冷卻速度對支承輥用Cr5鋼顯微組織與力學(xué)性能的影響

白興紅，趙席春，趙德利，王大鵬，南玉靜

（天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

大型支承輥是現(xiàn)代軋機上的關(guān)鍵部件，主要用來支承中間輥或工作輥工作，防止工作輥在軋制過程中由于剛度不足而出現(xiàn)廢品。軋制過程中，由于支承輥受到較大的彎曲應(yīng)力，故而要求支承輥輥頸具有一定的強度和剛度，此外，輥頸還需要具有一定的韌性以保證支承輥在受到較大徑向交變應(yīng)力時不發(fā)生塑性變形或折斷[1-3]。目前，國內(nèi)外制造帶鋼冷熱連軋機支承輥的材料多采用Cr5鍛鋼[4-6]，Cr5鋼是在Cr2/Cr3鋼的基礎(chǔ)上增加Cr、減少C所開發(fā)的鋼種，具有更高的剛度。鋼中的Cr、Mo、V等合金元素都是碳化物形成元素，組織中的碳化物類型為多為M7C3，該碳化物硬度高達(dá)1800 HV[7]，均勻彌散分布在基體中時，可有效改善鋼的組織，提高鋼的綜合力學(xué)性能。

預(yù)備熱處理是支承輥制造的關(guān)鍵步驟，其主要目的是保證支承輥輥頸處的硬度和綜合力學(xué)性能，調(diào)整支承輥組織為最終熱處理做組織準(zhǔn)備。Cr5鋼支承輥預(yù)備熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，其中冷卻速度直接影響著鋼的組織形態(tài)和硬度、強度、塑韌性等力學(xué)性能，目前調(diào)質(zhì)工藝多采用油冷，污染大。本文主要研究了冷卻速度對Cr5鍛鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，探索滿足支承輥輥頸使用性能的熱處理冷卻方式，為該鋼種的熱處理工藝優(yōu)化提供參考，推進大型鍛件綠色制造進程。

1 試驗材料及方法

試驗材料為球化退火后的Cr5鍛鋼，化學(xué)成分見表1。用線切割切取塊狀試樣，在帶風(fēng)冷的高溫井式電阻爐中進行熱處理，以生產(chǎn)現(xiàn)場鍛件實際調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)、冷卻速度作為試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。具體熱處理工藝方案：900～950℃奧氏體化（Ac3=860℃），以Cr5鋼珠光體轉(zhuǎn)變溫度590℃為界限，590℃以上的冷卻速度分別為5、4、3、2.5、2℃/min，590℃以下緩慢冷卻至280℃；然后在570℃回火25 h，爐冷至300℃，出爐空冷。

表1 Cr5鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of the Cr5 steel（mass fraction，%）

采用Axio observer5m型OM觀察試樣的顯微組織；采用維氏硬度計測定試樣的硬度，載荷砝碼10 kg，按照硬度轉(zhuǎn)化表再轉(zhuǎn)化為工程常用硬度計量單位（HS）；采用300 kN拉伸試驗機進行拉伸試驗；采用夏比擺錘試驗機進行沖擊（U型）試驗。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 油冷模擬試驗

實驗室模擬生產(chǎn)現(xiàn)場油冷熱處理，900～950℃奧氏體化，油冷，然后進行570℃的回火。檢測試樣顯微組織與力學(xué)性能，與現(xiàn)場生產(chǎn)鍛件取樣進行對比，以考察實驗室模擬生產(chǎn)現(xiàn)場條件的可靠性。檢測結(jié)果顯示，實驗室模擬油冷條件下調(diào)質(zhì)后的顯微組織為“回火索氏體+碳化物”，與實際生產(chǎn)取樣檢測結(jié)果相同，如圖1所示。試樣力學(xué)性能與生產(chǎn)件檢測結(jié)果非常接近，如表2所示。可見，實驗室模擬生產(chǎn)現(xiàn)場條件的調(diào)質(zhì)熱處理，具有很高的可靠性。軋制過程中，由于支承輥受到較大的彎曲應(yīng)力，因此支承輥輥頸需要一定的強度和剛度，此外輥頸還需要具有一定的韌性以保證支承輥在工作時不發(fā)生塑性變形或折斷。支承輥輥頸技術(shù)要求見表2。

