型鋼軋機(jī)用Cr5 鍛造工具鋼開坯輥熱處理工藝初探

胡 兵，王延青，杜旭景，楊 靜，田春霞

（1.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邢臺 054025；2.中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北邢臺 054025）

隨著型鋼軋線效率的不斷提升，半鋼等常規(guī)鑄鋼材質(zhì)已無法滿足型鋼線連續(xù)軋制的需求，型鋼用開坯輥材質(zhì)向高強(qiáng)度、高耐磨性的方向發(fā)展，材質(zhì)設(shè)計(jì)逐步由低合金向高合金轉(zhuǎn)變。中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司作為全球最大的帶鋼及型鋼軋輥生產(chǎn)基地，積極開發(fā)了具備高強(qiáng)度及耐磨性的Cr5 鍛造工具鋼材質(zhì)，如何制定出與之配套的熱處理工藝成為當(dāng)前主要需解決的難題。因型鋼線用的開坯輥均為孔型輥，為保證槽底良好的耐磨性，需開槽熱處理，整體加熱及冷卻的熱處理方式已無法滿足輥身輥頸差異化的技術(shù)要求，目前鮮有文獻(xiàn)針對型鋼軋機(jī)用BD 輥的輥身輥頸差異化熱處理研究。

本文以中鋼邢機(jī)為某國外客戶研發(fā)的Cr5 鍛鋼BD 輥為背景，介紹了鍛造高合金工具鋼的熱處理工藝研究過程。

1 熱處理中試試驗(yàn)

型鋼軋線BD 輥應(yīng)用于型鋼軋線開坯機(jī)架，需具備良好的抗熱裂性及抗粘接性能。針對用戶有輥役延長的需求，中鋼邢機(jī)對BD 輥進(jìn)行了材質(zhì)提升，Cr5 鍛造工具鋼BD 輥合金含量高，具備良好的抗熱裂性、耐磨性及抗粘接性能。值得注意的是，Cr5 鍛造工具鋼BD 輥如采用整體熱處理方式極易造成輥身輥頸同時(shí)淬上火，尤其輥頸規(guī)格細(xì)，容易出現(xiàn)輥頸與輥身均達(dá)到較高硬度，甚至輥頸含有大量馬氏體組織導(dǎo)致韌性下降。因此，筆者認(rèn)為采用整體熱處理方式不可行，采用的熱處理方式需保證輥身、輥頸差異化熱處理，同時(shí)滿足輥身高強(qiáng)度、輥頸高韌性的設(shè)計(jì)目的。

型鋼軋線用BD 輥輥身存在深窄孔型，粗加采用平輥進(jìn)行熱處理造成后期開孔型過程中淬硬層被去除，導(dǎo)致深窄孔型工作部位硬度偏低，進(jìn)而出現(xiàn)不耐磨、粘鋼的情況發(fā)生。在冷熱交替的使用環(huán)境下產(chǎn)生熱裂紋，降低軋輥的使用壽命和承載能力[1]。粗加預(yù)開孔型差溫?zé)崽幚硪虿蹘团c槽底溫度場不同，在加熱過程中輥身容易出現(xiàn)槽幫過燒、或槽底加熱不足奧氏體化不充分的情況產(chǎn)生，兩者均會造成產(chǎn)品返修甚至報(bào)廢。

針對預(yù)開孔型熱處理導(dǎo)致的輥身槽幫過燒及槽底奧氏體化不充分的問題，筆者通過試驗(yàn)室中試試驗(yàn)，確定材質(zhì)的加熱溫度范圍，并應(yīng)用DEFORM軟件對熱處理工藝進(jìn)行了模擬研究分析。

2 試驗(yàn)室中試試驗(yàn)

通過對Cr5 鍛造工具鋼BD 輥材質(zhì)的膨脹儀曲線進(jìn)行測定，確定鍛造工具鋼的Ac1為793℃，Ac3溫度為875℃，不同冷速M(fèi)S點(diǎn)范圍為300～380℃。同時(shí)，根據(jù)膨脹儀曲線，馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷速速率為6℃/min。

