新型多元合金化Cr5支承輥工藝性能研究

張國剛 王明家 彭星偉 陸寅松

(1.上海重型機器廠有限公司，上海200245；2.燕山大學材料學院，河北066004)

支承輥是軋機中用來支承工作輥或中間輥以便在軋制時防止工作輥出現撓曲變形而影響板形質量的重要部件。支承輥質量的優劣直接影響軋板的產量及質量。軋制過程中支承輥本體要承受很大的彎曲應力和摩擦力，輥身表面則長時間的承受磨損、沖擊、接觸應力和由激冷激熱造成的疲勞應力，因此支承輥必須滿足抗折斷性、耐磨性、抗剝落性和抗熱裂性等要求。其中工作層即淬硬層的深度是衡量支承輥工作性能的一個極其重要的因素，工作層愈深，在相同的條件下，產品服役壽命更長，經濟效益更高。

新型的多元合金化Cr5支承輥材料，是在已有成分中添加了增加淬透性的合金元素，如Ni、Mo、W、V等，以進一步提高淬透性，并加入了微量的W、Nb等元素提高耐磨性，使材料的淬硬層深度、耐磨性以及硬度較傳統材料有了很大的提升，成為了改良型新的支承輥材料。

實際生產中，對新型多元合金化Cr5材料的工藝性能數據掌握的還比較少，針對實際生產條件的工藝方法還不夠成熟，因此我們對這種新型材料的生產工藝進行了試驗室模擬研究，并結合硬度和耐磨性進行了分析，以得到一種成熟穩定的實際生產工藝，為生產出優質的支承輥產品打下良好的基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

上重公司對多元合金Cr5材料支承輥進行了試制。鋼錠重量為95t，采用EF(電爐)+LRF(爐外真空精煉爐)+MSD(Ar)(真空吹氬鑄錠)的雙真空工藝保證鋼水純凈度；采用一次鐓粗+WHF拔長+成型方案的鍛造方法進行鍛造，鍛造比>3；采用正火+球化退火+回火進行鍛后熱處理，以獲得細晶粒的球狀珠光體組織；采用調質進行預備熱處理，保證輥頸硬度，調整組織，消除網狀碳化物，提高支承輥的綜合力學性能。

我們在預備熱處理后的支承輥鍛件本體上取樣，進行淬火以及耐磨性試驗，研究其淬火工藝以及耐磨性能。

1.2 熱處理工藝

支承輥生產中，要求在表層一定深度內應力為下貝氏體組織，以保證較高的硬度和良好的耐磨性，因此淬火工藝對性能起著決定性的作用，包括調質過程的淬火以及最終的差溫淬火工藝。在本試驗中，我們主要針對淬火工藝來研究多元合金材料的熱處理工藝。

設定淬火溫度T1分別為885℃、900℃、915℃、930℃、945℃、960℃、970℃、980℃、990℃和1 000℃，然后按照設定的冷卻速度冷卻到100℃。每組試樣預備兩支，一支采取450℃回火，另一支保持淬火狀態，見圖1所示。

圖1 淬火工藝(進爐前涂防氧化涂料)Figure 1 Quenching process of the steels

1.3 多元合金化耐磨性研究

為進一步研究多元合金化Cr5材料的性能，并與普通Cr5材料進行對比，對二者進行取樣，然后采用常溫滾動磨損試驗，通過將普通Cr5材料(A)和多元合金化Cr5材料(B)試樣相互對磨，來判斷二者的相對耐磨性，并獲得摩擦系數與轉數的關系曲線以及失重曲線。

普通Cr5材料(A)和多元合金化Cr5材料(B)試樣的實測硬度值如表1所示。

表1 硬度測試值Table 1 The value of hardness

對輥摩擦磨損試樣的尺寸為外徑?30 mm，內徑?16 mm，高10 mm，見圖2所示。要求試樣的表面粗糙度Ra≤3.2 μm。如果有條件，外圓磨削，光潔度達到Ra0.4 μm，或者Ra0.8 μm。采用模擬熱處理爐，對粗加工后的試驗料進行熱處理，對A和B分別采用960℃和950℃淬火，然后進行500℃×8 h回火。將試樣用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，并通過金相觀察獲得其組織特征。將試樣用K3[Fe(CN)6]溶液進行腐蝕，對碳化物進行染色，并通過金相顯微鏡觀察其碳化物的尺寸及分布特征。通過掃描電子顯微鏡觀察摩擦后的表面形貌，進而判斷磨損機制。通過能譜分析判斷碳化物及基體的成分。

圖2 輥磨損試樣尺寸Figure 2 Specimen size for wearing

2 試驗結果及討論

2.1 淬火試驗

圖3為在不同淬火溫度下，試樣的硬度測試結果。

圖3 不同淬火溫度試樣的硬度Figure 3 Hardness of different quenching temperature

從圖3可以看出，未回火試樣的硬度基本上是隨著淬火溫度的升高而升高，低溫區(885～950℃)上升速度很快，在高溫區(>950℃)升高趨勢較平緩；經過450℃回火的試樣硬度呈現出先升后降的趨勢，大致也分兩個階段，在低溫區隨淬火溫度上升而上升，高溫區隨淬火溫度上升而下降。

