文/石媛，白興紅，王大鵬·天津重型裝備工程研究有限公司

軋輥是軋鋼設(shè)備中的重要備件，由于其使用環(huán)境、工作狀態(tài)等要求其具有良好的綜合性能。金屬材料的性能與其化學(xué)成分和組織有密切關(guān)系。熱處理是改變材料組織的有效方法之一。對(duì)于軋輥產(chǎn)品，通常需要預(yù)備和最終熱處理工藝來獲得優(yōu)異、可靠的綜合性能。鍛后熱處理(退火)工藝作為連接鍛造和性能熱處理的重要環(huán)節(jié)，需要消除鍛造應(yīng)力，降低H含量，調(diào)整鍛造過程形成的粗大組織晶粒，為性能熱處理做組織準(zhǔn)備。因此我們有必要對(duì)鍛后熱處理過程組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行研究，確定最佳工藝參數(shù)。

試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料牌號(hào)為60CrNiMo，經(jīng)CS600設(shè)備檢測(cè)，具體化學(xué)成分見表1，利用膨脹儀測(cè)定60CrNiMo材料的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，Ac1的臨界點(diǎn)是728℃，Ac3的臨界點(diǎn)是786℃。

表1 60CrNiMo化學(xué)成分(Wt.%)

試驗(yàn)方法

⑴鍛態(tài)還原試驗(yàn)工藝。為了模擬軋輥實(shí)際生產(chǎn)，需將試樣還原為鍛造結(jié)束、退火前狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，制定了實(shí)驗(yàn)室熱處理工藝曲線，如圖1所示。

圖1 鍛態(tài)還原熱處理試驗(yàn)曲線

⑵退火試驗(yàn)工藝。支承輥鍛造結(jié)束后進(jìn)入鍛后熱處理(退火)階段，為了研究該過程中的組織轉(zhuǎn)變及工藝參數(shù)，制定了退火熱處理工藝曲線，如圖2所示。

圖2 退火熱處理工藝曲線

試驗(yàn)結(jié)果

鍛態(tài)還原試驗(yàn)結(jié)果

圖3為鍛態(tài)還原后的金相照片，可以發(fā)現(xiàn)，鍛造還原后晶粒非常粗大。保溫1h時(shí)，粒度已經(jīng)達(dá)到0-00級(jí)。且保溫時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒越粗大。保溫3h與保溫1h相比，晶粒尺寸不僅整體偏大，且小晶粒數(shù)量明顯減少。

圖3 鍛態(tài)還原后的金相照片

退火試驗(yàn)結(jié)果

坯料鍛造結(jié)束后，開始執(zhí)行鍛后熱處理工藝，由于軋輥尺寸較大，心部和表面的加熱、冷卻速度相差很大，導(dǎo)致輥身心部和表面溫差很大，因此有必要對(duì)軋輥輥身溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，并依此制定軋輥輥身表面和心部的熱處理模擬曲線。此次數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)均以規(guī)格φ1000mm×2600mm×5100mm的軋輥?zhàn)鳛闊崽幚砟M模型，如圖4所示。

圖4 φ1000mm×2600mm×5100mm軋輥模型

待料保溫時(shí)間

待料保溫段，鍛態(tài)組織需轉(zhuǎn)化為珠光體組織。為后續(xù)晶粒細(xì)化提供組織保證。此次數(shù)值模擬待料溫度為640℃，保溫時(shí)間選擇30h。模擬計(jì)算結(jié)果如圖5所示。首先依據(jù)模擬結(jié)果，制定軋輥輥身心部熱處理試驗(yàn)曲線，如圖6所示。

圖5 輥身溫度數(shù)值模擬曲線

圖6 輥身心部熱處理試驗(yàn)曲線

圖7～圖10為實(shí)驗(yàn)室模擬鍛態(tài)輥身心部640℃保溫11.5h、13h、17.5h、30h所得金相組織。由圖7～圖8可得，640℃保溫11.5h和13h時(shí)，所得組織為馬氏體組織。由圖9～圖10可得640℃保溫17.5h和30h時(shí)，所得組織均為層片狀珠光體組織。根據(jù)圖6可得，640℃保溫11.5h和13h時(shí)，軋輥輥身心部溫度分別為670℃和660℃。640℃保溫17.5h和30h時(shí)，軋輥輥身心部溫度分別為650℃和640℃。

圖7 保溫11.5h

圖8 保溫13h

圖9 保溫17.5h

圖10 保溫30h

由以上分析可得，60CrNiMo軋輥鍛造結(jié)束后，退火待料段的保溫時(shí)間，需要保證軋輥輥身心部溫度不大于650℃，才可以滿足輥身心部鍛態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織。對(duì)于規(guī)格φ1000mm×2600mm×5100mm的軋輥，當(dāng)軋輥輥身心部溫度降至650℃ ，輥身表面在640℃保持7h。圖11為輥身表面640℃保溫7h輥身表面熱處理試驗(yàn)曲線。

圖11 輥身表面熱處理試驗(yàn)曲線

圖12為實(shí)驗(yàn)室模擬鍛態(tài)輥身表面640℃保溫7h所得金相組織。由圖12可得，輥身表面640℃保溫7h時(shí)，所得組織為珠光體組織。說明當(dāng)輥身心部鍛態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時(shí)，整個(gè)輥身均已組織轉(zhuǎn)變完全。

圖12 640℃保溫7h所得金相組織

奧氏體化溫度及時(shí)間

為了調(diào)整鍛造過程形成的粗大的晶粒，需要在鍛后熱處理過程中重新進(jìn)行奧氏體化，獲得細(xì)小的晶粒。為此，選擇不同奧氏體溫度和時(shí)間進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，具體工藝參數(shù)詳見表3。

表3 奧氏體溫度和時(shí)間

圖13～圖18為不同奧氏體溫度和保溫時(shí)間所得的晶粒度。奧氏體化溫度為810℃時(shí)，保溫3h和保溫10h奧氏體晶粒度分別為8級(jí)和7級(jí)。奧氏體化溫度為830℃時(shí)，保溫3h和保溫10h奧氏體晶粒度均為7級(jí)。奧氏體化溫度為850℃時(shí)，保溫3h和保溫10h奧氏體晶粒度分別為7級(jí)和6.5級(jí)。

圖13 810℃/3h 8級(jí)

圖14 810℃/10h 7級(jí)

圖15 830℃/3h 7級(jí)

圖16 830℃/10h 7級(jí)

圖17 850℃/3h 7級(jí)

圖18 850℃/10h 6.5級(jí)

隨著奧氏體化溫度的升高和奧氏體化保溫時(shí)間的增加，晶粒尺寸有所增大，但變化不大，即使在850℃保溫10h晶粒度級(jí)別仍可以達(dá)到6.5級(jí)。為了節(jié)約實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間，將奧氏體化溫度定為850℃，奧氏體化保溫時(shí)間定為10h。利用模擬軟件模擬上述參數(shù)，得到軋輥輥身表面和心部溫度變化曲線，如圖19所示。850℃保溫10h時(shí)，輥身心部溫度不小于845℃保持3h，表面溫度不小于845℃保持10h左右。依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，制定室內(nèi)試驗(yàn)方案，采用金相等手段對(duì)組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行了系列研究，確定退火低溫保持溫度及奧氏體化的最佳溫度及時(shí)間。

圖19 輥身表面和心部溫度變化曲線