支承輥使用性能的探討①

李世輝

(寶鋼軋輥科技有限責(zé)任公司， 江蘇 常州　213019)

引　言

大型軋機(jī)是現(xiàn)代化冶金企業(yè)的關(guān)鍵工藝設(shè)備，而支承輥又是軋機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其使用性能直接決定著軋機(jī)穩(wěn)定、產(chǎn)線順行、生產(chǎn)消耗及產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)支承輥使用性能的探討、剖析，對(duì)生產(chǎn)中正確使用支承輥具有一定的幫助。

隨著市場(chǎng)及用戶對(duì)板帶精度要求的不斷提高，交叉軋機(jī)、CVC軋機(jī)、HC軋機(jī)、PC軋機(jī)等結(jié)構(gòu)新穎、高速度、高精度的現(xiàn)代化軋機(jī)的出現(xiàn)，要求工作輥及中間輥材質(zhì)的高合金化、先進(jìn)的板型控制技術(shù)的應(yīng)用、毛化+鍍鉻的高硬度輥面、換輥周期的延長(zhǎng)等技術(shù)都對(duì)支承輥的使用性能提出了更高的要求。

1　對(duì)支承輥使用性能的要求

1)冷軋工作輥、中間輥材質(zhì)由于Cr5系列、半高速鋼、高速鋼的使用、推廣和普及，其耐磨性和輥面的抗疲勞性能都得到提高。要求冷軋支承輥選擇高合金鋼材質(zhì)。

2)板型控制技術(shù)——彎輥、橫移、CVC、HC等技術(shù)在冷軋上的應(yīng)用比熱軋更為廣泛，大大增加了支承輥輥面載荷的不均勻性。要求支承輥輥型保持性及抗腐蝕性好。

3)連退和熱鍍鋅四輥軋機(jī)平整工作輥，輥面經(jīng)毛化+鍍鉻，是輥面硬度和粗糙度最高的工作輥。要求支承輥輥面高硬度。

4)相對(duì)熱軋而言，冷連軋機(jī)發(fā)生斷帶、粘鋼、纏輥的軋制故障頻率要高得多。軋機(jī)急停引起的支承打滑，工作輥、中間輥粘鋼導(dǎo)致支承輥輥面局部載荷的突然上升，要求提高冷軋支承輥輥面抗熱沖擊性能。要求支承輥抗事故性要好。

5)連退和熱鍍鋅四輥平整機(jī)支承輥輥面硬度由50～60 HSD，逐步提高到72～78 HSD。輥面金相組織中也相應(yīng)發(fā)生索氏體→貝氏體→馬氏體轉(zhuǎn)變，M3C型碳化物轉(zhuǎn)化為M7C3型碳化物。要求支承輥采用整體感應(yīng)加熱淬火，馬氏體組織。

6)熱軋管線鋼和冷軋高強(qiáng)度汽車板產(chǎn)量比例的增加，較往年鋼材需求旺盛和鋼廠對(duì)高額利潤(rùn)的驅(qū)使，過(guò)高的軋制載荷和越來(lái)越長(zhǎng)的換輥周期，支承輥的換輥周期與檢修周期同步。要求支承輥耐磨性、抗接觸疲勞性、抗腐蝕性、輥型保持性都要好。

2　對(duì)支承輥基本性能的要求

2.1　化學(xué)成分

目前廣泛采用Cr5整體鍛鋼支承輥，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　Cr5整體鍛鋼支承輥化學(xué)成分/%

w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Mo)w(V)0.40～0.550.15～0.600.50～1.00≤0.020≤0.0204.70～5.300.50～0.800.10～0.30

2.2　機(jī)械性能

由于在軋輥上的實(shí)物取樣與實(shí)驗(yàn)室條件試驗(yàn)試樣檢驗(yàn)結(jié)果有較大差異，現(xiàn)以英國(guó)SFR軋輥公司所列數(shù)據(jù)供參考，如表2所示。

表2　Cr5鍛鋼支承輥典型機(jī)械性能

部位硬度/HSD屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa疲勞極限/MPa抗扭強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa輥頸35700890265570335458451040310665390508701115335715420輥身60—1470———65—1600———72—1683———

