新型初軋輥用鋼成分設計及熱處理工藝

2022-03-26 02:44:04白興紅南玉靜

一重技術 2022年1期

郭峰，白興紅，南玉靜

大型初軋輥主要用于二輥軋機，在軋制過程中承受著巨大的交變彎曲應力和扭矩，并伴隨有劇烈的沖擊和震動，同時軋輥表面承受灼熱軋材的強烈摩擦和激冷激熱作用，使用條件十分嚴酷[1～3]。因此，用戶要求初軋輥必須同時具有高強度和高韌性、良好的抗熱裂性及足夠的耐磨性。自上世紀60 年代以來，我國長期使用的材料有60CrMnMo、60CrNiMo 等。本文在60CrNiMo 的基礎上，通過增加Cr、Ni 元素含量，以提高初軋輥的耐磨性及抗熱裂性，開發新型初軋輥鍛鋼材料。

1 成分設計

筆者以60CrNiMo 為基礎，通過增加Cr、Ni元素含量，調整各合金元素的比例，以提高工作輥的耐磨性、抗熱疲勞等使用性能，更好地滿足初軋機的使用需求。

1.1 合金化

鉻是軋輥材料中最重要的合金元素。鉻含量的提高能顯著增加奧氏體的穩定性，降低馬氏體轉變溫度，使CCT 曲線右移，降低鋼的臨界冷卻速度，提高淬透性與淬硬性，提高鋼的耐磨性及抗疲勞性能。鎳是奧氏體固溶元素，可以提高基體的強度與淬透性，與鉻復合添加，效果更顯著；此外，鎳還可以改善鋼的韌性[4]。

1.2 碳化物

新設計成分：筆者在60CrNiMo 的基礎上提高Cr、Ni 含量，即60Cr2Ni2Mo。通過熱力學分析計算兩種材料在室溫下的碳化物含量（見表1）。

表1 兩種材料室溫下的碳化物含量（wt.%）

可以看出，提高Cr 含量明顯增加了碳化物量，特別是M7C3型碳化物的含量。M7C3顆粒小、硬度高、溶解溫度＞1 000 ℃，可顯著提高軋輥輥面的耐磨性，且可以有效阻止淬火加熱時的晶粒粗化。

1.3 淬硬層深

由60CrNiMo 及60Cr2Ni2Mo 鍛鋼材料的CCT曲線可以看出，60Cr2Ni2Mo 的珠光體區比60CrNiMo 明顯右移，貝氏體區縮小，材料淬透性明顯提高（見圖1～2）。為使硬度達到40～50 HSD，而且能夠滿足使用要求，實際生產中初軋輥要進行調質熱處理，60Cr2Ni2Mo 在調質冷卻后自表面至一定深度容易得到“非珠光體”組織，經高溫回火可以得到綜合性能優良的顯微組織。與60CrNiMo初軋輥相比，60Cr2Ni2Mo 材料的淬硬層更深，使用效果更好。

圖1 60CrNiMo 鍛鋼CCT 曲線

1.4 抗熱裂性增強

通過增加合金元素含量，能夠顯著提高軋輥的回火穩定性，從而提高抗熱沖擊性能（見圖3）。可以看出，＜550 ℃時，60Cr2Ni2Mo 材料的高溫屈服強度較60CrNiMo 有明顯升高；≥550 ℃時，兩種材料的屈服強度趨于一致。軋制過程中的輥面溫度為500 ℃，在該溫度下60Cr2Ni2Mo 的屈服強度比60CrNiMo 高100 MPa，具有更好的抗熱裂性。

圖2 60Cr2Ni2Mo（新）鍛鋼CCT 曲線

圖3 兩種材質高溫強度對比曲線

2 淬火試驗

筆者將新型初軋輥材料60Cr2Ni2Mo 在感應電爐中熔煉成小鋼錠。經過鍛后正回火，用線切割切取塊狀試樣，在高溫井式電阻爐內進行熱處理模擬，加熱800～900 ℃、保溫2 h 充分奧氏體化后出爐油冷，然后考察淬火溫度對試驗鋼顯微組織及硬度的影響。

2.1 淬火溫度對顯微組織的影響

通過觀察鍛后熱處理及不同淬火溫度下的顯微組織，可以看出，試樣的鍛后態組織為珠光體，且多呈片狀（見圖4（a），圖5（a））。在820、840、860 ℃保溫2 h 后油冷淬火的顯微組織為馬氏體和顆粒狀碳化物（見圖4（b～d），圖5（b～d））。試驗結果表明，隨著淬火溫度的升高，碳化物量明顯減少，馬氏體基體組織有粗化趨勢。

圖4 試驗用鋼淬火后的顯微組織（OM）

圖5 試驗用鋼淬火后的顯微組織（SEM）

2.2 淬火溫度對硬度的影響

檢測不同溫度淬火試樣的洛氏硬度，可以看出，在800～900 ℃范圍內，隨著奧氏體化溫度升高，試樣的淬火硬度先升高后降低，與其它高合金軋輥鋼類似（見圖6）。當淬火溫度＞860 ℃時，硬度下降，這與試樣中殘余奧氏體量增加有關[5]。隨著淬火溫度的升高，奧氏體中溶解的碳和合金元素含量增多，過冷奧氏體的穩定性得到提高，使Ms 點降低，殘余奧氏體量增多，硬度下降。淬火溫度較低時，由于奧氏體中溶解的碳和合金元素少，導致淬火后馬氏體中飽和的碳和合金元素含量較少，以至于硬化效果不佳。