1 580 mm熱連軋機精軋支承輥新材料研制

楊志洪

(中國第一重型機械有限公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

近十年來一重在國內(nèi)推廣應(yīng)用5%Cr和5%Cr改進型鍛鋼支承輥，取得了較好效果，在國內(nèi)居同行業(yè)領(lǐng)先地位。但隨著鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化大型冷、熱帶鋼連軋機出于提高軋機作業(yè)率和實現(xiàn)無頭、半無頭軋制等目的，提出了延長支承輥換輥周期的要求。一重公司的支承輥與JCFC的支承輥相比仍有一定的差距。一重公司研制出8%Cr鍛鋼支承輥新材質(zhì)，通過強化淬火熱處理冷卻工藝方法，獲得(馬氏體+下貝氏體)基體+(M7C3+MC)型碳化物的金相組織，提高了支承輥耐磨性和抗接觸疲勞強度，達到支承輥軋制周期延長一倍的目標(biāo)。

1 試驗階段

1.1 8%Cr鍛鋼支承輥化學(xué)成分設(shè)計

在8%Cr鍛鋼支承輥的化學(xué)成分設(shè)計中，合理的合金元素配比和加入量是保證支承輥各項性能要求的關(guān)鍵。依據(jù)各種元素在鋼中的作用，設(shè)計了三種化學(xué)成分進行選擇，具體見表1。

1.2 冶煉和鍛造試驗

根據(jù)設(shè)計的化學(xué)成分，采用150 kg工頻感應(yīng)電爐熔煉3鋼水，大氣澆注3支75 kg小鋼錠，并進行爐后成分分析。同時將3支小鋼錠在室式煤氣爐中加熱，按始鍛溫度1 000～1 250℃、終鍛溫度850～900℃在7.5 kN蒸汽錘上開坯鍛成220 mm×130 mm×65 mm方試塊，鍛后進行球化退火處理。

表1 鍛鋼支承輥的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of forged steel backup roll (mass fraction,%)

圖1 三種試樣淬火后硬度值對比示意圖Figure 1 Comparison of hardness values after quenching for three kinds of specimens

圖2 第一種試樣淬火、回火狀態(tài)下的金相組織(500×)Figure 2 Metallographic structure of the first kind of specimen when quenching and tempering (500×)

1.3 淬火溫度和化學(xué)成分的選定

將三種成分的試塊均加工成20 mm×20 mm×15 mm的試塊，每組試樣3件，在Ⅱ-H-30電阻爐中進行加熱、淬火，三種試樣淬火后硬度值對比如圖1所示。

由圖1可以看出，第一種試樣(YB-80-1)硬度值相對較高，趨勢較穩(wěn)定。從三種試塊淬后硬度情況看，980℃時硬度值最高。第一種試樣(YB-80-1)淬火+回火后的組織均為回火馬氏體+碳化物，如圖2所示。經(jīng)過分析，YB-80-1是鍛鋼支承輥首選鋼種。

1.4 不同溫度回火對硬度和力學(xué)性能的影響

每個回火溫度每組各放2個硬度試樣、1個拉伸試樣和2個沖擊試樣。熱處理后檢測肖氏硬度，2個試樣平均硬度值分布曲線見圖3。從圖3可以看出，將回火溫度提高到510℃時硬度變化不大，當(dāng)回火溫度提高到520℃左右時硬度開始下降，這說明這種材料具有較好的抗回火穩(wěn)定性。

1.5 臨界點的測定

采用美國進口的Gleeble3500試驗機測定YB-80-1鋼CCT曲線，見圖4。根據(jù)材料的相變臨界溫度和鍛造溫度的確定原則，初步確定的始鍛溫度1 180～1 280℃和終鍛溫度900～850℃是比較合適的。

1.6 高溫力學(xué)性能試驗

將YB-80-1鋼試驗材料加工成10 mm×125 mm的兩端帶有螺紋的熱拉伸試樣。采用Gleeble3500試驗機進行拉伸試驗。通過對試樣斷后的斷面尺寸和標(biāo)距尺寸的測量得到該材料在不同溫度下的斷面收縮率和延伸率，并通過對真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的標(biāo)定確定出不同溫度下的抗拉強度。依據(jù)計算所得試驗數(shù)據(jù)繪出斷面收縮率、延伸率和抗拉強度同溫度的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖3 不同溫度回火對硬度的影響Figure 3 The influence of tempering at various temperatures on hardness

圖4 YB-80-1鋼CCT曲線Figure 4 CCT curve of YB-80-1 steel

圖5 斷面收縮率、延伸率和抗拉強度與溫度的關(guān)系Figure 5 The relationship between area reduction, elongation, tensile strength and temperatures

2 技術(shù)要求

1 580 mm熱連軋機精軋支承輥尺寸簡圖如圖6所示。技術(shù)要求為：輥面硬度65～75 HS；硬度均勻性±2.5 HS；硬度降落≤5 HS；輥頸硬度45～55 HS；輥身抗拉強度≥1 200 MPa；輥頸抗拉強度≥880 MPa；基體組織為(馬氏體+下貝氏體)基體+(M7C3+MC)型碳化物；超聲檢測按JB/T 4120—1993標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3 制造過程

1 580 mm熱連軋機精軋支承輥的生產(chǎn)流程為：電弧爐粗煉鋼水→LF爐真空精煉→真空鑄錠→自由鍛造→第一熱處理→粗加工→超聲檢測→調(diào)質(zhì)熱處理→差溫淬火、回火→精加工→超聲檢測→包裝發(fā)運。