2.3　金相組織

輥身：含有細(xì)小、彌散的顆粒狀M7C3型碳化物+貝氏體或馬氏體基體。

輥頸：索氏體或細(xì)珠光體+細(xì)小、彌散分布的顆粒狀碳化物，特別強(qiáng)調(diào)不允許存在網(wǎng)狀碳化物。

2.4　耐磨性

圖1為870 ℃ Fe-Cr-C等溫截面區(qū)間圖。可以看到Cr5鋼處在奧氏體+M7C3相區(qū)的邊緣；這種成分控制保證了只有少部分被硬化以提高耐磨性，所以不影響韌性。這種碳化物非常穩(wěn)定，不會(huì)在輥身表面淬硬過(guò)程中再溶解，并通過(guò)加入其他合金防止碳化物粗化。

圖1　870 ℃ Fe-Cr-C等溫截面區(qū)間圖，Cr3和Cr5鋼近似比較

圖1還表明Cr3不能形成M7C3型高溫碳化物。且眾所周知，由于M7C3型碳化物顯微硬度不僅遠(yuǎn)高于基體組織中的貝氏體或馬氏體，而且也高于M3C型碳化物，因此，對(duì)Cr5支承輥耐磨性提高作出了重大貢獻(xiàn)。可喜的是，由于Cr5鍛鋼材質(zhì)淬透性良好，可以獲得較深的淬硬層深度，在差溫淬火熱處理工藝條件下，其淬硬層深度可達(dá)80 mm，而若采用整體感應(yīng)淬火工藝，則淬硬層更深，如圖2所示。

圖2　硬度曲線

關(guān)于Cr5支承輥耐磨性與輥面基體組織的關(guān)系，有兩種不同的觀點(diǎn)：英國(guó)SFR軋輥公司認(rèn)為，相同硬度的馬氏體與貝氏體支承輥耐磨性差別不大，支承輥耐磨性的高低取決于硬度；而JCFC(日本鑄鍛鋼)軋輥公司則推薦耐磨性優(yōu)良的馬氏體基體的Cr5鍛鋼支承輥，事實(shí)上在寶鋼公司2050熱軋機(jī)上使用效果最好。還有生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明：Cr5支承輥比Cr3支承輥修磨量可減少30%。

2.5　斷裂韌性

雖然耐磨性對(duì)提高支承輥服務(wù)壽命是根本重要的，但是也要重視抗疲勞剝落性能。由于滾動(dòng)接觸疲勞引起的輥面加工硬化，軋機(jī)故障急停引起的支承輥輥面打滑，以及粘鋼導(dǎo)致支承輥輥面局部載荷突然上升等因素都對(duì)支承輥繼續(xù)使用帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)；前者會(huì)引起疲勞裂紋的生成與擴(kuò)展，后兩者則形成熱沖擊裂紋擴(kuò)展最終可能會(huì)導(dǎo)致輥面剝落。這種裂紋擴(kuò)散趨勢(shì)甚至脆性斷裂方式直接與材料的斷裂韌性有關(guān)。

圖3表示了不同Cr含量及不同硬度條件下擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)的結(jié)果。在同等硬度值下，Cr5鋼顯示出較高的耐沖擊性能，推斷其有較高的斷裂韌性。當(dāng)然也指出，硬度越高斷裂性也較差，這與鋼中含碳量及回火溫度不無(wú)關(guān)系，也可以認(rèn)為馬氏體基體斷裂韌性或許較差一些。

圖3　硬度與成分對(duì)沖擊韌性的影響

所以，在需要用各種手段提高支承輥的耐磨性時(shí)，必須告知用戶：每當(dāng)軋制故障產(chǎn)生，必須檢查支承輥輥面，一旦受傷，應(yīng)該及時(shí)更換；反之，用降低耐磨性的方法提供硬度較低的支承輥去應(yīng)對(duì)事故頻繁的軋機(jī)時(shí)，也要告知用戶：為避免過(guò)度加工硬化，合理地確定支承輥更換周期十分重要。

2.6　滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度與加工硬化

在軋制過(guò)程中，支承輥輥面與工作輥或中間輥輥面接觸，軋制力、壓縮力反復(fù)作用在接觸面上。由于支承輥換輥周期時(shí)間是數(shù)十倍甚至百倍于中間輥、工作輥，所以在支承輥表面形成了滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)制。

