新型Cr5改進(jìn)型支承輥性能研究與組織分析

■南玉靜，白興紅，孫睿璇

原有Cr5 等材料因其局限性，已不能完全滿足高耐磨性要求，我公司研制開發(fā)出一種新型Cr 5改進(jìn)型支承輥材質(zhì)，有效提高了支承輥的耐磨性、淬硬性、淬透性、抗剝落性等，支承輥的軋制周期延長了近一倍，可以很好地滿足使用要求，其制造技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

本文將對(duì)這種新型Cr 5改進(jìn)型支承輥材質(zhì)的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并從組織結(jié)構(gòu)上對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析，為將來的生產(chǎn)研究提供理論依據(jù)。

1. 材料成分

與傳統(tǒng)的Cr 5支承輥材料相比，該型號(hào)的新鋼種進(jìn)行了微合金化，化學(xué)成分見表1。適當(dāng)增加Cr、Mo、V等合金元素含量，少量多元，可以有效細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)韌性；同時(shí)，可以提高其淬透性、淬硬性和耐回火性；又由于這些合金元素均為強(qiáng)碳化物形成元素，可以使支承輥工作層碳化物種類、數(shù)量更多，對(duì)提高輥身表面硬度和耐磨性將產(chǎn)生顯著作用。

圖1 支承輥實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場照片

表1 Cr5改進(jìn)型支承輥材質(zhì)的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2. 生產(chǎn)過程

生產(chǎn)過程包括以下環(huán)節(jié)：煉鋼→鍛造→鍛后熱處理→毛坯無損檢測→粗加工→UT→預(yù)備熱處理→半精加工→最終熱處理→精加工→UT→包裝→出廠。實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場照片見圖1。

冶煉方法采用雙真空（VD+VT），以確保鋼錠質(zhì)量；在150000k N水壓機(jī)上進(jìn)行鍛造，采用一次鐓粗加拔長的工藝形式，確保打碎鑄態(tài)粗晶及樹枝狀結(jié)構(gòu)，壓實(shí)鍛件心部；鍛后熱處理采用兩次高溫正火+球化退火+回火的工藝形式（見圖2），目的是使鍛件晶粒細(xì)化，調(diào)整組織，消除網(wǎng)狀碳化物；預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)工藝，采用油淬+6 0 0℃左右高溫回火的形式，目的主要是為了保證輥頸的硬度要求和支承輥整體較高的力學(xué)性能，以承受較高的軋制力，提高抗事故能力；最終熱處理采用差溫加熱+噴霧淬火+回火的工藝形式（見圖3），這是決定支承輥工作層組織、硬度分布和使用性能的關(guān)鍵工序，也是支承輥制造技術(shù)的核心所在，不僅要保證淬硬層的深度與硬度要求，而且要保證心部并未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，具有較好的強(qiáng)韌性。

3. 硬度檢測

對(duì)改進(jìn)型Cr5支承輥材料試樣進(jìn)行室內(nèi)熱處理試驗(yàn)，并將其熱處理后硬度檢測結(jié)果與傳統(tǒng)Cr5材料進(jìn)行對(duì)比（見圖4）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：經(jīng)淬回火處理后，改進(jìn)型Cr5支承輥材料硬度可達(dá)72～78HS，較傳統(tǒng)Cr5材料硬度水平明顯提高，具有較好的淬硬性，這將顯著提高支承輥的耐磨性，滿足各類高檔軋機(jī)對(duì)支承輥的使用性能要求。

圖5是對(duì)改進(jìn)型Cr5支承輥與傳統(tǒng)Cr5支承輥的徑向硬度進(jìn)行的實(shí)體檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)差溫回火后，該支承輥淬硬層深≥100mm，較傳統(tǒng)Cr5材料支承輥的淬透性有很大程度的提高。

