冷卻速度對支承輥用Cr5鋼顯微組織與力學性能的影響

白興紅，趙席春，趙德利，王大鵬，南玉靜

（天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

大型支承輥是現(xiàn)代軋機上的關鍵部件，主要用來支承中間輥或工作輥工作，防止工作輥在軋制過程中由于剛度不足而出現(xiàn)廢品。軋制過程中，由于支承輥受到較大的彎曲應力，故而要求支承輥輥頸具有一定的強度和剛度，此外，輥頸還需要具有一定的韌性以保證支承輥在受到較大徑向交變應力時不發(fā)生塑性變形或折斷[1-3]。目前，國內外制造帶鋼冷熱連軋機支承輥的材料多采用Cr5鍛鋼[4-6]，Cr5鋼是在Cr2/Cr3鋼的基礎上增加Cr、減少C所開發(fā)的鋼種，具有更高的剛度。鋼中的Cr、Mo、V等合金元素都是碳化物形成元素，組織中的碳化物類型為多為M7C3，該碳化物硬度高達1800 HV[7]，均勻彌散分布在基體中時，可有效改善鋼的組織，提高鋼的綜合力學性能。

預備熱處理是支承輥制造的關鍵步驟，其主要目的是保證支承輥輥頸處的硬度和綜合力學性能，調整支承輥組織為最終熱處理做組織準備。Cr5鋼支承輥預備熱處理工藝為調質處理，其中冷卻速度直接影響著鋼的組織形態(tài)和硬度、強度、塑韌性等力學性能，目前調質工藝多采用油冷，污染大。本文主要研究了冷卻速度對Cr5鍛鋼顯微組織和力學性能的影響，探索滿足支承輥輥頸使用性能的熱處理冷卻方式，為該鋼種的熱處理工藝優(yōu)化提供參考，推進大型鍛件綠色制造進程。

1 試驗材料及方法

試驗材料為球化退火后的Cr5鍛鋼，化學成分見表1。用線切割切取塊狀試樣，在帶風冷的高溫井式電阻爐中進行熱處理，以生產現(xiàn)場鍛件實際調質工藝參數(shù)、冷卻速度作為試驗數(shù)據(jù)基礎。具體熱處理工藝方案：900～950℃奧氏體化（Ac3=860℃），以Cr5鋼珠光體轉變溫度590℃為界限，590℃以上的冷卻速度分別為5、4、3、2.5、2℃/min，590℃以下緩慢冷卻至280℃；然后在570℃回火25 h，爐冷至300℃，出爐空冷。

表1 Cr5鋼的化學成分（質量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of the Cr5 steel（mass fraction，%）

采用Axio observer5m型OM觀察試樣的顯微組織；采用維氏硬度計測定試樣的硬度，載荷砝碼10 kg，按照硬度轉化表再轉化為工程常用硬度計量單位（HS）；采用300 kN拉伸試驗機進行拉伸試驗；采用夏比擺錘試驗機進行沖擊（U型）試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 油冷模擬試驗

實驗室模擬生產現(xiàn)場油冷熱處理，900～950℃奧氏體化，油冷，然后進行570℃的回火。檢測試樣顯微組織與力學性能，與現(xiàn)場生產鍛件取樣進行對比，以考察實驗室模擬生產現(xiàn)場條件的可靠性。檢測結果顯示，實驗室模擬油冷條件下調質后的顯微組織為“回火索氏體+碳化物”，與實際生產取樣檢測結果相同，如圖1所示。試樣力學性能與生產件檢測結果非常接近，如表2所示。可見，實驗室模擬生產現(xiàn)場條件的調質熱處理，具有很高的可靠性。軋制過程中，由于支承輥受到較大的彎曲應力，因此支承輥輥頸需要一定的強度和剛度，此外輥頸還需要具有一定的韌性以保證支承輥在工作時不發(fā)生塑性變形或折斷。支承輥輥頸技術要求見表2。

表2 經調質（油冷）后Cr5支承輥輥頸的力學性能Table 2 Mechanical properties of the Cr5backup roll neck after quenching and tempering（oil cooling）

圖1 Cr5鋼經調質（油冷）后的顯微組織Fig.1 Microstructure of the Cr5 steel after quenching and tempering（oil cooling）

2.2 不同冷速下的顯微組織

試驗鋼經不同冷卻速度淬火、回火后的顯微組織見圖2?？梢钥闯觯S著冷卻速度的減小，組織中珠光體量不斷增加，冷速4、5℃/min時，組織中含有極少量珠光體（屈氏體）；冷速3℃/min時，組織中珠光體體積分數(shù)接近30%；冷速降至2.5℃/min后，組織中珠光體明顯增加，冷速2℃/min時均為“珠光體”組織。

圖2 Cr5鋼經不同冷速淬、回火后的顯微組織Fig.2 Microstructure of the Cr5 steel after quenching at different cooling rates and tempering

2.3 不同冷速下的力學性能

試驗鋼顯微組織決定了其力學性能，為考察不同冷速條件下的性能指標是否滿足支承輥輥頸使用要求，對力學性能進行檢測，結果見表3。檢測結果顯示，隨著冷卻速度的升高，試樣強度逐漸上升，塑韌性相近。冷卻速度≥3℃/min時，抗拉強度≥1025 MPa、屈服強度≥750 MPa、硬度45～48 HS、沖擊吸收能量≥40 J，與油冷相比，各項力學性能指標相差不大，且完全滿足支承輥輥頸的力學性能要求。冷卻速度≤2.5℃/min時，強度明顯下降。該力學性能值與上述顯微組織是對應的。

表3 Cr5鋼經不同冷速淬火和回火后的力學性能Table 3 Mechanical properties of the Cr5 steel after quenching at different cooling rates and tempering

2.4 生產試驗

通過對不同冷速下試驗鋼的顯微組織的觀察與力學性能的檢測，結合輥頸實際使用性能要求，選擇滿足輥頸力學性能指標的冷卻方式，達到與油冷相近的力學性能。Cr5鋼支承輥合金含量高，淬硬性、淬透性較好，距輥頸表面一定深度奧氏體化后的冷卻速度≥3℃/min，即可達到與油冷相近的力學性能。以Cr5支承輥調質冷卻方式采用強風冷（或噴霧冷）形式為例，驗證上述研究結果的實用性。

針對一支輥身直徑為φ1350 mm、輥頸根部直徑為φ820 mm的支承輥，調質冷卻方式采用旋轉式強風冷。解剖檢測結果顯示，直徑φ820 mm輥頸表面至150 mm深處硬度為45 HS、抗拉強度為1029 MPa、屈服強度為787 MPa、沖擊吸收能量為48 J，完全滿足支承輥輥頸技術要求。說明采用強風冷條件下，距表面150 mm深處的冷速≥3℃/min。

3 結論

1）實驗室模擬生產現(xiàn)場的油冷熱處理，各項性能檢測結果相當，顯微組織相同，說明實驗室熱處理模擬具有可靠性。

2）隨著冷卻速度的降低，Cr5鋼組織中珠光體不斷增加，冷速降低至3℃/min時，組織中的珠光體體積分數(shù)接近30%。

3）隨著冷卻速度的降低，試樣強度和硬度逐漸下降，而塑韌性相近；冷卻速度≥3℃/min時，其抗拉強度≥1025 MPa、屈服強度≥750 MPa、硬度45～48 HS、沖擊吸收能量≥40 J。

4）生產試驗表明，采用強風冷形式可使輥頸表面至一定深度處的力學性能達到油冷的效果，完全滿足支承輥輥頸力學性能。說明在強風冷條件下，距表面150 mm深處的冷速≥3℃/min。