，也滿足輥頸高韌性的工藝要求。

（3）中鋼邢機Cr5 鍛鋼工具鋼BD 輥較常規(guī)鑄鋼軋輥單次過鋼量提高近3 倍，下機輥面光滑，使用效果良好。