李勇 陳先毅

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川61800)

冷、熱帶鋼軋機(jī)支承輥目前主要材質(zhì)有Cr3、Cr4和Cr5，其熱處理工藝模式主要為鍛后球化退火+預(yù)備熱處理+差溫表面淬火。其中鍛后熱處理的主要目的是消除鍛造應(yīng)力，保證其切削加工性能和超聲檢測(cè)性能，防止和消除白點(diǎn)，為預(yù)備熱處理做好組織準(zhǔn)備。某公司生產(chǎn)的部分支承輥在鍛后熱處理完成后粗加工無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)雜波較高，影響無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的判定。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)損檢測(cè)雜波較高的支承輥和無(wú)損檢測(cè)良好的支承輥主要差異在于鍛后入爐溫度存在較大差別。本文通過(guò)研究不同鍛后入爐溫度對(duì)支承輥鍛后處理和預(yù)備熱處理過(guò)程中工件內(nèi)部組織和性能的影響，確定支承輥雜波高的原因，同時(shí)掌握支承輥各階段內(nèi)部的組織和性能，實(shí)現(xiàn)支承輥鍛后熱處理和預(yù)備熱處理工藝的優(yōu)化。具體研究方法如下：模擬計(jì)算得出支承輥鍛后熱處理和預(yù)備熱處理過(guò)程中的支承輥內(nèi)部溫度曲線；小試樣按照模擬計(jì)算出的溫度曲線進(jìn)行熱處理；對(duì)不同階段的組織狀態(tài)和性能進(jìn)行檢測(cè)；提出工藝優(yōu)化建議。

1 鍛后熱處理和預(yù)備熱處理過(guò)程的工件溫度

1.1 鍛后熱處理工藝和預(yù)備熱處理工藝

根據(jù)鍛后入爐溫度的差別，制定了兩種鍛后熱處理方案：鍛后輥身空冷至650℃入爐和輥身空冷至450℃入爐，如圖1所示。預(yù)備熱處理工藝在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中一致性較好，因此只做一種工藝方案，如圖2所示。

圖2 預(yù)備熱處理工藝Figure 2 Preliminary heat treatment process

1.2 建立計(jì)算模型

本文模擬支承輥材質(zhì)為Cr3，化學(xué)成分見(jiàn)表1，尺寸見(jiàn)圖3所示，其中A點(diǎn)為本次試驗(yàn)關(guān)注的內(nèi)部溫度點(diǎn)(A點(diǎn)位置是容易出現(xiàn)缺陷較薄弱的位置)。采用DEFORM-2D來(lái)建立支承輥溫度計(jì)算的有限元模型，由于支承輥屬軸對(duì)稱體，故只需建立1/2平面軸對(duì)稱模型，如圖4所示。通過(guò)軟件JMatPro計(jì)算出支承輥的熱物性參數(shù)(熱導(dǎo)率、比熱容、相變潛熱等)、TTT曲線等數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入DEFORM軟件，通過(guò)DEFORM軟件的熱處理模塊進(jìn)行計(jì)算。加熱和空冷過(guò)程的支承輥表面綜合換熱系數(shù)參照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)置。

表1 支承輥化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of backup roll(mass fraction, %)

圖3 支承輥尺寸及小試樣模擬溫度曲線位置Figure 3 Backup roll size and simulated temperature curveposition of small sample

圖4 支承輥鍛后熱處理有限元模型及換熱邊界Figure 4 Finite element model and heat transfer boundaryof post-forging heat treatment of backup roll

(a)方案一：輥身空冷至650℃(b)方案二：輥身空冷至450℃圖1 鍛后熱處理工藝Figure 1 Heat treatment process after forging

1.3 模型的可信度

通過(guò)JMatPro計(jì)算出的支承輥相關(guān)參數(shù)畢竟與實(shí)際存在一定差別，為此，本文通過(guò)在輥身表面外接電偶，測(cè)試支承輥熱處理工藝執(zhí)行過(guò)程中的件溫，對(duì)比模擬計(jì)算得到的支承輥表面溫度和電偶測(cè)得的溫度，不斷修正模擬參數(shù)，最終使得模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度趨于一致。

1.4 支承輥內(nèi)部A點(diǎn)溫度曲線

首先將支承輥按照?qǐng)D1中兩種方案的鍛后熱處理工藝分別進(jìn)行模擬，然后提取出圖3中A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的兩種鍛后熱處理溫度曲線，如圖5所示。再按照?qǐng)D2預(yù)備熱處理工藝對(duì)支承輥進(jìn)行模擬，提取出圖3中A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的預(yù)備熱處理溫度曲線，如圖6所示。