在硬度同是60 HSD的情況下，不同材質(zhì)軋輥滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明：Cr5鋼的滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度大大高于Cr3鋼，按滾動(dòng)接觸疲勞試樣失效轉(zhuǎn)數(shù)相比，壽命提高了5倍。

圖4　在相同硬度條件下，不同材質(zhì)軋輥滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果

輥面剝落發(fā)生時(shí)加工硬化硬度及原始硬度之間的關(guān)系如圖5所示。滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)制是輥身表面加工硬化形成局部高硬度區(qū)的體現(xiàn)。一方面，支承輥初始硬度提高，降低過(guò)度加工硬化程度，從而接觸疲勞強(qiáng)度增強(qiáng)，抗剝落性能提高；另一方面，高硬度支承輥的剝落敏感性又與加工硬化硬度絕對(duì)值有關(guān)。從圖5還可以看出，當(dāng)使用70 HSD冷、熱軋支承輥時(shí)，磨削后上軋機(jī)前允許的輥面加工硬化值約為3 HSD，而使用50 HSD的厚板支承輥時(shí)其相應(yīng)值就可以放寬至5～7 HSD。

圖5　剝落發(fā)生時(shí)加工硬化硬度及原始硬度之間的關(guān)系

對(duì)使用Cr3和Cr5材質(zhì)支承輥輥面加工硬化深度所做的跟蹤記錄如圖6所示。

圖6　Cr3和Cr5支承輥加工硬化深度

究其原因認(rèn)為，M7C3碳化物在Cr5支承輥中彌散的分布，使基體組織與工作輥接觸點(diǎn)面積減小，從而減少了加工硬化發(fā)生數(shù)量，如圖7所示。

圖7　碳化物分布對(duì)Cr5支承輥加工硬化的影響

2.7　旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度

由于輥頸圓弧部分處在輥身與軸承過(guò)渡區(qū)，受力、應(yīng)力集中最大。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)于支承輥輥頸是特別重要的一個(gè)因素。在選用Cr5鍛鋼支承輥的情況下，應(yīng)該是有所保證的。圖8顯示了硬度為55HSD時(shí)Cr3和Cr5鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限。

圖8　硬度為55HSD時(shí)Cr3和Cr5支承輥旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限

3　應(yīng)用建議

(1)對(duì)于輥面是馬氏體基體的支承輥，由于在熱處理過(guò)程要承受巨大的淬火應(yīng)力，因此對(duì)于輥頸及心部超聲波探傷及金相組織有更嚴(yán)格的要求。

(2)對(duì)于冷軋連退、熱鍍鋅四輥平整機(jī)所用的支承輥，由于工作輥輥面采用毛化+鍍鉻工藝，而且這類軋機(jī)斷帶、粘鋼事故幾率很小，可選用馬氏體基體的支承輥，輥面硬度≥72 HSD。

(3)對(duì)于熱軋機(jī)R2，F(xiàn)1～F5均已采用半高速鋼、高速鋼工作輥，而且較少產(chǎn)生卡鋼、甩尾、頭部軋破，極少產(chǎn)生斷帶、粘鋼等事故的情況下，也可以選用輥面硬度70 HSD左右馬氏體基體的支承輥。

(4)對(duì)于軋制故障較多的冷、熱軋機(jī)，建議選用輥面硬度≤70 HSD的貝氏體基體的支承輥為好。

(5)應(yīng)對(duì)支承輥兩端倒角的設(shè)定和硬度跟蹤納入經(jīng)常性工作。

(6)一旦發(fā)生異物壓入、粘鋼或軋制故障引起的支承輥嚴(yán)重打滑，應(yīng)及時(shí)更換支承輥，將輥面損傷、加工硬化部分加以修磨至可控狀態(tài)。

4　結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品的高強(qiáng)化、生產(chǎn)的重載荷、長(zhǎng)周期快節(jié)奏對(duì)支承輥的使用性能要求愈加嚴(yán)苛，渴望高品質(zhì)支承輥的愿望非常迫切，寶鋼軋輥科技有限責(zé)任公司正在加緊研制高耐磨抗疲勞性能的新一代鍛鋼支承輥，并采用當(dāng)前世界上最先進(jìn)的整體感應(yīng)加熱工藝，從而滿足支承輥的使用性能和基本性能要求，為國(guó)內(nèi)、外客戶提供高品質(zhì)的支承輥，推動(dòng)支承輥制造技術(shù)的整體進(jìn)步。