60CrNiMo軋輥退火工藝研究

文/石媛，白興紅，王大鵬·天津重型裝備工程研究有限公司

軋輥是軋鋼設備中的重要備件，由于其使用環境、工作狀態等要求其具有良好的綜合性能。金屬材料的性能與其化學成分和組織有密切關系。熱處理是改變材料組織的有效方法之一。對于軋輥產品，通常需要預備和最終熱處理工藝來獲得優異、可靠的綜合性能。鍛后熱處理(退火)工藝作為連接鍛造和性能熱處理的重要環節，需要消除鍛造應力，降低H含量，調整鍛造過程形成的粗大組織晶粒，為性能熱處理做組織準備。因此我們有必要對鍛后熱處理過程組織轉變進行研究，確定最佳工藝參數。

試驗材料及試驗方法

試驗材料

試驗材料牌號為60CrNiMo，經CS600設備檢測，具體化學成分見表1，利用膨脹儀測定60CrNiMo材料的轉變點，Ac1的臨界點是728℃，Ac3的臨界點是786℃。

表1 60CrNiMo化學成分(Wt.%)

試驗方法

⑴鍛態還原試驗工藝。為了模擬軋輥實際生產，需將試樣還原為鍛造結束、退火前狀態。根據現場測溫數據，制定了實驗室熱處理工藝曲線，如圖1所示。

圖1 鍛態還原熱處理試驗曲線

⑵退火試驗工藝。支承輥鍛造結束后進入鍛后熱處理(退火)階段，為了研究該過程中的組織轉變及工藝參數，制定了退火熱處理工藝曲線，如圖2所示。

圖2 退火熱處理工藝曲線

試驗結果

鍛態還原試驗結果

圖3為鍛態還原后的金相照片，可以發現，鍛造還原后晶粒非常粗大。保溫1h時，粒度已經達到0-00級。且保溫時間越長，晶粒越粗大。保溫3h與保溫1h相比，晶粒尺寸不僅整體偏大，且小晶粒數量明顯減少。

圖3 鍛態還原后的金相照片

退火試驗結果

坯料鍛造結束后，開始執行鍛后熱處理工藝，由于軋輥尺寸較大，心部和表面的加熱、冷卻速度相差很大，導致輥身心部和表面溫差很大，因此有必要對軋輥輥身溫度進行數值模擬，并依此制定軋輥輥身表面和心部的熱處理模擬曲線。此次數值模擬及室內試驗參數均以規格φ1000mm×2600mm×5100mm的軋輥作為熱處理模擬模型，如圖4所示。

圖4 φ1000mm×2600mm×5100mm軋輥模型

待料保溫時間

待料保溫段，鍛態組織需轉化為珠光體組織。為后續晶粒細化提供組織保證。此次數值模擬待料溫度為640℃，保溫時間選擇30h。模擬計算結果如圖5所示。首先依據模擬結果，制定軋輥輥身心部熱處理試驗曲線，如圖6所示。

圖5 輥身溫度數值模擬曲線

圖6 輥身心部熱處理試驗曲線

圖7～圖10為實驗室模擬鍛態輥身心部640℃保溫11.5h、13h、17.5h、30h所得金相組織。由圖7～圖8可得，640℃保溫11.5h和13h時，所得組織為馬氏體組織。由圖9～圖10可得640℃保溫17.5h和30h時，所得組織均為層片狀珠光體組織。根據圖6可得，640℃保溫11.5h和13h時，軋輥輥身心部溫度分別為670℃和660℃。640℃保溫17.5h和30h時，軋輥輥身心部溫度分別為650℃和640℃。

圖7 保溫11.5h

圖8 保溫13h

圖9 保溫17.5h

圖10 保溫30h

由以上分析可得，60CrNiMo軋輥鍛造結束后，退火待料段的保溫時間，需要保證軋輥輥身心部溫度不大于650℃，才可以滿足輥身心部鍛態組織轉變為珠光體組織。對于規格φ1000mm×2600mm×5100mm的軋輥，當軋輥輥身心部溫度降至650℃ ，輥身表面在640℃保持7h。圖11為輥身表面640℃保溫7h輥身表面熱處理試驗曲線。

圖11 輥身表面熱處理試驗曲線

圖12為實驗室模擬鍛態輥身表面640℃保溫7h所得金相組織。由圖12可得，輥身表面640℃保溫7h時，所得組織為珠光體組織。說明當輥身心部鍛態組織轉變為珠光體時，整個輥身均已組織轉變完全。

圖12 640℃保溫7h所得金相組織

奧氏體化溫度及時間

為了調整鍛造過程形成的粗大的晶粒，需要在鍛后熱處理過程中重新進行奧氏體化，獲得細小的晶粒。為此，選擇不同奧氏體溫度和時間進行室內試驗，具體工藝參數詳見表3。

表3 奧氏體溫度和時間

圖13～圖18為不同奧氏體溫度和保溫時間所得的晶粒度。奧氏體化溫度為810℃時，保溫3h和保溫10h奧氏體晶粒度分別為8級和7級。奧氏體化溫度為830℃時，保溫3h和保溫10h奧氏體晶粒度均為7級。奧氏體化溫度為850℃時，保溫3h和保溫10h奧氏體晶粒度分別為7級和6.5級。

圖13 810℃/3h 8級

圖14 810℃/10h 7級

圖15 830℃/3h 7級

圖16 830℃/10h 7級

圖17 850℃/3h 7級

圖18 850℃/10h 6.5級

隨著奧氏體化溫度的升高和奧氏體化保溫時間的增加，晶粒尺寸有所增大，但變化不大，即使在850℃保溫10h晶粒度級別仍可以達到6.5級。為了節約實際生產時間，將奧氏體化溫度定為850℃，奧氏體化保溫時間定為10h。利用模擬軟件模擬上述參數，得到軋輥輥身表面和心部溫度變化曲線，如圖19所示。850℃保溫10h時，輥身心部溫度不小于845℃保持3h，表面溫度不小于845℃保持10h左右。依據數值模擬計算結果，制定室內試驗方案，采用金相等手段對組織轉變進行了系列研究，確定退火低溫保持溫度及奧氏體化的最佳溫度及時間。

圖19 輥身表面和心部溫度變化曲線