大型鍛鋼支承輥工頻淬火新工藝探索

唐廣銀，周浩平

(常州金安軋輥制造有限公司，江蘇 常州 213126)

0 前言

鍛鋼支承輥是軋機(jī)中的重要部件，用來(lái)支承工作輥或中間輥，保證工作輥軋制時(shí)的剛度。隨著冷、熱軋機(jī)不斷向高速化、大型化、高精度方向發(fā)展，對(duì)支承輥的要求越來(lái)越高。支承輥的工作條件要求其輥身必須具有高耐磨性、高屈服強(qiáng)度和高抗剝落性能，其輥頸必須具備高的韌性和抗斷裂性能。

最終熱處理是使支承輥達(dá)到使用性能要求的重要環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)大型鍛鋼支承輥?zhàn)罱K熱處理比較先進(jìn)、成熟的工藝是差溫加熱+噴霧冷卻，3%～5%Cr鍛鋼支承輥采用差溫淬火工藝其輥身硬度一般為55～72HSD，硬度均勻性±2HSD，淬火組織為貝氏體，難以制造輥身硬度72HSD以上的高硬度支承輥，生產(chǎn)成品也較高。隨著軋鋼技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)板形要求的不斷提高和板形控制CVC、HC技術(shù)的應(yīng)用，用于冷軋連退、熱鍍鋅四輥平整機(jī)支承輥要求輥身硬度73～78HSD，淬硬層深度≥50 mm。有色金屬冷軋機(jī)支承輥的輥身硬度也逐漸提高，有的輥身硬度要求已達(dá)到了75～80HSD。

普通工頻連續(xù)感應(yīng)加熱+噴水冷卻的最終熱處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)常用于制造直徑較小的鍛鋼支承輥，采用這種技術(shù)制造的支承輥淬硬層深度較淺。以前曾做過(guò)淬火剝層試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明:材質(zhì)為70Cr3Mo的支承輥采用此種工藝，輥身硬度可達(dá)72HSD左右，其淬硬層深度在35 mm左右。因此對(duì)大直徑鍛鋼支承輥熱處理進(jìn)行探索，調(diào)質(zhì)后，再采用工頻連續(xù)感應(yīng)加熱+噴水冷卻工藝，輥身硬度達(dá)到69～76 HSD，淬火層深度達(dá)到50 mm。

1 技術(shù)要求

鍛鋼支承輥材質(zhì)為70Cr3Mo，規(guī)格φ1 400×1 650×4 570，重量32 000 kg，輥頸硬度要求40～50HSD，輥身硬度要求73～78HSD，硬度均勻性不大于±2HSD，淬硬層深度≥50 mm。

2 工藝流程

大型鍛鋼支承輥生產(chǎn)的工藝流程為:原材料→煉鋼 (DC、VD)→真空鑄錠→大型壓機(jī)鍛造→鍛后熱處理→粗加工→第一次超聲波探傷→預(yù)備熱處理→半精加工→第二次超聲波探傷→最終熱處理→精加工→檢測(cè) (包括第三次超聲波探傷、硬度及幾何尺寸和形位公差等)→防銹涂裝、發(fā)運(yùn)。

2.1 輥坯狀況

輥坯經(jīng)雙真空處理，以保證其純凈度和均勻性。在大型壓機(jī)上鐓粗、拔長(zhǎng)，輥身鍛比≥3，確保輥坯鍛透壓實(shí)，并保證鍛件與鋼錠的軸線基本重合。鍛后經(jīng)正火、球化、擴(kuò)氫處理，進(jìn)一步減少鋼中氣體含量，均勻組織。粗加工后進(jìn)行第一次超聲波探傷，穿透性能良好，符合支承輥超聲波探傷質(zhì)量要求。

在輥坯冒口端切片做相關(guān)理化檢驗(yàn)?；瘜W(xué)成份按GB223的規(guī)定檢驗(yàn);點(diǎn)狀偏析按GB1979;非金屬夾雜物按GB 10561中ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖，用A法檢驗(yàn);按GB1299第一級(jí)別圖評(píng)定珠光體級(jí)別，第二級(jí)別圖評(píng)定網(wǎng)狀碳化物，第四級(jí)別圖評(píng)定中心疏松和錠型偏析。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1～3。

