大型鍛鋼支承輥熱處理工藝的探討

趙曉輝，章大健，范國平

(1．中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．寶鋼集團(tuán)常州軋輥制造公司，江蘇 常州 213019)

1 前言

支承輥廣泛用于冷連軋機(jī)、單機(jī)架的四輥、六輥等帶鋼可逆軋機(jī)上，對工作輥起到支承作用，以提高工作輥的剛度，保證板帶的厚度公差。因此，支承輥的質(zhì)量應(yīng)滿足如下軋制特性要求:①輥身具有良好的耐磨性;②較高的疲勞屈服強(qiáng)度;③良好的應(yīng)力狀況和抗裂紋擴(kuò)展能力;④輥頸具有良好的屈服強(qiáng)度、韌性和抗斷裂性能。

2 問題的提出

根據(jù)五機(jī)架冷連軋機(jī)鍛鋼支承輥的機(jī)械性能要求，最好采用調(diào)質(zhì)處理的方法。而對于直徑大、質(zhì)量大的大型支承輥，由于受熱處理設(shè)備條件的限制，無法進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，為解決該道工序，一方面控制大直徑輥坯的冶煉、鍛造及鍛后熱處理的工序質(zhì)量;另一方面，視輥坯(輥身)的金相組織狀況采取相應(yīng)的熱處理方法，再對輥身進(jìn)行感應(yīng)表面淬火，設(shè)法達(dá)到五機(jī)架冷連軋機(jī)支承輥的質(zhì)量要求。本文通過跟蹤某軋輥生產(chǎn)廠五機(jī)架冷連軋機(jī)鍛鋼支承輥的整個生產(chǎn)過程，對大型鍛鋼支承輥熱處理工藝進(jìn)行分析。

3 支承輥技術(shù)要求及加工工藝流程

鍛鋼支承輥技術(shù)要求的材質(zhì)70Cr3Mo;規(guī)格φ1370mm×1420mm×4490mm;重量25200kg;輥身表面淬火硬度65－70HSD，硬度均勻性不大于4HSD，輥身軟帶寬度≤80 mm，淬硬層深度≥35 mm，輥頸硬度35－45HSD;輥身與輥頸的同軸度＜φ0.03 mm。

加工工藝流程為:粗煉鋼水(DC)→精煉(VD)→真空鑄錠(VC)→水壓機(jī)鍛造→鍛后熱處理→粗加工→超聲波探傷→預(yù)備熱處理→半精加工→工頻感應(yīng)淬火→回火→精加工→超聲波探傷→尺寸檢查→包裝→發(fā)運(yùn)。

4 輥坯的制作

4.1 冶煉

采用雙真空冶煉工藝，精煉爐煉鋼時進(jìn)行一次真空處理，澆注鋼錠前再作一次真空處理。另外，為降低易偏析元素C、Mo的偏析，改善鋼錠內(nèi)部質(zhì)量，采用“AP”工藝澆注，使得澆注鋼水在凝固過程中水口和冒口的C和Mo偏析得到明顯地改善。

4.2 鍛造及鍛后熱處理

采用一次鐓粗以增加直徑，使拔長壓實火次鍛比大于2，因70Cr3Mo材料含C量較高，在鍛造溫度下存在大量的二次碳化物，且材料的變形抗力較大，大變形量鍛造時表面極易產(chǎn)生裂紋，給壓實帶來一定的困難。為此，采用V型砧、高溫大壓下量鍛造法(KD法)生產(chǎn)支承輥，能夠較好地解決表面裂紋與壓實的矛盾，鍛后再進(jìn)行熱處理，并分別進(jìn)行金相組織及機(jī)械性能檢驗。

4.3 輥坯金相組織檢驗

4.3.1 低倍檢驗

試片經(jīng)1:1鹽酸水溶液熱酸蝕后檢驗，低倍組織如圖1所示，檢測結(jié)果見表1。

表1 低倍組織檢測結(jié)果Table 1 Test results of hypoploidy texture

4.3.2 高倍檢驗

試塊經(jīng)磨制拋光后觀察，非金屬夾雜物檢驗結(jié)果見表2。

圖1 低熔組織金相圖Fig.1 Metallographical diagram of ypoploidy texture

表2 非金屬夾雜物Table 2 Nonmetallic inclusion

經(jīng)浸蝕后觀察基體組織為球狀珠光體+少量碳化物，局部區(qū)域網(wǎng)狀碳化物1級，如圖2所示。

圖2 高倍浸蝕金相組織 400×Fig.2 Metallographical diagram of high-multiplying power etching(400×)