表2 經(jīng)調(diào)質(zhì)（油冷）后Cr5支承輥輥頸的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the Cr5backup roll neck after quenching and tempering（oil cooling）

圖1 Cr5鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)（油冷）后的顯微組織Fig.1 Microstructure of the Cr5 steel after quenching and tempering（oil cooling）

2.2 不同冷速下的顯微組織

試驗鋼經(jīng)不同冷卻速度淬火、回火后的顯微組織見圖2。可以看出，隨著冷卻速度的減小，組織中珠光體量不斷增加，冷速4、5℃/min時，組織中含有極少量珠光體（屈氏體）；冷速3℃/min時，組織中珠光體體積分?jǐn)?shù)接近30%；冷速降至2.5℃/min后，組織中珠光體明顯增加，冷速2℃/min時均為“珠光體”組織。

圖2 Cr5鋼經(jīng)不同冷速淬、回火后的顯微組織Fig.2 Microstructure of the Cr5 steel after quenching at different cooling rates and tempering

2.3 不同冷速下的力學(xué)性能

試驗鋼顯微組織決定了其力學(xué)性能，為考察不同冷速條件下的性能指標(biāo)是否滿足支承輥輥頸使用要求，對力學(xué)性能進行檢測，結(jié)果見表3。檢測結(jié)果顯示，隨著冷卻速度的升高，試樣強度逐漸上升，塑韌性相近。冷卻速度≥3℃/min時，抗拉強度≥1025 MPa、屈服強度≥750 MPa、硬度45～48 HS、沖擊吸收能量≥40 J，與油冷相比，各項力學(xué)性能指標(biāo)相差不大，且完全滿足支承輥輥頸的力學(xué)性能要求。冷卻速度≤2.5℃/min時，強度明顯下降。該力學(xué)性能值與上述顯微組織是對應(yīng)的。

表3 Cr5鋼經(jīng)不同冷速淬火和回火后的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the Cr5 steel after quenching at different cooling rates and tempering

2.4 生產(chǎn)試驗

通過對不同冷速下試驗鋼的顯微組織的觀察與力學(xué)性能的檢測，結(jié)合輥頸實際使用性能要求，選擇滿足輥頸力學(xué)性能指標(biāo)的冷卻方式，達(dá)到與油冷相近的力學(xué)性能。Cr5鋼支承輥合金含量高，淬硬性、淬透性較好，距輥頸表面一定深度奧氏體化后的冷卻速度≥3℃/min，即可達(dá)到與油冷相近的力學(xué)性能。以Cr5支承輥調(diào)質(zhì)冷卻方式采用強風(fēng)冷（或噴霧冷）形式為例，驗證上述研究結(jié)果的實用性。

針對一支輥身直徑為φ1350 mm、輥頸根部直徑為φ820 mm的支承輥，調(diào)質(zhì)冷卻方式采用旋轉(zhuǎn)式強風(fēng)冷。解剖檢測結(jié)果顯示，直徑φ820 mm輥頸表面至150 mm深處硬度為45 HS、抗拉強度為1029 MPa、屈服強度為787 MPa、沖擊吸收能量為48 J，完全滿足支承輥輥頸技術(shù)要求。說明采用強風(fēng)冷條件下，距表面150 mm深處的冷速≥3℃/min。

3 結(jié)論

1）實驗室模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的油冷熱處理，各項性能檢測結(jié)果相當(dāng)，顯微組織相同，說明實驗室熱處理模擬具有可靠性。

2）隨著冷卻速度的降低，Cr5鋼組織中珠光體不斷增加，冷速降低至3℃/min時，組織中的珠光體體積分?jǐn)?shù)接近30%。

3）隨著冷卻速度的降低，試樣強度和硬度逐漸下降，而塑韌性相近；冷卻速度≥3℃/min時，其抗拉強度≥1025 MPa、屈服強度≥750 MPa、硬度45～48 HS、沖擊吸收能量≥40 J。

4）生產(chǎn)試驗表明，采用強風(fēng)冷形式可使輥頸表面至一定深度處的力學(xué)性能達(dá)到油冷的效果，完全滿足支承輥輥頸力學(xué)性能。說明在強風(fēng)冷條件下，距表面150 mm深處的冷速≥3℃/min。