MC5BGS軋輥50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)淬火工藝研究

王怡群，尚振偉，高全德，耿震宇，劉暢

1.河南中原特鋼股份裝備制造有限公司 河南濟(jì)源 459000

2.大連交通大學(xué) 遼寧大連 116028

1 序言

近年來，隨著鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，對(duì)軋輥的質(zhì)量性能要求明顯提高。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，各大鋼企在板帶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上不斷向高端化、多元化發(fā)展，對(duì)軋輥產(chǎn)品的質(zhì)量和服務(wù)提出越來越高的個(gè)性化要求。目前，國內(nèi)外大型鋼企普遍使用的冷軋輥一般有Cr3、Cr5及Cr6系列等材質(zhì)，越來越不能滿足用戶新的需求。

冷軋輥在使用過程中，不但受到巨大的壓力、扭轉(zhuǎn)、彎曲等作用，而且對(duì)于打滑、斷帶、黏鋼、冷卻不足等非正常軋制情況造成的熱沖擊更為敏感。熱沖擊導(dǎo)致軋輥表面溫度升高，當(dāng)溫度超過最終回火溫度時(shí)，將引起輥面局部回火、硬度降低、體積收縮，并出現(xiàn)拉應(yīng)力，若后續(xù)處理不當(dāng)，則會(huì)引起剝落事故[1]。常規(guī)的冷軋輥材質(zhì)從Cr2、Cr3到Cr5、Cr6，淬硬層越來越深，耐磨性越來越高，但是最終回火溫度一直在150℃以下，抗回火性能一直沒有提高，熱沖擊的影響后果較為惡劣，抗事故能力一般。

新一代半高速鋼、高速鋼系列產(chǎn)品，不但耐磨性更好，在機(jī)服役周期更長(zhǎng)，生產(chǎn)效率更高，同時(shí)抗回火性能大幅度提高，因此抗事故能力也同步增加，大大降低了冷軋過程中的軋輥消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，受到國內(nèi)外鋼企的關(guān)注。由于大規(guī)格高速鋼軋輥受到冶煉鍛壓技術(shù)限制，大規(guī)格的鍛坯就難以完成，所以退而求其次，開發(fā)半高速鋼軋輥是目前可行的技術(shù)路線。

由于工作輥和中間輥使用條件不同，因此性能要求不同，成分設(shè)計(jì)上差別較大，中間輥碳含量相對(duì)偏低，熱處理應(yīng)力相對(duì)較小，因此技術(shù)路線上應(yīng)先開發(fā)半高速鋼中間輥，成功后再研究半高速鋼工作輥。河南中原特鋼股份裝備制造有限公司試制MC5BGS軋輥也是基于此開發(fā)而來，市場(chǎng)上該新材料熱處理工藝處于保密階段，探索研究其雙頻感應(yīng)熱處理工藝路線及工藝參數(shù)是課題的主要任務(wù)。

2 新材料的技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)一種新的冷軋中間輥成分，研究合理的熱處理工藝，提高抗回火性，使其具備優(yōu)異的抗事故能力，優(yōu)于普通Cr5的使用性能。

目前，冷軋中間輥在使用中最大的問題是疲勞剝落，導(dǎo)致服役時(shí)間短，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。導(dǎo)致疲勞剝落的一個(gè)重要原因就是回火溫度偏低，殘余應(yīng)力釋放不充分，在使用中疊加軋機(jī)的壓下力和摩擦力等軋制應(yīng)力，造成軋輥因提前出現(xiàn)疲勞而引起剝落；另外，在保持正常硬度要求的前提下，提高最終回火溫度，可以更好地降低淬火殘余應(yīng)力，同時(shí)獲得更優(yōu)異的抗熱沖擊性能，使半高速鋼新產(chǎn)品具備良好的使用性能，抗事故能力大幅度地提升[2]。

河南中原特鋼股份裝備制造有限公司為某鋼企生產(chǎn)的中間輥規(guī)格為φ520m m×1580m m×4134m m，原采用普通C r5材質(zhì)，硬度要求82～86H S D，回火溫度約330℃。重新設(shè)計(jì)的新材料MC5BGS，通過表面50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)淬火工藝研究，使新材料達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)要求：輥身硬度為82～86HSD時(shí)，回火溫度≥450℃，高于常規(guī)Cr5軋輥回火溫度；輥身表面淬硬層400倍金相組織形態(tài)為馬氏體，級(jí)別1～2級(jí)，晶粒度8～10級(jí)。

3 新材料的成分設(shè)計(jì)

常規(guī)Cr3、Cr5的成分中抗回火性元素（如Mo、W等）含量較少，常規(guī)Cr5系列化學(xué)成分見表1。中間輥回火溫度一般在300℃左右，W元素由于成本及工藝問題一般在冷軋輥中較少應(yīng)用，通常都是以Mo含量的調(diào)整為主，同時(shí)配合Si含量及其他元素含量的調(diào)整；另外，適當(dāng)降低碳含量，減少或消除網(wǎng)狀、帶狀的產(chǎn)生，改善碳化物的形態(tài)，提高接觸疲勞強(qiáng)度。新材料MC5BGS在普通Cr5軋輥的基礎(chǔ)上調(diào)整合金成分，新設(shè)計(jì)的MC5BGS化學(xué)成分見表2。

表1 常規(guī)Cr5系列化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 MC5BGS化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4 新材料的試驗(yàn)

