李北玉， 張 青

(寶鋼軋輥科技有限責(zé)任公司, 江蘇 常州 213012)

引 言

隨著近些年客戶對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等的更高要求，其對鍛鋼冷軋工作輥也提出了更高的要求。寶鋼軋輥科技有限責(zé)任也一直在不斷的與客戶保持著及時的溝通交流，以了解現(xiàn)場的迫切需求，為解決客戶出現(xiàn)的各類問題，如高耐磨軋輥的需求，近年也研發(fā)出了相應(yīng)的新材質(zhì)。本文分別選取了符合寶鋼軋輥科技有限責(zé)任工藝規(guī)范，正常生產(chǎn)的Cr3和Cr6系列中的一種材質(zhì)進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)對比，以確認(rèn)在特定條件下不同材質(zhì)的鍛鋼冷軋工作輥的耐磨性能，也為后續(xù)開發(fā)新材質(zhì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 冷軋輥材質(zhì)現(xiàn)狀

鍛鋼冷軋輥工作輥的整體材質(zhì)發(fā)展，已由20世紀(jì)80年代及20世紀(jì)90年代初期的Cr2和Cr3材質(zhì)，發(fā)展到目前廣泛使用的Cr5材質(zhì)[1]。

近幾年隨著客戶逐步提出更明確，更個性的需求，寶鋼軋輥科技有限責(zé)任在通用性的需求上也兼顧了更個性化的需求。因此，經(jīng)綜合考慮各合金元素的作用并重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)有輥坯制造的技術(shù)水平，研發(fā)了多種個性的新材質(zhì)，如Cr6系列、半高速鋼系列及高速鋼系列等。半高速鋼及高速鋼系列的產(chǎn)生，主要是滿足更高耐磨性及高抗事故性的要求，雖然也增加了更多的合金元素，但其采用的是高溫回火工藝，主要目的是析出彌散、細(xì)小的高硬度碳化物，達(dá)到二次硬度的目的，且在增加軋輥的耐磨性能的同時提高軋輥的抗事故性能。而其他的材質(zhì)主要采用低溫回火的工藝，不會產(chǎn)生二次硬化，通常成品狀態(tài)中所說的碳化物對耐磨性能的影響更多的體現(xiàn)為未溶的碳化物以及過渡的ε-碳化物。

2 軋輥耐磨性影響因素

冷軋輥的耐磨性能主要取決于軋輥淬火，回火后的成品硬度、合金元素的含量、晶粒的大小、碳化物的類型及其分布、大小等以及殘余奧氏體等方面[2]。在這些因素上，觀點(diǎn)基本統(tǒng)一。如淬火硬度越高，耐磨性通常越好；碳含量越高，通常碳化物體積分?jǐn)?shù)越大，硬度就越高，耐磨性能也相應(yīng)提高；細(xì)小彌散分布的碳化物顆粒以及不連續(xù)的共晶碳化物也有助于提高耐磨性能，其中細(xì)小彌散的碳化物與基體結(jié)合牢固，在磨損過程中不易掉落，從而起到硬質(zhì)點(diǎn)的左右，阻礙了軋輥的進(jìn)一步磨損；殘余奧氏體對耐磨性能的影響比較復(fù)雜，通常認(rèn)為其對提高材料的耐磨性是有益的，主要是在應(yīng)力作用下發(fā)生殘奧到馬氏體的轉(zhuǎn)變，以及其本身韌性較好的原因，使得殘奧與碳化物的結(jié)合力更大，更好地阻止其剝落，通常認(rèn)為冷軋工作輥的殘余奧氏體含量應(yīng)控制在10%以下。

因此，為了提升軋輥的耐磨性，通常采用細(xì)化晶粒，添加合金元素產(chǎn)生固溶強(qiáng)化以及回火二次硬化等手段，以提高冷軋工作輥材料基體的強(qiáng)度、整體硬度及耐磨性能。

3 磨損試驗(yàn)