表1 化學(xué)成份 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.1 Chemical compositions(mass fraction)

表2 低倍組織檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of hypoploidy texture

表3 非金屬夾雜物級(jí)別Tab.3 Test results of nonmetallic inclusion

輥坯金相組織如圖1、圖2所示。

2.2 預(yù)備熱處理

大型鍛鋼支承輥的預(yù)備熱處理一般有三種:球化退火、正火+回火、調(diào)質(zhì)處理。國(guó)內(nèi)一般采用后兩種預(yù)備熱處理方法。但二者在性能及金相組織上差異較大，見(jiàn)表4和圖3、圖4所示。

表4 兩種預(yù)備熱處理方法機(jī)械性能對(duì)比Tab.4 Mechanical Properties of two preliminary heat treatments

采取何種預(yù)備熱處理方法，主要決定于對(duì)支承輥綜合機(jī)械性能的要求和采取何種最終熱理方法。為保證支承輥良好的綜合機(jī)械性能和最終熱處理質(zhì)量，預(yù)備熱處理采用調(diào)質(zhì)工藝，調(diào)質(zhì)處理后輥頸表面硬度45～48HSD。

2.3 最終熱處理

采用工頻連續(xù)感應(yīng)加熱+噴水冷卻+回火作為最終熱處理工藝。

2.3.1 感應(yīng)器設(shè)計(jì)

對(duì)大型鍛鋼支承輥進(jìn)行工頻連續(xù)感應(yīng)加熱時(shí)，所用功率很大，感應(yīng)器中流過(guò)的電流也較大，感應(yīng)器在淬火加熱時(shí)有很強(qiáng)的振動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要保證感應(yīng)器堅(jiān)固、可靠。施感線圈用紫銅管繞制而成，線圈圈數(shù)采用類比法進(jìn)行計(jì)算。匝間及層間用白布帶、玻璃布帶等纏繞后再浸漆處理，銅管中通水冷卻，保證水溫不超過(guò)50℃。由于工頻感應(yīng)加熱時(shí)漏磁嚴(yán)重，為了減少漏磁損失，必須安置導(dǎo)磁體。對(duì)連續(xù)加熱的感應(yīng)器來(lái)說(shuō)，導(dǎo)磁體磁極的軸向高度的尺寸不可過(guò)大，大多為50～60 mm。導(dǎo)磁體窗口的尺寸較為重要，它決定了感應(yīng)器單位表面功率的大小。對(duì)連續(xù)加熱的圓柱零件來(lái)說(shuō)，窗口的軸向高度一般為80～150 mm。采用厚度為0.35 mm的變壓器硅鋼片來(lái)制作導(dǎo)磁體。導(dǎo)磁體沿圓周方向均勻分布，以減少漏磁和提高加熱效率。

2.3.2 淬火控制

采用空氣爐整體預(yù)熱+機(jī)床預(yù)熱相結(jié)合的方式對(duì)支承輥進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度的選擇既要有利于改善軋輥淬火后的應(yīng)力分布，又有助于提高軋輥在感應(yīng)加熱時(shí)的透熱層深度。但過(guò)高的預(yù)熱溫度會(huì)給軋輥在冷卻過(guò)程中的冷卻速度帶來(lái)不利影響。預(yù)熱溫度的選擇是否合理關(guān)系到是否能獲得較好的淬硬層深度和理想的淬火后殘余應(yīng)力分布。

70Cr3Mo屬于過(guò)共析鋼，實(shí)驗(yàn)室條件下在790℃左右珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變成奧氏體，在830℃左右珠光體全部轉(zhuǎn)變?cè)趭W氏體，在920℃左右鋼中的合金碳化物開(kāi)始向奧氏體中溶解。臨界冷卻速度為0.9℃/s。生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況條件合理選擇淬火加熱溫度、冷卻強(qiáng)度淬火速度等參數(shù)，淬火后硬度可達(dá)90HSD以上。回火溫度的選擇根據(jù)支承輥硬度要求確定，因支承輥尺寸較大，回火保溫時(shí)間要充分，以保證組織均勻，去除殘余應(yīng)力。結(jié)合支承輥73～78HSD的輥身硬度要求，淬火后回火溫度460℃，保溫時(shí)間120 h?；鼗鸷筝伾肀砻嬗捕?5～77HSD，硬度均勻性±1HSD。

