新型材質(zhì)65SiMnMo2支承輥鍛造工藝研究

文／孫統(tǒng)輝，郭衛(wèi)東·中信重工機(jī)械股份有限公司

新型材質(zhì)65SiMnMo2支承輥鍛造工藝研究

文／孫統(tǒng)輝，郭衛(wèi)東·中信重工機(jī)械股份有限公司

大型支承輥長(zhǎng)期處于滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)疲勞的惡劣工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，要求抗斷裂能力強(qiáng)、表面耐剝落性好、耐磨性能優(yōu)良以及足夠的剛度，以保證能夠承受軋制過(guò)程中的峰值載荷。為此本研究基于先前的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了工藝研發(fā)，優(yōu)化支承輥化學(xué)成分，成功鍛制65SiMnMo2支承輥鍛件，成品輥各項(xiàng)性能指標(biāo)大幅提高。

孫統(tǒng)輝，碩士，工程師，主要從事特大型鍛件工藝研究工作。

材質(zhì)為65SiMnMo2支承輥鍛件系我公司鍛件新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，該材質(zhì)支承輥具有抗斷裂能力強(qiáng)、表面耐剝落性好、耐磨性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，本批次制造的六件65SiMnMo2支承輥鍛件為國(guó)內(nèi)首次生產(chǎn)，各項(xiàng)技術(shù)檢驗(yàn)指標(biāo)滿足用戶要求。本文重點(diǎn)介紹該批支承輥鍛件制造工藝及生產(chǎn)實(shí)踐情況。

鍛件技術(shù)要求

該項(xiàng)目共六件支承輥鍛件，按照65SiMnMo2新型材質(zhì)制造，毛坯重量10.78t，鍛件圖如圖1所示，為提高支承輥綜合機(jī)械性能，對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用我公司自行煉制的兩支53t雙真空鋼錠鍛造，每錠制3件，鋼錠材料利用率61.0%。

化學(xué)成分

鍛件化學(xué)成分滿足表1要求。

表1 65SiMnMo2材質(zhì)化學(xué)成分表

無(wú)損檢查

支承輥超聲波探傷按照J(rèn)B/T 4120-2006《大型鍛造合金鋼支承輥》執(zhí)行，其中表面波檢測(cè)按照J(rèn)B/ T 10814-2007《超聲表面波檢測(cè)》執(zhí)行。

表面質(zhì)量

輥身和輥頸的工作表面上不允許有裂紋、凹坑、非金屬夾雜、氣孔等缺陷。

圖1 支承輥鍛件圖

技術(shù)難點(diǎn)

⑴65SiMnMo2系新材質(zhì)，國(guó)內(nèi)無(wú)成功生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)參考，冶煉、鍛造及鍛后熱處理工藝參數(shù)需試驗(yàn)驗(yàn)證；

⑵化學(xué)成分中的碳及合金元素含量高，Cr、Ni、V、Nb元素的大量加入增加了鍛造開(kāi)裂傾向；

⑶超聲波探傷要求嚴(yán)格，要求離輥身表面100mm范圍不允許有當(dāng)量直徑大于φ2mm缺陷，其他區(qū)域不允許單個(gè)缺陷連續(xù)保持F≥1/2B，缺陷面積不大于25cm2。

工藝過(guò)程控制

化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

此支承輥材質(zhì)C元素含量規(guī)定0.68%～0.78%，且各項(xiàng)合金成分含量較高，屬高碳高合金軋輥鋼。該材質(zhì)在鍛造溫度下鋼的脆性和變形抗力極大，極易產(chǎn)生鍛造熱裂紋?；瘜W(xué)成分中要求V、Nb元素含量0.07%～0.18%，V、Nb元素的加入是為了提高鋼的熱強(qiáng)性，尤其N(xiāo)b元素和C、N、O有極強(qiáng)的結(jié)合力，能與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物，因而起到細(xì)化支承輥鍛件晶粒的作用。但研究同時(shí)表明，V、Nb元素對(duì)鋼的高溫塑性有著顯著的影響作用。V元素通常會(huì)加劇鋼坯在鍛造過(guò)程中的表面開(kāi)裂傾向，并且在溫度稍低時(shí)變形，裂紋擴(kuò)展的速率較快；而當(dāng)Nb元素質(zhì)點(diǎn)析出并沉淀于晶界處時(shí)，晶界滑移會(huì)受到阻礙，使鋼的塑性變形能力降低，使裂紋產(chǎn)生的幾率增大。