3.1 磨損試驗(yàn)設(shè)備

本磨損試驗(yàn)所用設(shè)備為美國FALEX 型號的Block-on-Ring油潤滑磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)系統(tǒng)由主軸驅(qū)動系統(tǒng)、試驗(yàn)油腔與溫度測量裝置、摩擦力測量裝置、施力機(jī)構(gòu)及試驗(yàn)力測量裝置等部分組成，在不同的試驗(yàn)條件可測量軋輥磨損樣的磨擦及磨損性能。該設(shè)備的圓環(huán)形磨損試樣(下文簡稱陪磨環(huán))，塊形磨損試樣(下文簡稱磨損試樣)與GB/T 12444-2006 《金屬材料 磨損試驗(yàn)方法試環(huán)-試塊滑動磨損試驗(yàn)》結(jié)構(gòu)相同，尺寸略有差異，本實(shí)驗(yàn)也采用標(biāo)準(zhǔn)中推薦的用磨痕寬度計(jì)算磨損體積的方式進(jìn)行最終的磨損性能評價。

3.2 試樣制備

因本文涉及的工作輥的淬火方式為連續(xù)感應(yīng)加熱表面淬火，其也是目前主流的冷軋輥淬火加熱方式，主要是利用電磁感應(yīng)的原理，將軋輥在交變磁場中切割磁力線，在軋輥的表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，又根據(jù)交流電的集膚效應(yīng)，以渦流形式將軋輥表面快速加熱，而后急冷的淬火方法。該淬火方式加熱速率塊，保溫時間短，奧氏體晶粒細(xì)小，硬度更高。因進(jìn)行磨損試驗(yàn)的試樣尺寸較小，通常都采用較小試樣熱處理后再加工的方式，但小試樣的熱處理淬火方式通常采用電爐的間接電阻加熱，即讓電流通過電熱元件或?qū)щ娊橘|(zhì)，例如電阻絲、熱敏電阻(PTC)、電熱膜等，使電熱元件首先發(fā)熱，然后利用電熱元件產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)、熱對流或熱輻射等方式間接加熱軋輥的小試塊。

考慮到感應(yīng)加熱與電阻加熱的差異以及試樣大小所帶來的時間及冷卻等方面的差異，為進(jìn)一步模擬冷軋輥的真實(shí)磨損工況條件，本實(shí)驗(yàn)所需的磨損試樣取自于淬火、回火后的軋輥本體。

圖1(a)為從軋輥本體上通過割環(huán)的方式(在要割環(huán)的部位兩側(cè)先在磨床上用磨削的方式，磨削出一定寬度的臺階，然后再在車床上用車刀將凸出的要割環(huán)的區(qū)域，沿著軋輥的圓周方向?qū)⑵涓畛?，最后從軋輥的一?cè)取出。)獲得的Cr3和Cr6(下文分別簡稱為3A，6A)的原始磨損試樣本體，隨后再在軋輥的表層線切割出小試塊，部分位置見圖中箭頭標(biāo)識所示，最后再按磨損試驗(yàn)設(shè)備所需的磨損試樣尺寸圖進(jìn)行相應(yīng)的加工。其中3A的主要熱處理參數(shù)范圍為：淬火溫度930～960 ℃,回火溫度115～145 ℃；6A的主要熱處理參數(shù)范圍為：淬火溫度960～990 ℃,回火溫度125～155 ℃。

圖1 原始磨損試樣

陪磨環(huán)同樣是來源于軋輥的輥身，本次試驗(yàn)選取的陪磨試樣為本公司牌號為5H12的熱作模具鋼，該軋輥已經(jīng)整體油淬并高溫回火，現(xiàn)直徑為Φ220 mm，因該材質(zhì)淬透性好，對于Φ220 mm的輥身直徑已經(jīng)完全淬透，因此，可認(rèn)為陪磨環(huán)無硬度差異。陪磨環(huán)的獲取方式主要是采取線切割的方式，先將軋輥本體切割出較大的有一定厚度的圓片;再線切割出有一定余量的小圓片，如圖1(b)所示;最后再按磨損試驗(yàn)設(shè)備所需的陪磨環(huán)尺寸圖進(jìn)行相應(yīng)的加工。

表1為本磨損試驗(yàn)設(shè)備所需的磨損試樣及陪磨環(huán)的主要尺寸及粗糙度要求，圖2為加工完成的部分成品形貌。

表1 磨損試樣、陪磨環(huán)主要參數(shù)

