郭 峰 白興紅 趙席春

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

隨著鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，大型冷熱帶鋼連軋機(jī)均提出了延長(zhǎng)支承輥換輥周期的要求，促使能夠提高軋制效率、降低軋制成本，而且鍛鋼支承輥材料也在不斷演變，總的變化趨勢(shì)是降低C含量、提高Cr含量，這些變化趨勢(shì)受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)技術(shù)水平和熱處理工藝所限。隨著冶金質(zhì)量的提高和熱工藝的提升，從提高耐磨性考慮適當(dāng)提高C含量。公司于2015年制造了兩支新型鍛鋼支承輥，并成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某熱連軋線，現(xiàn)已安全使用至報(bào)廢直徑。

1 材料研發(fā)階段

對(duì)新設(shè)計(jì)材料進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與普通Cr5支承輥材料(公司牌號(hào)YB-70)進(jìn)行對(duì)比，以期獲得性能更優(yōu)異的支承輥。

1.1 成分設(shè)計(jì)

以YB-70材料為基礎(chǔ)，從提高支承輥耐磨性、抗接觸疲勞及良好經(jīng)濟(jì)性等目的出發(fā)，提高了C元素含量。

1.2 試驗(yàn)材料及方法

采用37 kg感應(yīng)電爐熔煉成鋼錠，將鋼錠鍛成?90 mm×300 mm的試棒，780℃進(jìn)行退火熱處理。線切割切取塊狀試樣，試樣在高溫箱式電阻爐中進(jìn)行加熱，加熱溫度為880～1100℃，保溫90 min后迅速油冷。采用OM、SEM觀察鋼的顯微組織，采用洛氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣硬度，再進(jìn)行相應(yīng)的硬度轉(zhuǎn)換。

1.3 淬硬性檢測(cè)

對(duì)新材料試樣進(jìn)行室內(nèi)淬火試驗(yàn)，并將不同溫度淬火后硬度與YB-70進(jìn)行了對(duì)比(試驗(yàn)條件相同)，結(jié)果見(jiàn)圖1。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，新材料較YB-70鋼淬硬性高，同一熱處理?xiàng)l件下最大差值約10HSD。

圖1 淬硬性對(duì)比Figure 1 Comparison of hardening capacity

1.4 回火硬度

對(duì)經(jīng)淬火后的批量試樣進(jìn)行不同溫度回火試驗(yàn)，硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。與YB-70材料相比，新材料540℃及以下回火后的硬度水平明顯提高，抗回火穩(wěn)定性更高；回火溫度高于540℃時(shí)，兩種材質(zhì)硬度相當(dāng)。可見(jiàn)，新材質(zhì)更適宜高硬度要求支承輥。

圖2 回火后硬度對(duì)比Figure 2 Comparison of hardness after tempering

1.5 顯微組織

新材料試樣在不同溫度淬火后，560℃以下回火時(shí)的顯微組織均為“回火馬氏體+少量細(xì)粒狀碳化物”；600℃以上回火時(shí)的顯微組織為“回火索氏體+少量細(xì)粒狀碳化物”，見(jiàn)圖3。這對(duì)實(shí)現(xiàn)工作層內(nèi)全馬氏體組織奠定了理論基礎(chǔ)，從而提高支承輥耐磨性及硬度保持能力。

圖3 試驗(yàn)鋼回火后的金相組織Figure 3 Microstructure after tempering of tested steel

2 生產(chǎn)制造流程

新型支承輥的生產(chǎn)制造流程為：電爐粗煉→LF爐真空精煉→真空鑄錠→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→超聲檢測(cè)→調(diào)質(zhì)熱處理→差溫淬火、回火→精加工→超聲檢測(cè)→包裝發(fā)運(yùn)。

在前期研發(fā)成果基礎(chǔ)上，對(duì)新材料支承輥進(jìn)行了制造，對(duì)煉鋼、鍛造、熱處理等生產(chǎn)過(guò)程的工藝、質(zhì)量控制等都進(jìn)行了充分的模擬論證，制定了合理、科學(xué)的制造工藝。

2.1 冶煉鑄錠

采用真空精煉(VD)+真空鑄錠(VT)的煉鋼方法。

2.2 鍛造

采用一次鐓粗拔長(zhǎng)的工藝方法，壓實(shí)采用高溫大壓下量的KD鍛造法，有效解決鋼錠表面裂紋與中心壓實(shí)的矛盾。

2.3 熱處理

熱處理工序?yàn)殄懞鬅崽幚?調(diào)質(zhì)+最終熱處理。其中，鍛后熱處理采取正火+回火的形式；預(yù)備熱處理采取調(diào)質(zhì)；最終熱處理采用差溫加熱+噴霧淬火+回火的形式，通過(guò)調(diào)整回火溫度和時(shí)間，使支承輥輥身工作層獲得滿足使用要求的組織、硬度、應(yīng)力分布。