3.1 冶煉鑄錠

根據(jù)1 580 mm熱連軋機精軋支承輥的技術(shù)條件要求，決定采用真空精煉(VD)+真空鑄錠的煉鋼方法，采用92 t鋼錠鍛造。

3.2 鍛造

由于YB-80-1材料的合金含量很高，在鍛造高溫下鋼中存在大量的二次碳化物，在鍛造過程中表面極易產(chǎn)生鍛造裂紋，且材料的變形抗力較大，給鋼錠壓實帶來很大的困難。因此決定采用一次鐓粗拔長的工藝方法，壓實采用高溫大壓下量的上、下Ⅴ型砧的KD鍛造法，較好地解決了鋼錠表面裂紋與中心壓實的矛盾。每道次壓下量大于20%，使鋼錠整體長度得到充分壓實，有效壓合鋼錠內(nèi)部疏松等缺陷，打碎粗大的碳化物，達到細(xì)化內(nèi)部組織和晶粒的目的。

鍛造工藝如下：

舊說日中有雞，月中有兔。按雞正西方之物，兔正東方之物，大明生于東，故雞入之，月生于西，故兔入之。此猶鏡燈，西象入東鏡，東象入西鏡。[注](宋)陸佃：《埤雅》，(臺灣)商務(wù)印書館，1966年，第49頁。

(1)壓鉗口，倒棱，去錠底。

(2)鐓粗至H=1 400 mm～?2 950 mm，拔長?2 000 mm。壓實操作規(guī)程為：

① 滿砧進給，順錘壓下，互成90°翻轉(zhuǎn)；

② 各道次水冒口交替布砧；

③ 壓下量為坯料高度的20%。

(3)拔長?1 700 mm，下料，鍛出各部，精整出成品。

兩支1 580 mm軋機支承輥都在125 MN水壓機上進行鍛造，經(jīng)鍛件尺寸檢驗和超聲檢測，鍛件的表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量均滿足技術(shù)條件要求。實踐證明，采用上、下Ⅴ型砧的KD鍛造法生產(chǎn)YB-80-1材料的支承輥是合理的。

3.3 第一熱處理

兩支支承輥第一熱處理采用一次正火+一次球化退火+高溫回火的工藝方案。第一熱處理后的力學(xué)性能見表1，金相組織見圖7。

3.4 調(diào)質(zhì)熱處理

調(diào)質(zhì)熱處理就是淬火+高溫回火，其目的是保證支承輥輥頸及輥身心部的綜合力學(xué)性能。支承輥調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能見表3，金相組織見圖8。結(jié)果全部滿足輥頸硬度和力學(xué)性能要求。

圖6 1 580 mm熱連軋機精軋支承輥尺寸簡圖Figure 6 Dimension diagram of finish rolled backup roll of 1580mm hot continuous rolling mill

試驗編號產(chǎn)品卡號產(chǎn)品爐號Rm/MPaRe/MPaA5(%)Z(%)AKU/J金相組織E366E366060700208016296060940608042960560026526030.529.065.064.5874粒狀珠光體

表3 調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能和金相組織Table 3 Mechanical properties and metallographic structure after quenching and tempering

表4 輥身表面淬硬層的力學(xué)性能和組織檢測結(jié)果Table 4 The test results of mechanical properties and structures for the surface hardening layer of roll barrel

圖7 第一熱處理后的金相組織(500×)Figure 7 Metallographic structure after the first heat treatment (500×)

3.5 差溫?zé)崽幚?/h3>

差溫?zé)崽幚砣圆捎貌顪貭t加熱、臥式噴霧機淬火的熱處理方式，在中低溫回火電爐中進行回火，以保證輥身輥面硬度及要求的淬硬層深度。兩支支承輥差溫?zé)崽幚砗筝伾淼挠捕确謩e為60～67 HS和62～66 HS，輥身淬硬層的力學(xué)性能見表4，金相組織見圖9。

從整個生產(chǎn)工藝流程及各項硬度和性能指標(biāo)檢測結(jié)果來看，兩支支承輥的試驗生產(chǎn)是成功的，各項檢測指標(biāo)均滿足支承輥的技術(shù)要求。目前已在某廠1 580 mm熱連軋機精軋機架上機過鋼使用，表現(xiàn)出非常好的耐磨性和抗熱裂性，基本達到支承輥軋制周期延長一倍的目標(biāo)。

圖8 調(diào)質(zhì)熱處理后的金相組織(1 000×)Figure 8 Metallographic structure after quenching and tempering(1 000×)

圖9 最終熱處理后的金相組織(1 000×)Figure 9 Metallographic structure after final heat treatment (1 000×)

4 結(jié)論

(1)由CCT曲線可以看出，珠光體區(qū)右移，8%Cr鋼具有很高的淬透性和淬硬性。

(2)8%Cr鋼淬火溫度為900～960℃，在480～600℃溫度回火，可獲得75～55 HS的硬度。

(3)8%Cr鋼的始鍛溫度為1 180～1 250℃，

終鍛溫度為850～900℃。

(4)8%Cr鋼具有很好的抗回火穩(wěn)定性、抗熱裂性和非常高的耐磨性。

(5)8%Cr鋼具有很好的冶煉、鍛造、熱處理等工藝性能。

(6)8%Cr鋼是很好的熱連軋軋機精軋機支承輥用鋼。