綜上，改進(jìn)型Cr5支承輥材料較傳統(tǒng)Cr5材料具有更好的淬透性和淬硬性，淬硬層深度明顯提高，這將顯著提高支承輥的耐磨性，具有更好的使用性能。

4. 力學(xué)性能檢測

為了比較改進(jìn)型Cr5 與傳統(tǒng)Cr5支承輥的使用性能，對(duì)兩種材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測（見表2）?？梢钥闯?，改進(jìn)型Cr5 支承輥材料的抗拉強(qiáng)度Rm≥1100MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥900MPa，而傳統(tǒng)Cr5支承輥材料的抗拉強(qiáng)度Rm≈980MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≈800MPa，改進(jìn)型Cr5支承輥材料在強(qiáng)度上有了明顯提高。由沖擊試驗(yàn)檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)型Cr 5支承輥材料較傳統(tǒng)Cr5支承輥材料具有較高的韌性。

圖2 鍛后熱處理工藝曲線

圖3 差溫?zé)崽幚砉に嚽€

圖4 不同溫度淬回火后硬度曲線對(duì)比（室內(nèi)試驗(yàn)）

圖5 淬硬層曲線對(duì)比（實(shí)際生產(chǎn)中測量）

表2 拉伸試驗(yàn)檢測結(jié)果

5. 輥身表面組織分析

（1）金相分析 對(duì)改進(jìn)型Cr5支承輥輥身表面進(jìn)行金相組織分析（見圖6），輥身表面組織為回火馬氏體，并有大量顆粒狀碳化物彌散析出。

（2）SEM 及EDS 能 譜 分析 在輥身表面取樣進(jìn)行掃描（SEM）和能譜（EDS）分析（見圖7），可以看出，碳化物呈顆粒狀，大小1~3μm，彌散分布在馬氏體基體上，可使材料的耐磨性大大提高。由此可見，這種彌散分布的顆粒狀碳化物對(duì)于提高輥身耐磨性是很有益處的。圖8、圖9為碳化物和基體的能譜分析結(jié)果，經(jīng)比較可以看出，該碳化物的主要合金元素為Cr、Mo、V、Mn。

（3）X-射線衍射分析 為了更清晰地判定碳化物類型及基體中是否存在殘留奧氏體，對(duì)該試樣進(jìn)行物相分析，發(fā)現(xiàn)碳化物主要為M7C3型碳化物（M主要為Cr元素），基體為回火馬氏體，不存在殘留奧氏體。

（4）透射分析 在透射電鏡下進(jìn)一步觀察碳化物形態(tài)，碳化物形態(tài)呈顆粒狀彌散分布，對(duì)其進(jìn)行衍射花樣標(biāo)定，可以確定為M7C3型碳化物。

綜上，Cr 5改進(jìn)型支承輥輥身表面組織為回火馬氏體和大量彌散分布的碳化物，碳化物呈顆粒狀，經(jīng)衍射花樣標(biāo)定為M7C3型碳化物。這對(duì)提高輥身硬度和耐磨性將產(chǎn)生重要影響。

6. 結(jié)語

（1）改進(jìn)型Cr5支承輥新材質(zhì)在成分上適當(dāng)增加了Cr、Mo、V等合金元素含量，采用少量多元原理，有效細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)韌性。

（2）對(duì)比傳統(tǒng)Cr5材料，改進(jìn)型Cr 5支承輥材質(zhì)獲得了更高的淬透性和淬硬性，淬硬層深度可達(dá)100mm以上，硬度可達(dá)72～78 HS，具有很好的耐磨性，能夠滿足各類高檔軋機(jī)對(duì)支承輥的使用性能要求。

（3）改進(jìn)型Cr5支承輥在強(qiáng)韌性方面具有明顯優(yōu)勢，使用性能更加優(yōu)異。

（4）改進(jìn)型Cr5支承輥工作層有大量顆粒狀M7C3型碳化物呈細(xì)小彌散分布在馬氏體基體上，可使材料的耐磨性大大提高。

圖6 輥身表面金相組織

圖7 掃描電鏡下碳化物形貌

圖 8

圖 9