在毛坯輥身上切取軸向?qū)?0mm，徑向深度60mm 的方形試樣進(jìn)行中試試驗(yàn)。Cr5 鍛造工具鋼為亞共析鋼，其淬火加熱溫度應(yīng)在Ac3+（30～50）℃。分別選取900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃加熱溫度進(jìn)行加熱，試驗(yàn)編號分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#，加 熱 時(shí) 間60min，冷卻方式采用水冷，回火溫度按530℃，回火保溫時(shí)間6h。

不同工藝條件下的金相檢測結(jié)果顯示，奧氏體化溫度900～1000℃范圍內(nèi)，組織均為馬氏體+回火索氏體+少量碳化物，對比不同溫度金相圖片，當(dāng)奧氏體化溫度達(dá)到1000℃時(shí)，組織明顯粗大（試樣10）。因此，確定奧氏體化溫度范圍為900～980℃。

3 熱處理方案制定

早期在對BD 輥產(chǎn)品進(jìn)行差溫?zé)崽幚頃r(shí)，為防止槽幫過燒同時(shí)保證槽底奧氏體化充分，對輥身槽底及槽幫部位焊偶測溫，實(shí)測數(shù)據(jù)表明槽幫較槽底溫度高50～60℃，但輥身焊偶測溫在冷卻過程中焊偶部位容易產(chǎn)生淬火裂紋[2]，不能作為長期的工藝措施，我們利用中鋼邢機(jī)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室DEFORM軟件，對不同熱處理工藝進(jìn)行了模擬。

3.1 DEFORM 模擬

3.1.1 模擬物性參數(shù)

物性參數(shù)作為模擬結(jié)果與實(shí)際是否相符的關(guān)鍵，我們根據(jù)焊偶測溫的實(shí)測值及積累的鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)，測量得出Cr5 鍛造工具鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等物性參數(shù)，如表1 所示。

3.1.2 模擬過程

利用中鋼邢機(jī)軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)試驗(yàn)室DEFORM模擬軟件，對Cr5 鍛造工具鋼BD 輥差溫?zé)崽幚磉M(jìn)行模擬，產(chǎn)品差溫加熱前的預(yù)熱溫度按400℃進(jìn)行設(shè)定。

如圖2 所示差溫加熱工藝，利用DEFORM模擬軟件對工藝進(jìn)行模擬，共計(jì)230min，模擬時(shí)每10min 為一個(gè)步驟提取一次數(shù)據(jù)，共提取23 次數(shù)據(jù)。從提取的溫度數(shù)據(jù)看，槽幫表面部位最高溫度974℃，槽底表面部位最低溫度945℃，均符合最佳的淬火加熱溫度范圍。同時(shí)，在工藝結(jié)束時(shí)，槽底深度100mm 范圍內(nèi)溫度均在930℃以上，因此工作層范圍內(nèi)奧氏體化溫度均能滿足中試試驗(yàn)淬火加熱溫度范圍900～980℃。

表1 Cr5 鍛造工具鋼物性參數(shù)

3.2 工藝方案制定

為保證Cr5 鍛造工具鋼BD 輥輥身高硬度、高耐磨的同時(shí)，輥頸及芯部獲得良好的組織形態(tài)及韌性，要求輥頸及輥身芯部組織保持為調(diào)質(zhì)態(tài)，輥身為淬火態(tài)。為此，在輥身淬火前，需對產(chǎn)品整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，保證輥頸及輥身芯部獲得韌性良好的珠光體組織。

3.2.1 調(diào)質(zhì)工藝

圖3 為Cr5 鍛造工具鋼的調(diào)質(zhì)熱處理工藝。

3.2.2 差溫?zé)崽幚砉に?/p>

根據(jù)中試試驗(yàn)及DEFORM模擬結(jié)果，制定差溫加熱工藝，根據(jù)Cr5 鍛造工具鋼馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷速速率為6℃/min，采用中鋼邢機(jī)臥式噴淬機(jī)冷卻時(shí)冷速可滿足冷速要求，回火溫度與中試試驗(yàn)的回火溫度一致，按兩段回火，回火溫度530～560℃。實(shí)際執(zhí)行差溫?zé)崽幚砉に嚾鐖D4 所示。