輥身兩端環(huán)裂是支承輥連續(xù)感應(yīng)加熱淬火時(shí)極易產(chǎn)生的問(wèn)題，一般認(rèn)為導(dǎo)致環(huán)裂產(chǎn)生的主要原因有以下幾個(gè):軋輥材質(zhì)本身的淬透性很好;輥身兩端倒角形狀及倒角附近的光潔度不理想;在淬火加熱時(shí)輥身兩端倒角處溫度過(guò)高或過(guò)低或溫度梯度太大;噴水冷卻時(shí)因控制不當(dāng)導(dǎo)致輥身兩端倒角處冷卻速度過(guò)快等。70Cr3Mo材質(zhì)淬透性好，要求在工頻感應(yīng)加熱時(shí)對(duì)軋輥輥身兩端倒角附近進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制。

3 相關(guān)測(cè)試

支承輥經(jīng)工頻連續(xù)感應(yīng)加熱+噴水冷卻+回火處理后，粗磨輥身后進(jìn)行殘余應(yīng)力、淬硬層深度及金相組織測(cè)試。

3.1 殘余應(yīng)力測(cè)試

殘余應(yīng)力測(cè)試儀器型號(hào)為X－350A，使用電解拋光工藝去除機(jī)械磨削造成的附加應(yīng)力，分別在距輥身端面600 mm、1 200 mm處根據(jù)GB7704《X射線應(yīng)力測(cè)定方法》進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示:支承輥輥身表面殘余應(yīng)力水平在－50～－80 MPa左右。

3.2 淬硬層深度測(cè)試

采用逐層加工法對(duì)淬硬層深度進(jìn)行測(cè)試，淬硬層深度曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，新工藝淬火輥身表面硬度76HSD，距輥身表面50 mm處，硬度為69 HSD，且過(guò)渡區(qū)硬度下降平緩。

圖5 淬硬層深度曲線Fig.5 Variation of quenching layer hardness with depth

3.3 不同深度處金相組織

支承輥距輥面不同深度處金相組織如圖6所示。

圖6 不同深度處金相組織(500×)Fig.6 Photos of metallographic structure at different depth(500×)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)φ1 400 mm 70Cr3Mo材質(zhì)大型鍛鋼支承輥調(diào)質(zhì)后，采用工頻連續(xù)感應(yīng)加熱+噴水冷卻作為最終熱處理工藝，輥身表面硬度可達(dá)75～77HSD，硬度均勻性±1HSD。

(2)自輥身表面 (硬度76HSD)至剝層69HSD處，深度為50 mm，且過(guò)渡區(qū)硬度下降平緩，淬硬層深度較原工頻連續(xù)感應(yīng)加熱淬火工藝深度35 mm提高了40%以上。

(3)與差溫加熱+噴霧冷卻工藝相比，工頻連續(xù)感應(yīng)加熱+噴水冷卻工藝具有輥身硬度高、硬度均勻性好、殘余應(yīng)力小、更加節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造帶鋼冷軋連退、熱鍍鋅四輥平整機(jī)支承輥及有色冷軋機(jī)支承輥等，其輥身硬度要求≥73HSD、淬硬層深度要求50 mm的工況。用此工藝生產(chǎn)出的支承輥在實(shí)際使用過(guò)程中耐磨性及抗疲勞剝落性能良好，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益，為大型鍛鋼支承輥的最終熱處理提供了新的思路。

［1］康大韜，葉國(guó)斌主編.大型鍛件材料及熱處理［M］.北京:龍門(mén)書(shū)局，1998.

［2］劉志儒等編著.金屬感應(yīng)熱處理 ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［3］韓瑞敏.大型鍛鋼支承輥生產(chǎn)狀況及最終熱處理工藝［J］.熱處理，2011，26(5):19－23