1）根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)試制一批MC5BGS中間輥輥坯，化學(xué)成分見表3。

表3 MC5BGS中間輥輥坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2）MC5BGS新材料試驗(yàn)輥坯尺寸規(guī)格及熱處理后硬度見表4。

表4 MC5BGS調(diào)質(zhì)后輥坯規(guī)格及硬度

以φ520mm中間輥技術(shù)條件為目標(biāo)，制作試驗(yàn)輥，進(jìn)行工藝方案試驗(yàn)。

3）淬火設(shè)備：50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)淬火機(jī)床是目前國內(nèi)外鍛鋼冷軋輥表面熱處理的主流設(shè)備，采用OSB淬火工藝方法，如圖1所示。采用兩個(gè)感應(yīng)加熱線圈順序加熱，上感應(yīng)圈連接50Hz電源，下感應(yīng)圈連接250Hz電源，可以獲得足夠深度、溫度均勻的加熱層；下面有冷卻水井，淬火后續(xù)冷效果較好，淬硬層較深，硬度梯度過渡平緩，應(yīng)力分布合理。

圖1 50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)淬火機(jī)床淬火示意

5 工藝試驗(yàn)方案

（1）工藝路線確定 調(diào)質(zhì)后，半高速鋼新材料軋輥試制工藝路線如下：半精車→粗磨輥身→預(yù)熱→雙頻感應(yīng)淬火→硬度初檢→回火→表面金相檢測(cè)。

（2）50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)淬火工藝 雙頻感應(yīng)淬火工藝控制主要依據(jù)合金元素含量來確定，C含量的降低可以減小裂紋敏感性，MC5BGS新材料Cr含量與常規(guī)Cr5相當(dāng)，爐錠號(hào)9A19572試驗(yàn)輥坯淬火參數(shù)設(shè)定見表5。根據(jù)爐錠號(hào)9A19572的輥坯淬火后硬度值是否達(dá)到指標(biāo)再對(duì)爐錠號(hào)9A19568的淬火溫度進(jìn)行調(diào)整，按照設(shè)定工藝路線，表4中兩支試料50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)熱處理預(yù)熱工藝[3]如圖2所示。

表5 MC5BGS材料50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)[4]

圖2 MC5BGS預(yù)熱工藝

爐錠號(hào)9A19572雙頻感應(yīng)淬火后硬度偏低，分析后認(rèn)為加熱溫度偏低，奧氏體化不充分，碳和合金元素固溶度不夠，因此適當(dāng)提高上下感應(yīng)器的加熱溫度，并降低加熱速度，將爐錠號(hào)9A19568的試驗(yàn)輥坯，采用新工藝淬火，改進(jìn)后MC5BGS新材料50Hz/250Hz淬火工藝參數(shù)見表6，淬火后硬度比較理想，兩支輥坯在不同淬火溫度淬火后表面硬度見表7。

表6 改進(jìn)后MC5BGS新材料50Hz/250Hz淬火工藝參數(shù)

表7 不同溫度淬火后軋輥表面硬度

將達(dá)到設(shè)定目標(biāo)的爐錠號(hào)9A19568軋輥進(jìn)行回火，MC5BGS回火工藝如圖3所示?；鼗鸷笥捕瓤刂圃?2～86HSD。

圖3 MC5BGS回火工藝

爐錠號(hào)為9A19568回火后對(duì)輥面進(jìn)行了400倍金相組織檢測(cè)，如圖4所示。輥面金相組織為回火馬氏體+少量回火屈氏體+均勻分布的粒狀碳化物，馬氏體組織級(jí)別1.5級(jí)，晶粒度9.5級(jí)。

圖4 MC5BGS輥面金相組織（400×）

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）經(jīng)過工藝方案逐一實(shí)施，最終確定了MC5BGS新材料軋輥的雙頻感應(yīng)淬火工藝，淬火后硬度達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。

2）經(jīng)450°回火，硬度區(qū)間在82～86HSD，回火溫度較常規(guī)Cr5軋輥回火溫度有很大提高，回火性能達(dá)到設(shè)定技術(shù)目標(biāo)。

3）檢測(cè)輥面400倍金相組織為回火馬氏體+少量回火屈氏體+均勻分布的粒狀碳化物，馬氏體級(jí)別1.5級(jí)，晶粒度9.5級(jí)，符合課題目標(biāo)組織要求，滿足軋輥使用要求。

7 結(jié)束語

MC5BGS新材料的50Hz/250Hz雙頻感應(yīng)淬火研究結(jié)果表明，新材料MC5BGS金相組織良好，當(dāng)硬度區(qū)間為82～86HSD時(shí)，回火溫度450℃，比原來Cr5同硬度的回火溫度高約120℃，抗回火性得到明顯提升。

經(jīng)某鋼企連軋機(jī)實(shí)際上機(jī)使用，抗事故性良好，噸鋼軋制公里數(shù)提升明顯，其綜合壽命是原來常規(guī)材料的2.0～2.5倍。新材料、新工藝的研究是企業(yè)創(chuàng)新的重要內(nèi)容，研究方向要以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向。本文所述的新材料MC5BGS雙頻感應(yīng)淬火工藝研究，經(jīng)過技術(shù)方案的反復(fù)改進(jìn)，最終滿足了中間輥的產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)。不僅豐富了公司鍛鋼冷軋輥品種，提高了新工藝、新技術(shù)的探索能力，而且為企業(yè)拓寬了新的市場(chǎng)。