圖2 熱處理差溫加熱工藝模擬

圖3 調(diào)質(zhì)熱處理工藝

4 性能檢測

通過調(diào)質(zhì)及差溫?zé)崽幚?，輥身及輥頸硬度均滿足用戶要求，如表2 所示。

檢測輥身組織為馬氏體、殘奧+少量碳化物，輥頸組織為珠光體+碳化物，符合設(shè)計(jì)目的。

在輥身部位切取試片逐層檢測宏觀、微觀硬度及顯微組織，從宏觀及顯微檢測結(jié)果看，工作層50mm 范圍內(nèi)宏觀硬度落差控制在HS3 以內(nèi)，顯微硬度落差控制在HV20 以內(nèi)，試環(huán)組織均為索氏體+少量馬氏體、殘奧+碳化物，如表3 所示。

表3 輥身宏觀、顯微硬度及組織

表4 輥身及輥頸機(jī)械性能檢測數(shù)據(jù)

同時(shí)，檢測試環(huán)顯微組織均為馬氏體+回火索氏體+少量碳化物，試環(huán)組織正常，未出現(xiàn)組織過燒的情況。

同時(shí)，分別切取輥身及輥頸試片檢測機(jī)械性能如表4 所示。

從檢測結(jié)果看，按制定的熱處理方案進(jìn)行熱處理，既保證了輥身高硬度、高強(qiáng)度，又保證了輥頸的高韌性，輥身及輥頸各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。

輥身組織均為索氏體+少量馬氏體、殘奧+碳化物。根據(jù)產(chǎn)品機(jī)械性能數(shù)據(jù)，輥身具備較高的強(qiáng)度，從輥頸斷面延伸率及斷面收縮率看，輥頸韌性良好。因此，預(yù)開孔型的鍛造工具鋼經(jīng)差溫?zé)崽幚砗筝伾砭哂懈邚?qiáng)度、高耐磨的同時(shí)，輥頸具有高的韌性，達(dá)到了工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 輥身顯微組織圖

圖6 國外用戶A 型鋼軋線半鋼BD 輥下機(jī)輥面

圖7 國外用戶A 型鋼軋線鍛造工具鋼BD 輥下機(jī)輥面

5 實(shí)際效果驗(yàn)證

中鋼邢機(jī)研發(fā)的鍛造工具鋼BD 輥，已供貨國外廠家共計(jì)30 余支，技術(shù)條件均滿足用戶要求。國外某用戶反饋的使用結(jié)果顯示，中鋼邢機(jī)供貨的鍛造工具鋼BD 輥較普通的半鋼材質(zhì)單次過鋼量提高近3 倍，同時(shí)解決了半鋼BD 輥出現(xiàn)的不耐磨及下機(jī)輥面粗糙的問題。

6 結(jié)論

通過以上研究，得出結(jié)論如下：

（1）利用DEFORM設(shè)計(jì)差溫?zé)崽幚砉に囕^準(zhǔn)確的指導(dǎo)了熱處理工藝的制定，避免了輥身焊偶導(dǎo)致的工序復(fù)雜及熱處理開裂等質(zhì)量問題，模擬指導(dǎo)的差溫?zé)崽幚砉に嚹茌^好的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

（2）中鋼邢機(jī)通過預(yù)開輥身孔型進(jìn)行差溫?zé)崽幚淼腃r5 鍛造工具鋼BD 輥既保證了輥身高硬度、高強(qiáng)度的同時(shí)，也滿足輥頸高韌性的工藝要求。

（3）中鋼邢機(jī)Cr5 鍛鋼工具鋼BD 輥較常規(guī)鑄鋼軋輥單次過鋼量提高近3 倍，下機(jī)輥面光滑，使用效果良好。