新型材質65SiMnMo2支承輥鍛造工藝研究

文／孫統輝，郭衛東·中信重工機械股份有限公司

新型材質65SiMnMo2支承輥鍛造工藝研究

文／孫統輝，郭衛東·中信重工機械股份有限公司

大型支承輥長期處于滑動摩擦與滾動疲勞的惡劣工況下運轉，要求抗斷裂能力強、表面耐剝落性好、耐磨性能優良以及足夠的剛度，以保證能夠承受軋制過程中的峰值載荷。為此本研究基于先前的工作經驗進行了工藝研發，優化支承輥化學成分，成功鍛制65SiMnMo2支承輥鍛件，成品輥各項性能指標大幅提高。

孫統輝，碩士，工程師，主要從事特大型鍛件工藝研究工作。

材質為65SiMnMo2支承輥鍛件系我公司鍛件新產品開發項目，該材質支承輥具有抗斷裂能力強、表面耐剝落性好、耐磨性能優良等優點，本批次制造的六件65SiMnMo2支承輥鍛件為國內首次生產，各項技術檢驗指標滿足用戶要求。本文重點介紹該批支承輥鍛件制造工藝及生產實踐情況。

鍛件技術要求

該項目共六件支承輥鍛件，按照65SiMnMo2新型材質制造，毛坯重量10.78t，鍛件圖如圖1所示，為提高支承輥綜合機械性能，對化學成分進行優化設計，采用我公司自行煉制的兩支53t雙真空鋼錠鍛造，每錠制3件，鋼錠材料利用率61.0%。

化學成分

鍛件化學成分滿足表1要求。

表1 65SiMnMo2材質化學成分表

無損檢查

支承輥超聲波探傷按照JB/T 4120-2006《大型鍛造合金鋼支承輥》執行，其中表面波檢測按照JB/ T 10814-2007《超聲表面波檢測》執行。

表面質量

輥身和輥頸的工作表面上不允許有裂紋、凹坑、非金屬夾雜、氣孔等缺陷。

圖1 支承輥鍛件圖

技術難點

⑴65SiMnMo2系新材質，國內無成功生產經驗及相關技術文獻參考，冶煉、鍛造及鍛后熱處理工藝參數需試驗驗證；

⑵化學成分中的碳及合金元素含量高，Cr、Ni、V、Nb元素的大量加入增加了鍛造開裂傾向；

⑶超聲波探傷要求嚴格，要求離輥身表面100mm范圍不允許有當量直徑大于φ2mm缺陷，其他區域不允許單個缺陷連續保持F≥1/2B，缺陷面積不大于25cm2。

工藝過程控制

化學成分優化設計

此支承輥材質C元素含量規定0.68%～0.78%，且各項合金成分含量較高，屬高碳高合金軋輥鋼。該材質在鍛造溫度下鋼的脆性和變形抗力極大，極易產生鍛造熱裂紋。化學成分中要求V、Nb元素含量0.07%～0.18%，V、Nb元素的加入是為了提高鋼的熱強性，尤其Nb元素和C、N、O有極強的結合力，能與之形成相應的極為穩定的化合物，因而起到細化支承輥鍛件晶粒的作用。但研究同時表明，V、Nb元素對鋼的高溫塑性有著顯著的影響作用。V元素通常會加劇鋼坯在鍛造過程中的表面開裂傾向，并且在溫度稍低時變形，裂紋擴展的速率較快；而當Nb元素質點析出并沉淀于晶界處時，晶界滑移會受到阻礙，使鋼的塑性變形能力降低，使裂紋產生的幾率增大。

因此，我們對此支承輥鍛件材質的化學成分提出內控要求，適當降低C、V、Nb元素含量，確保V、Nb元素細化晶粒作用的同時減少鍛造開裂傾向。同時，技術條件中沒有對有害元素及氣體含量作出相應要求，我們根據支承輥鍛件生產經驗對有害元素S、P及氣體H、O、N含量提出較高內控要求，以達到提高鋼錠和鍛件內部質量的目的。具體內控要求見表2。

冶煉工藝研究

通過熱工試驗表明，降低鋼在凝固后的冷卻速度，可以改善高溫塑性，提高變形能力，有助于防止裂紋產生。具體機理是，在較低的冷卻速度下，會使原子擴散運動充分進行，緩解由金屬組織轉變、析出過程及溫度梯度造成的晶界處應力集中和畸變能力升高的現象，使基體處于較為穩定的狀態。同時，鋼錠脫模時間過早，增大了內部與外表溫度差，使組織應力與熱應力增大而在鋼錠外殼薄弱處應力集中產生縱裂；當鋼錠表面溫度冷卻到400～500℃熱送，由溫度梯度產生的溫度應力較小，鋼錠內外已經全部完成組織轉變，因此組織應力也基本上沒有，且此時鋼錠的抗拉強度有了很大的提高，減少鋼錠裂紋傾向。

因此，我們研究制定專用冶煉工藝，采用雙真空澆注方案，工藝要求適當降低冷卻速度、降低脫模時間、降低脫模溫度、脫模熱送加蓋保溫罩等工藝措施減少支承輥鍛造開裂傾向。

鍛造工藝優化

高碳高合金軋輥鋼在鍛造溫度下降時鋼的脆性和變形抗力急劇加大，容易產生鍛造熱裂紋。因此鍛造工藝要求終鍛溫度由普通鋼要求的800℃提高至900℃并進行嚴格控制，壓臺階時控制壓下量，防止坯料表面溫度降低時開裂傾向增大。

鍛后熱處理工藝制定

此材質公司首次組織生產，缺少鋼種組織轉變溫度參數和熱處理經驗數據，我們通過熱工試驗摸索其物性參數，測定Ac3點為817℃，正火溫度選擇880℃，確保組織充分轉變，再經800℃球化退火和650℃高溫回火，以滿足支承輥鍛件超聲波探傷和內部組織要求。圖2為65SiMnMo2材質支承輥鍛件鍛后熱處理工藝曲線。

表2 65SiMnMo2材質化學成分優化內控表

圖2 65SiMnMo2材質支承輥鍛件鍛后熱處理工藝曲線

生產實踐

采用兩支53t鋼錠（一錠制三件）在185MN自由鍛造油壓機及31.5MN水壓機進行鍛造作業，鍛造工藝模式為鐓粗+WHF法拔長，鐓粗比2.0，拔長比3.6，該鍛造方法可以有效鍛合鋼錠心部疏松性缺陷，破碎鑄態柱狀晶組織和粗大碳化物，保證鍛件的均質性。由于對化學成分進行優化控制，鋼錠WHF法拔長過程表面質量良好（圖3），成品鍛件表面無裂紋、凹坑等缺陷（圖4）。由此，充分驗證化學成分優化設計、鍛造工藝優化措施達到了預期的改善鍛造開裂的效果。

圖3 鋼錠拔長后表面質量

圖4 成品鍛件表面質量

質量驗證

鍛后熱處理出爐后進行質量檢驗，六件支承輥鍛件表面質量控制良好，無可見的表面裂紋；毛坯超聲波探傷內部質量良好，滿足JB/T 4120-2006《大型鍛造合金鋼支承輥》標準要求；后期進行用戶回訪并跟蹤裝機使用情況，服役狀況良好無剝落，性能優于常規材質支承輥。

總結

通過本批次支承輥的成功試制，在解決高碳高合金軋輥鋼鍛件鍛造開裂問題方面積累了研制經驗，掌握了65SiMnMo2新材質物性參數，在大型支承輥鍛件研發方面取得實質性進步。