圖2 磨損試樣、陪磨環(huán)成品形貌

3.3 理化檢驗(yàn)

在進(jìn)行磨損試驗(yàn)前，對磨損試樣主要進(jìn)行了成分、硬度、組織及殘余奧氏體含量檢測。

3.3.1 成分檢測

表2為3A，6A材質(zhì)的主要化學(xué)成分范圍，經(jīng)檢測，3A的Cr含量為3.2%，其余合金元素總量為2.4%；6A的Cr含量為5.9%，其余合金元總量為3.1%。

表2 化學(xué)成分

由此可知，本實(shí)驗(yàn)選取的6A材質(zhì)的Cr及其他合金元素總量與3A相比，分別提升約84%及29%。

3.3.2 硬度檢測

表3為對磨損試樣、陪磨環(huán)進(jìn)行的硬度檢測。其中，肖氏硬度的檢測是在未切割前對軋輥本體進(jìn)行的檢測。從檢測結(jié)果中可知，3A,6A的硬度結(jié)果均符合工藝規(guī)范對應(yīng)的硬度要求(90～95 HSD)，3A材質(zhì)的硬度略高于6A材質(zhì)，洛氏硬度相差為1.7HRC，約2 HRC，肖氏硬度相差3 HSD。陪磨環(huán)的洛氏硬度與磨損試樣最高硬度相差2.3 HRC，肖氏硬度卻相差10 HSD，主要原因?yàn)榕隳キh(huán)的試樣來源于整體淬火的低應(yīng)力試樣，所以其對應(yīng)的肖氏硬度偏低。

表3 硬度檢測結(jié)果

3.3.3 金相檢測

圖3 金相組織形貌(500×)

圖3(a),(b)分別為已切割的3A,6A在500×下的金相組織。從圖中可知，此兩支軋輥的成品組織正常，均為典型的Cr3和Cr6系列的金相組織，具體為回火馬氏體+點(diǎn)粒狀碳化物+殘余奧氏體。其中，從圖中目視可見，6A材質(zhì)的未溶的碳化物數(shù)量占比多于3A材質(zhì)，碳化物顆粒大小略小于3A材質(zhì)，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因與此兩種材質(zhì)的成分含量、輥坯質(zhì)量及熱處理淬火溫度等相關(guān)。

3.3.4 殘余奧氏體含量檢測

殘余奧氏體含量檢測采用的儀器是日本Pulstec公司制造的型號為μ-X360s的新一代便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀。該儀器主要基于全二維面探技術(shù)，相比于傳統(tǒng)X射線殘余應(yīng)力測定儀，該設(shè)備具有更短的測量時間(二維探測器一次性采集獲取完整德拜環(huán)，單角度一次入射即可完成測量，全過程平均約60 s)，更精確的測試結(jié)果(一次測量可獲得500個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果更精確)，更便利的測試條件(測量精度高，無需冷卻水，野外工作無需外部供電)。同時，該儀器具備區(qū)域應(yīng)力分布測量成像(Mapping)功能和晶粒大小、材料織構(gòu)及殘余奧氏體分析等功能。

本次試驗(yàn)，主要利用該設(shè)備有殘余奧氏體分析的功能，對已切割加工的3A，6A材質(zhì)進(jìn)行殘余奧氏體含量檢測，圖4和圖5分別為3A，6A材質(zhì)的檢測結(jié)果圖。其中，圖4(a)和5(a)為德拜環(huán)3D顯示的形貌圖。圖4(b)和5(b)為多點(diǎn)的殘奧量曲線以及殘余奧氏體均值檢測數(shù)據(jù)。從檢測結(jié)果可知，3A，6A的殘余奧氏體含量分別為9.4%，8.9%，兩者均在10%以內(nèi)，且無明顯差異。

3.4 磨損試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)前期積累的磨損試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)選取了2組試驗(yàn)力，分別為500，1000 N，以比較不同試驗(yàn)力下各材質(zhì)的磨損變化情況，且每組試驗(yàn)力進(jìn)行3次試驗(yàn)。同時，磨損時間、轉(zhuǎn)速分別固定為30 min，200 r/min，潤滑油為68#機(jī)油。

