大型高性能30Mn5鋼鍛造輪帶的制作

趙麗美，尚賀軍，李玲

1 概述

隨著回轉窯等設備技術要求的不斷提升，以及環保要求的不斷提高，大型輪帶的制作正逐步從原來的鑄造毛坯轉為鍛造毛坯。隨著THP10-12000油壓機和RAW2500/1250-16000/3000輾環機的投用，我公司開始制作越來越多的大型環形、筒形鍛件產品。近期，我公司承接了某型30Mn5鋼鍛造輪帶產品，通過一系列的努力，產品得以順利交付。

2 某型30Mn5鋼鍛造輪帶的制作過程

輪帶又稱滾圈，其作用是把筒體的全部重力（包括耐火磚、內部裝置和物料等的重力）傳遞給托輪，并使筒體能在托輪上平穩地回轉，因此輪帶要具有足夠的強度、剛度和耐疲勞性能。

2.1 明確技術要求

某型輪帶產品的交貨尺寸和形狀如圖1所示，其他技術要求如表1所示。該產品所用材質原為德國標準DIN 17205[1]中的GS-30Mn5，該產品原始設計的制作工藝采用的是鑄造毛坯。目前，隨著大型油壓機和輾環機等鍛造成形設備的投入使用以及環軋技術水平的不斷提高，我公司已具備了制作直徑16m以內、高度3m以內的環形和筒形鍛件的能力。從表1可以看出，客戶對輪帶產品（成品截面尺寸為575mm×837mm）的力學性能要求較高。為確保大型鍛造輪帶產品的質量可以完全滿足客戶的技術要求，經與客戶研究，決定將輪帶由鑄造件改為鍛造件，該產品采用鋼錠加熱→鍛造制坯→環軋成形→鍛后熱處理→粗車→超聲波檢測（UT）→調質→取樣檢測→精車→終檢→包裝發貨的工藝流程進行制作。

圖1 某型輪帶產品的尺寸和形狀

2.2 優化設計30Mn5鋼鍛件

該輪帶產品所用GS-30Mn5鋼及其相近的中國標準牌號30Mn2鋼[2]的化學成分要求如表2所示。從表2可以看出，鍛件用鋼的30Mn2與鑄鋼的GS-30Mn5牌號相比，其碳含量要求一致，30Mn2的硅含量要求更嚴格，且錳含量略高于GS-30Mn5。為滿足客戶對產品的技術要求，我們針對鋼錠的化學成分進行了優化設計。

2.2.1 提高碳含量，嚴格控制碳含量要求的范圍

30Mn5鋼本質上屬于低合金的普通碳錳鋼，鍛件的主要關鍵技術指標（強度和表面硬度）需要有一定的碳含量加以保證。

2.2.2 適當增加硅含量

硅元素主要以固熔強化的方式影響鋼的性能，因此，在技術要求允許的情況下，適當增加硅含量，有利于大型鍛件滿足強度和硬度要求。

2.2.3 適當增加錳含量，嚴格控制錳含量要求的范圍

錳是碳錳鋼的主要合金強化元素，在客戶技術要求達標的基礎上，適當提高錳含量要求，有助于滿足大型鍛造輪帶的技術要求。

2.2.4 嚴格控制磷和硫含量

為了降低大型鍛造輪帶淬火過程中開裂的風險，有必要嚴格控制有害元素磷和硫。

表1 某型30Mn5輪帶產品的技術要求

表2 GS-30Mn5及30Mn2的化學成分（質量分數之比），%

2.3 鍛造成形

大型鍛造輪帶采用精煉鋼錠為原料，經整體加熱后，先滾圓，再利用剁刀切除水口和冒口，確保足夠的去除量。再經鐓粗、沖孔、擴孔，獲得初制坯（如圖2所示），確保制坯過程鍛造比≥4：1?；貭t加熱后，利用RAW2500/1250-16000/3000輾環機環軋成形。該輾環機設備具有軋制能力強、尺寸控制精度高等特點，可確保大型鍛造輪帶在矩形環軋過程中充分鍛透，成形精準。在矩形環軋過程中，我們將軋制比λ[3]控制在1.5以上，利于大型鍛造輪帶獲得較好的力學性能。

圖2 大型鍛造30Mn5輪帶初制坯尺寸

2.4 鍛后熱處理

大型鍛造輪帶產品鍛造成形后，待其空冷至室溫進行鍛后正火處理，以消除鍛造應力，細化內部組織和晶粒，為下一步粗加工和淬火回火處理做好準備，處理工藝如圖3所示。

圖3 大型鍛造輪帶鍛后正火處理工藝

圖4 大型鍛造輪帶調質處理工藝

2.5 調質處理

經鍛后處理的大型鍛造輪帶產品，粗車之后進行超聲波檢測，檢測結果顯示，該產品內部缺陷水平完全滿足客戶技術要求。隨后，該產品轉入熱處理工序進行調質處理，工藝曲線如圖4所示。我們選擇水為淬火介質，有利于提高其淬透性?；鼗鹜瓿珊?，為避免在工件內部形成過大應力，同時防止形成回火脆性，回火出爐后采取空冷的方式進行冷卻。

2.6 力學性能檢測

大型鍛造輪帶本體力學性能檢測主要包括表面硬度、拉伸性能和沖擊性能檢測。輪帶的使用壽命與表面硬度，特別是與外圓的表面硬度密切相關。由于輪帶與托輪之間存在相對運動，其主要失效形式之一就是由于接觸應力引起的剝落。因此，輪帶表面的硬度均勻性對輪帶的使用壽命有較大影響。

本次制作的大型鍛造輪帶產品，其表面硬度檢測部位為外圓均布四個方向（0°、90°、180°、270°），每個方向沿著軸向依次檢測上、中、下三點，檢測結果如表3所示。從表3可以看出，大型鍛造輪帶外圓表面硬度均勻性比較好，硬度最大值為218HB，最小值為201HB，平均值為209HB。

表3 大型鍛造輪帶外圓表面硬度檢測結果

大型鍛造輪帶本體進行了加高，我們從本體截取了樣環（如圖5）并從樣環上每間隔120°進行了取樣檢測，其檢測結果如表4所示。從表4可以看出，大型鍛造輪帶本體拉伸性能完全滿足客戶技術要求，在室溫和-20℃下的沖擊性能也很好，遠高于德國標準DIN 17205中GS-30Mn5鑄鋼件的沖擊性能要求，各不同部位取樣檢測結果離散性很小，表明大型鍛造輪帶整體力學性能的均勻性很好。利用便攜式金相顯微鏡對輪帶表面顯微組織進行觀測，顯示鍛造30Mn5鋼輪帶經正火和調質處理后，其顯微組織為鐵素體+回火索氏體，組織均勻性很好（如圖6所示）。

表4 大型鍛造輪帶本體取樣檢測結果

圖5 大型鍛造30Mn5鋼輪帶本體取樣示意圖

圖6 大型鍛造30Mn5鋼輪帶顯微組織（鐵素體+回火索氏體）

3 結語

以成分優化的30Mn5鋼錠為原料，采用環軋成形的大型鍛造輪帶，經880℃正火、860℃水冷淬火和520℃回火處理后，其外圓表面硬度檢測結果為201～218HB，表面硬度均勻。其本體拉伸性能完全滿足客戶技術要求，在室溫和-20℃下的沖擊性能遠高于德國標準DIN 17205的技術要求。