經(jīng)腐蝕后觀察帶狀碳化物﹤1級，碳化物液析﹤1級，見圖3、4。

圖3 高倍腐蝕帶狀碳化物金相組織 100×Fig.3 Metallographical diagram of high-multiplying corrosion banding carbonization(400×)

5 鍛后熱處理與經(jīng)過二次正火后組織的變化

70Cr3Mo輥坯經(jīng)鍛后熱處理，得到球狀珠光體組織，后經(jīng)一至二次正火，輥身表面組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)片狀珠光體，二次碳化物顆粒及分布狀態(tài)得到有效地改善。日本HITACHI、JSW、JCFC公司對于大型鍛鋼支承輥的預(yù)備熱處理一般也都采用正火+回火處理。

圖4 高倍腐蝕碳化物金相組織 400×Fig.4 Metallographical diagram of high-multiplying corrosion carbide(400×)

鍛后熱處理的金相組織見圖5，二次正火后的金相組織見圖6。

6 機(jī)械性能

經(jīng)過二次正火后支承輥的機(jī)械性能見表3。

表3 機(jī)械性能Table 3 Mechanical behavior

根據(jù)寶鋼1420冷連軋機(jī)F1～F6支承輥的要求 (Rm≥ 880MPa、A≥ 10%、Aku≥ 20J)，70Cr3Mo采用二次正火方能滿足支承輥的設(shè)計要求。

7 輥身淬火組織及淬硬層深度

輥身淬火組織如圖7所示，Φ1370－1#支承輥輥身經(jīng)淬火+回火后在輥身端部剝層檢測，并沿徑向取一片100 mm×20 mm×20 mm試樣，試樣經(jīng)過拋磨后分別在輥身橫截面上采集:距輥身表面10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm、60 mm及90 mm等8處進(jìn)行取樣檢測，輥身表面以及距輥身表面10 mm、15 mm、20 mm、30 mm處金相組織為貝氏體+顆粒狀碳化物，距輥身表面40mm處金相組織為屈氏體+珠光體+顆粒狀碳化物，距輥身表面60 mm以上的金相組織為珠光體+顆粒狀碳化物。

圖7 淬火金相組織Fig.7 Metallographic structure after quenching

淬硬層深度如圖8所示。

圖8 φ1370支承輥輥身淬火層深度試驗Fig.8 Quenching depth of φ1370 backup roller

8 結(jié)束語

(1)鍛鋼支承輥輥坯可采用電爐粗煉鋼水+精煉爐精煉、真空除氣+真空鑄錠，并嚴(yán)格控制氫含量和夾雜物的含量。

(2)輥坯經(jīng)鍛后熱處理后，再進(jìn)行一至二次的正火處理，使其表層組織為細(xì)片狀珠光體組織，二次碳化物顆粒及分布狀態(tài)得到有效地改善，以此作為支承輥的預(yù)備熱處理工藝。正火處理既可調(diào)整輥坯組織，又可保證輥頸硬度及綜合機(jī)械性能，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。

(3)70Cr3Mo材質(zhì)的鍛鋼支承輥經(jīng)工頻感應(yīng)淬火后，可得到馬氏體或貝氏體組織，硬度均勻性±1HSD，淬硬層深度＞35 mm，如在工頻淬火工藝上再作改進(jìn)還能提高淬硬層深度，以滿足不同軋機(jī)的設(shè)計要求。

［1］ 閆杰，江開勇．4Cr5MosiV1鋼熱軋輥的熱處理工藝試驗研究［J］．重型機(jī)械，2006(3)．

［2］ 康紅梅，莫一，孫明．冷軋輥的選材及熱處理工藝［J］．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005(3)．

［3］ 李冀芳，葛永春，岳少剛．新材料70Cr3Mo熱軋工作輥的使用［J］．重型機(jī)械，1995(6)．