圖5 支承輥內(nèi)部A點(diǎn)鍛后熱處理溫度曲線Figure 5 Heat treatment temperature curve after forgingat point A inside the backing roll

圖6 支承輥內(nèi)部A點(diǎn)預(yù)備熱處理溫度曲線Figure 6 Preliminary heat treatment temperature curveat point A inside the backing roll

2 小試樣模擬A點(diǎn)位置組織變化情況

將一系列小試樣按照?qǐng)D5所示的兩種鍛后熱處理曲線進(jìn)行熱處理，在不同的階段取出小試樣進(jìn)行空冷(如圖1所示)，然后觀察其組織變化情況。再將部分試樣按照?qǐng)D6所示的預(yù)備熱處理曲線進(jìn)行熱處理。熱處理在模擬熱處理爐進(jìn)行，該爐在通氣體后可對(duì)降溫過(guò)程進(jìn)行控制。

2.1 鍛后熱處理過(guò)程組織變化

在圖1所示方案一和方案二鍛后熱處理工藝中所示的各階段分別取樣a1～a4和b1～b4，取出后試樣空冷，然后測(cè)試其組織，從圖7和圖8可以看出：

圖7 方案一各階段組織(100×)Figure 7 Microstructure of each stage in scheme No.1(100×)

圖8 方案二各階段組織(100×)Figure 8 Microstructure of each stage in scheme No.2(100×)

(1)在780～870℃球化階段開(kāi)始時(shí)，方案一試樣a1取出后空冷的組織為馬氏體+少量的下貝氏體，這說(shuō)明該組織為試樣取出空冷過(guò)程產(chǎn)生，在該階段之前組織仍為奧氏體。方案二試樣b1取出后空冷的組織為馬氏體+珠光體，這說(shuō)明在此階段已經(jīng)進(jìn)行了部分珠光體轉(zhuǎn)變，并且無(wú)網(wǎng)狀碳化物。

(2)在780～870℃球化階段保溫結(jié)束時(shí)，方案一試樣a2取出后空冷的組織仍為馬氏體+少量的下貝氏體，說(shuō)明在球化階段組織仍為奧氏體。方案二試樣b2取出后空冷的組織為珠光體，并且已經(jīng)完成了初步球化。

(3)在第二次600～650℃保溫開(kāi)始時(shí)，方案一試樣a3取出后空冷的組織為珠光體+網(wǎng)狀碳化物，說(shuō)明這之前的奧氏體在球化后的降溫過(guò)程中開(kāi)始發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。方案二試樣b3取出后空冷的組織為粒狀珠光體，說(shuō)明在球化后的降溫過(guò)程中球化繼續(xù)進(jìn)行。

(4)在第二次600～650℃保溫結(jié)束時(shí)，方案一試樣a4取出后空冷的組織與a3一致，說(shuō)明這之前已經(jīng)完成珠光體組織轉(zhuǎn)變。方案二試樣b4取出后空冷的組織與b3基本一致，但其球化更充分。

從上述分析可以得出，由于方案一鍛后入爐時(shí)輥身溫度較高，導(dǎo)致其內(nèi)部A點(diǎn)溫度在球化保溫結(jié)束前一直處于750℃以上(如圖5所示)，組織一直為奧氏體，直至在球化結(jié)束后降溫過(guò)程中才開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w+網(wǎng)狀碳化物，未達(dá)到球化的目的。方案二鍛后入爐時(shí)輥身溫度較低，在第一次600～650℃保溫結(jié)束前A點(diǎn)最低溫度已降至515℃(如圖5所示)，已開(kāi)始進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，珠光體組織的轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)球化提供了組織準(zhǔn)備，這種方案達(dá)到了球化的目的。球化后的組織均勻細(xì)小，有良好的超聲波穿透性能，而未經(jīng)球化的組織晶粒粗大，并且有網(wǎng)狀碳化物析出，從而影響了超聲檢測(cè)性能。

2.2 預(yù)備熱處理后組織

將執(zhí)行完兩種方案鍛后熱處理工藝的試樣按照?qǐng)D6進(jìn)行預(yù)備熱處理，對(duì)預(yù)備熱處理后的試樣進(jìn)行組織分析，其中按方案一鍛后熱處理+預(yù)備熱處理后的試樣編號(hào)為c1，按方案二鍛后熱處理+預(yù)備熱處理后的試樣編號(hào)為c2，結(jié)果如圖9所示。從圖9可看出，雖然兩種鍛后入爐溫度得到的組織完全不同，但經(jīng)過(guò)預(yù)備熱處理后，其組織均為珠光體+碳化物，并且兩種預(yù)備熱處理組織都由于偏析的影響，組織不均勻，但其平均晶粒度基本一致。