3 生產(chǎn)件性能檢測(cè)結(jié)果

按照上述制造流程成功制造了兩支輥身直徑?1600 mm的新型支承輥，對(duì)其中一支產(chǎn)品進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.1 預(yù)備組織及力學(xué)性能

取調(diào)質(zhì)后的支承輥端頭料檢測(cè)顯微組織、力學(xué)性能。結(jié)果顯示，預(yù)備組織為綜合力學(xué)性能優(yōu)良的回火索氏體，斷口形貌為韌窩(見(jiàn)圖4)；抗拉強(qiáng)度≥950 MPa，屈服強(qiáng)度≥750 MPa，沖擊吸收能量KU2≥30 J。

圖4 預(yù)備熱處理后顯微組織Figure 4 Microstructure after pre-heating

3.2 輥身工作層內(nèi)硬度

以輥身硬度62～66HSD(用戶(hù)技術(shù)要求)為目標(biāo)對(duì)試制件進(jìn)行了最終熱處理，通過(guò)切取輥身試環(huán)對(duì)工作層內(nèi)硬度進(jìn)行檢測(cè)，工作層硬度曲線見(jiàn)圖5。工作層深90 mm范圍內(nèi)的硬度基本保持穩(wěn)定在65～66HSD，115 mm深處硬度較表面降低了5HSD?？梢?jiàn)該支承輥工作層深≥90 mm。

3.3 工作層內(nèi)為全馬氏體組織

為獲得工作層內(nèi)全馬氏體組織，進(jìn)而提升支承輥抗表面粗糙度、耐磨性等使用性能，從改進(jìn)原有Cr5材質(zhì)、優(yōu)化支承輥制造工藝、組織結(jié)構(gòu)等各方面入手，取得了良好的效果。

圖6為輥身表面與90 mm深處顯微組織?？梢钥闯觯麄€(gè)工作層內(nèi)的基體組織均為回火馬氏體，且輥身表面的馬氏體針葉長(zhǎng)度明顯大于90 mm深處；表面組織中含有少量碳化物，且碳化物顆粒細(xì)小(近納米級(jí))。對(duì)該輥身表面及工作層90 mm深處的試樣進(jìn)行晶粒度檢測(cè)，分別為6.5級(jí)、9級(jí)，對(duì)于合金工具鋼來(lái)說(shuō)屬于細(xì)晶粒范疇，說(shuō)明表面晶粒并未粗化。

圖6 掃描電鏡檢測(cè)的工作層內(nèi)的顯微組織Figure 6 Microstructure in the working layer detected by scanning electron microscopy

3.4 工作層內(nèi)力學(xué)性能

對(duì)工作層不同深度處的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。工作層內(nèi)的抗拉強(qiáng)度≥1500 MPa，屈服強(qiáng)度≥1300 MPa，沖擊吸收能量KU2≥20 J，完全滿足使用要求。

表1 工作層內(nèi)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 1 Test results of the mechanical properties in the working layer

4 新型支承輥的使用展望

通過(guò)對(duì)新型支承輥材料的基礎(chǔ)研發(fā)及對(duì)生產(chǎn)件的各項(xiàng)檢測(cè)，在顯微組織、硬度、力學(xué)性能等各方面取得了預(yù)期目標(biāo)，提高了支承輥綜合性能。公司將繼續(xù)完善新型支承輥在線使用性能，挖掘材料潛能，進(jìn)一步提高支承輥的毫米軋制量、延長(zhǎng)換輥周期，降低軋鋼廠的生產(chǎn)成本及滿足軋機(jī)的個(gè)性化需求。

5 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，無(wú)論淬硬性還是回火后的硬度水平，新型支承輥用鋼均較普通Cr5鋼有提升；560℃以下回火時(shí)的基體組織均為回火馬氏體，為實(shí)現(xiàn)工作層內(nèi)全馬氏體組織奠定了理論基礎(chǔ)。

(2)新型支承輥輥頸為綜合力學(xué)性能優(yōu)良的回火索氏體。

(3)新型支承輥輥身具有較高的淬硬性和淬透性，且工作層內(nèi)為全馬氏體組織。

(4)新型支承輥輥身工作層內(nèi)不同深度均具有較高的強(qiáng)韌性。