進行淬火試驗的試樣為調質態，組織為回火索氏體，鐵素體基體上均勻分布著合金碳化物。在進行淬火加熱過程中，加熱溫度在Ac3之上，組織奧氏體化，碳化物溶解并隨保溫時間延長，碳化物向基體中進行擴散，奧氏體會逐步均勻化。淬火加熱溫度愈高，保溫時間愈長，碳化物溶解愈充分，奧氏體均勻化愈完全。奧氏體和碳化物的狀態決定了后續淬火冷卻組織的性能。多元合金化成分含有很多的強碳化物和中等強度碳化物形成元素，這些合金碳化物熔點高，對奧氏體形成和長大都有強烈的阻礙作用[1]。在低溫區，由于加熱溫度較低，奧氏體的形成和長大并不充分，碳化物的溶解數量很少，在后續的淬火中，形成低碳的馬氏體基體加大量粗大的碳化物組織，造成組織的強度和硬度很低。隨著淬火加熱溫度的提高，奧氏體基體中的溶解碳和合金元素愈來愈多，而且擴散的愈來愈充分，這些元素在隨后的淬火冷卻中在基體中造成很大的晶格畸變，形成高淬硬性的馬氏體，僅有極少未溶解的碳化物分布于組織中，所以組織的強度和硬度很高。

對于450℃回火的試樣，淬火溫度小于930℃時，硬度與未回火試樣相差不大，大于940℃時，二者相差愈來愈大，而且在高溫區回火試樣的硬度呈現出降低趨勢。這是因為淬火加熱溫度較低時，合金碳化物溶解不充分，奧氏體基體內的碳和合金元素含量較低，淬火過程中淬硬效果較差，在后續回火過程中，基體“軟化”作用較低，所以硬度較低，并且二者硬度接近。淬火溫度很高時，淬火形成合金元素含量很高的高畸變馬氏體，在450℃回火時，碳化物析出和基體回復驅動力很高，所以隨著碳化物析出、馬氏體基體的回復，硬度快速降低。

從淬火試驗中可以得出，對于多元合金Cr5支承輥材料，比較合適的淬火加熱溫度為960℃左右，能得到比較均勻的組織，硬度符合工藝要求，綜合性能配合優良。

2.2 常溫滾動磨損試驗

圖4為多元合金化成分(B)與傳統成分(A)的耐磨性對比。

圖4 磨損失重與轉數的關系曲線Figure 4 The relationship curve between weight loss and rotation

由圖4可以看出A和B試樣對磨時磨損量的變化情況。隨著轉數的增加，A試樣的磨損量增加較快，在7 200轉時，A試樣的磨損量幾乎是B的兩倍。可見，B試樣的耐磨性相對較好。

從圖5中可以看出，A和B試樣的磨損形貌特點主要是：形成片狀的磨屑，磨損表面呈現魚鱗狀，并且存在裂紋和小坑，還有大塊的剝落區域，推測為粘著磨損和接觸疲勞的共同作用。其中，A試樣表面塑性變形較嚴重，B試樣變形和脫落現象較少，這是耐磨性優良的主要原因。

圖6為A和B試樣的顯微組織照片，通過觀察發現，二者的基體組織均為馬氏體，并且有大量碳化物析出。其中，A試樣的組織及碳化物均較為粗大，而B試樣的組織及碳化物均很細小，且碳化物含量較多，這可能是導致其性能差異的主要原因之一。

圖5 磨損試樣微觀形貌(SEM)Figure 5 The wear morphology (SEM)

圖6 試樣A、B的顯微組織Figure 6 Microstructure of the specimen(A，B)

圖7 組織中碳化物Figure 7 The carbides

圖7為碳化物的形貌分布圖。由圖可知，A試樣的碳化物較粗大，并且分布極不均勻，呈帶狀分布；而B試樣的碳化物很細密，并且均勻分布，這也是導致二者性能差異的主要原因之一。

3 結論

(1)多元合金化Cr5未回火試樣的硬度基本上是隨著淬火溫度的升高而升高，低溫區(885～950℃)上升速度很快，在高溫區(>950℃)升高趨勢較平緩；經過450℃回火的試樣硬度呈現出先升后降的趨勢，大致也分兩個階段，低溫區隨淬火溫度上升而上升，高溫區隨淬火溫度上升而下降。

(2)多元合金化成分最佳的淬火溫度為960℃左右，可以獲得均勻的組織和較高的硬度，而且綜合性能配合較好。

(3)多元合金化成分組織中，與傳統的Cr5材料相比，碳化物數量較多，碳化物細密，分布均勻，耐磨試驗中，表面變形和剝落現象較少，這是多元合金化成分耐磨性優良的重要原因。

[1] 吳承建，陳國良，強文江.金屬材料學[M].北京：冶金工業出版社，2005.

[2] 康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理[M].北京：龍門書局，1998.4.

[3] 機械工程手冊(第20篇)：金屬材料強度[M].北京：機械工業出版社，1979.