圖4 3A材質(zhì)的殘余奧氏體含量檢測圖

圖5 6A材質(zhì)的殘余奧氏體含量檢測圖

3.5 磨損試驗(yàn)結(jié)果

表4為最終的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖6為相應(yīng)的曲線變化圖，其中實(shí)驗(yàn)次數(shù)中的1～3次對應(yīng)500 N的載荷，4～6次對應(yīng)1000 N的載荷。

圖6 不同載荷下試驗(yàn)次數(shù)與磨損體積的變化曲線

表4 不同載荷下各實(shí)驗(yàn)次數(shù)的磨損體積

4 結(jié)果分析

從表4中數(shù)據(jù)及圖6的曲線中可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，3A和6A材質(zhì)的磨損體積隨著試驗(yàn)力的增大均呈現(xiàn)增加的趨勢，此現(xiàn)象初步表明在500～1000 N的載荷范圍內(nèi)，磨損的主要影響因素可能未發(fā)生改變；同時，兩種材質(zhì)不論在500 N還是1000 N的載荷下，兩者的磨損體積均并未有明顯差異，6A材質(zhì)與3A相比，均值變化率僅為-5%～4%，由此可見，此兩種材質(zhì)，在本實(shí)驗(yàn)條件下，6A材質(zhì)的磨損性能未見明顯優(yōu)勢。

鑒于兩種材質(zhì)的殘余奧氏體含量差異較小，基本可排除殘奧的變化對磨損性能的影響，而從合金元素含量、碳化物的多少，大小及等來判斷，6A材質(zhì)的耐磨性應(yīng)更好。但本實(shí)驗(yàn)選取的3A材質(zhì)的洛氏硬度比6A材質(zhì)高約2個單位，而硬度，尤其是基體硬度又是影響磨損性能的重要影響因素，由此，可基本推斷，造成6A材質(zhì)的磨損性能未見明顯優(yōu)勢的另一重要因素則可能是2個洛氏硬度的差異。

雖然軋輥的硬度與碳含量的多少強(qiáng)相關(guān)，但因硬度與碳含量的增加也并非呈單一的增加趨勢，也存在著峰值硬度[3]。再結(jié)合碳含量過高對輥坯制造帶來的不利影響，也導(dǎo)致了目前不同材質(zhì)工作輥的碳含量上限差別不明顯，而隨著合金元素的增多(碳化物形成元素也增加的情況，但不考慮高速鋼等可造成二次硬化的情況)，以本實(shí)驗(yàn)的6A材質(zhì)為例，其碳化物則越多，這也直接決定了該材質(zhì)成品軋輥的基體硬度略低，結(jié)合上述分析及近幾年的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，均可確定在較高硬度區(qū)間內(nèi)，在相同的肖氏硬度下(彈跳式硬度，便于成品檢測，但有殘余應(yīng)力的影響)，3A材質(zhì)的基體硬度也略高于6A材質(zhì)。由此可知，如6A材質(zhì)的成品肖氏硬度低于3A材質(zhì)，則很難確保6A材質(zhì)更有耐磨性，如本實(shí)驗(yàn)中的案例，當(dāng)硬度差異有3個HSD(約2個洛氏硬度)時，6A材質(zhì)的磨損性能未見明顯優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

綜上所述，軋輥的耐磨性能，如果在不同硬度下進(jìn)行對比，則不能完全認(rèn)為其隨Cr和其他合金元素的提升呈單一增加趨勢，畢竟硬度也是影響耐磨性能的重要因素之一。本實(shí)驗(yàn)條件下的3A和6A試樣，Cr6的硬度比Cr3低約2個HRC硬度，耐磨性變化率僅為-5%～4%，即6A材質(zhì)的磨損性能未見明顯優(yōu)勢,其主要原因可能就是3A材質(zhì)高出的2個洛氏硬度對耐磨性能起到了較為關(guān)鍵的作用。軋輥的性能評價是多方面的，其他的如抗沖擊、抗事故性，抗輥印性能等，因此，雖然在本實(shí)驗(yàn)條件下得到此結(jié)論，但并不代表6A材質(zhì)的綜合性能也沒有優(yōu)勢，對于綜合性能，應(yīng)按其他對應(yīng)的評價方式進(jìn)行綜合評價。