圖9 預(yù)備熱處理后組織(100×)Figure 9 Microstructure after preliminary heat treatment(100×)

3 不同組織狀態(tài)下的性能

3.1 超聲波可探性

方案一鍛后熱處理完成后的組織粗大，同時(shí)存在嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，預(yù)期會(huì)引起支承輥超聲檢測(cè)時(shí)雜波較高；方案二鍛后熱處理后獲得均勻細(xì)小的球化組織，預(yù)期其具有良好的超聲波可探性；經(jīng)兩種方案預(yù)備熱處理后組織基本一致，因此超聲波可探性基本一致。這與實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果是一致的。鍛后入爐溫度較高的支承輥粗加工無(wú)損檢測(cè)時(shí)雜波高的概率較大，鍛后入爐溫度較低的支承輥沒(méi)有雜波高的問(wèn)題，且經(jīng)過(guò)預(yù)備熱處理后，雜波高支承輥的雜波消失，其可探性與鍛后熱處理后沒(méi)有雜波問(wèn)題的支承輥一致。

3.2 力學(xué)性能

從上述組織分析可以看出，不同的鍛后入爐溫度得到的組織完全不同，經(jīng)過(guò)預(yù)備熱處理后，其組織基本一致。為評(píng)估上述組織對(duì)應(yīng)的性能影響，并結(jié)合支承輥的使用特點(diǎn)，對(duì)經(jīng)過(guò)上述兩種方案鍛后熱處理和預(yù)備熱處理后的試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同組織狀態(tài)下的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties under different microstructure states

經(jīng)過(guò)方案二鍛后球化的試樣b4，其沖擊吸收能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)球化的方案一試樣a4，說(shuō)明球化后的組織均勻細(xì)小，有良好的沖擊韌性。

經(jīng)過(guò)方案二鍛后熱處理+預(yù)備熱處理的試樣c2沖擊吸收能量要明顯高于經(jīng)過(guò)方案一鍛后熱處理+預(yù)備熱處理的試樣c1，這說(shuō)明兩種鍛后熱處理+預(yù)備熱處理方案處理完成后的試樣雖然金相組織基本一致，但鍛后熱處理后獲得球化組織對(duì)于預(yù)備熱處理后獲得良好的韌性是有利的，其具體原因有待進(jìn)一步深入研究。

4 工藝改進(jìn)建議

根據(jù)上述分析結(jié)果，對(duì)鍛后熱處理和預(yù)備熱處理工藝改進(jìn)分別提出以下建議：

(1)無(wú)論是為了獲得良好的超聲波可探性，還是為后續(xù)預(yù)備熱處理后獲得良好韌性，鍛后熱處理應(yīng)得到均勻細(xì)小的球化組織，這就需要控制較低的鍛后入爐溫度，建議支承輥鍛后輥身應(yīng)空冷至450℃入爐。

(2)支承輥在使用過(guò)程中要求表面工作層高硬度，心部具備良好的韌性，從表2可以看出，球化組織的沖擊韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)備熱處理后的沖擊韌性。因此，在保證技術(shù)要求的輥頸硬度前提下，支承輥預(yù)備熱處理可以僅加熱表面一定層深范圍，保留心部的球化組織。通過(guò)這種方式，可使其輥頸硬度滿足要求，輥身工作層晶粒細(xì)化及心部有良好的韌性。

5 結(jié)論

(1)支承輥按方案一鍛后輥身空冷至650℃入爐執(zhí)行鍛后熱處理工藝，不能實(shí)現(xiàn)球化的目的，且組織粗大，有嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，這不僅導(dǎo)致粗加工時(shí)無(wú)損檢測(cè)雜波高，沖擊性能也不好；按方案二鍛后空冷至450℃入爐執(zhí)行鍛后熱處理工藝則能得到良好的粒狀珠光體組織，超聲波可探性良好，沖擊吸收能量也高。

(2)按方案一和方案二進(jìn)行鍛后熱處理后得到的組織截然不同，經(jīng)預(yù)備熱處理后其金相組織、平均晶粒度和平均硬度都沒(méi)有明顯的差異，但方案二的沖擊吸收能量明顯更高。

(3)鍛后熱處理工藝改進(jìn)建議：鍛后輥身空冷至450℃入爐。預(yù)備熱處理改進(jìn)建議：僅加熱表面一定層深范圍，保留心部的球化組織。