因此，我們對(duì)此支承輥鍛件材質(zhì)的化學(xué)成分提出內(nèi)控要求，適當(dāng)降低C、V、Nb元素含量，確保V、Nb元素細(xì)化晶粒作用的同時(shí)減少鍛造開(kāi)裂傾向。同時(shí)，技術(shù)條件中沒(méi)有對(duì)有害元素及氣體含量作出相應(yīng)要求，我們根據(jù)支承輥鍛件生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)有害元素S、P及氣體H、O、N含量提出較高內(nèi)控要求，以達(dá)到提高鋼錠和鍛件內(nèi)部質(zhì)量的目的。具體內(nèi)控要求見(jiàn)表2。

冶煉工藝研究

通過(guò)熱工試驗(yàn)表明，降低鋼在凝固后的冷卻速度，可以改善高溫塑性，提高變形能力，有助于防止裂紋產(chǎn)生。具體機(jī)理是，在較低的冷卻速度下，會(huì)使原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)充分進(jìn)行，緩解由金屬組織轉(zhuǎn)變、析出過(guò)程及溫度梯度造成的晶界處應(yīng)力集中和畸變能力升高的現(xiàn)象，使基體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，鋼錠脫模時(shí)間過(guò)早，增大了內(nèi)部與外表溫度差，使組織應(yīng)力與熱應(yīng)力增大而在鋼錠外殼薄弱處應(yīng)力集中產(chǎn)生縱裂；當(dāng)鋼錠表面溫度冷卻到400～500℃熱送，由溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較小，鋼錠內(nèi)外已經(jīng)全部完成組織轉(zhuǎn)變，因此組織應(yīng)力也基本上沒(méi)有，且此時(shí)鋼錠的抗拉強(qiáng)度有了很大的提高，減少鋼錠裂紋傾向。

因此，我們研究制定專(zhuān)用冶煉工藝，采用雙真空澆注方案，工藝要求適當(dāng)降低冷卻速度、降低脫模時(shí)間、降低脫模溫度、脫模熱送加蓋保溫罩等工藝措施減少支承輥鍛造開(kāi)裂傾向。

鍛造工藝優(yōu)化

高碳高合金軋輥鋼在鍛造溫度下降時(shí)鋼的脆性和變形抗力急劇加大，容易產(chǎn)生鍛造熱裂紋。因此鍛造工藝要求終鍛溫度由普通鋼要求的800℃提高至900℃并進(jìn)行嚴(yán)格控制，壓臺(tái)階時(shí)控制壓下量，防止坯料表面溫度降低時(shí)開(kāi)裂傾向增大。

鍛后熱處理工藝制定

此材質(zhì)公司首次組織生產(chǎn)，缺少鋼種組織轉(zhuǎn)變溫度參數(shù)和熱處理經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們通過(guò)熱工試驗(yàn)摸索其物性參數(shù)，測(cè)定Ac3點(diǎn)為817℃，正火溫度選擇880℃，確保組織充分轉(zhuǎn)變，再經(jīng)800℃球化退火和650℃高溫回火，以滿足支承輥鍛件超聲波探傷和內(nèi)部組織要求。圖2為65SiMnMo2材質(zhì)支承輥鍛件鍛后熱處理工藝曲線。

表2 65SiMnMo2材質(zhì)化學(xué)成分優(yōu)化內(nèi)控表

圖2 65SiMnMo2材質(zhì)支承輥鍛件鍛后熱處理工藝曲線

生產(chǎn)實(shí)踐

采用兩支53t鋼錠（一錠制三件）在185MN自由鍛造油壓機(jī)及31.5MN水壓機(jī)進(jìn)行鍛造作業(yè)，鍛造工藝模式為鐓粗+WHF法拔長(zhǎng)，鐓粗比2.0，拔長(zhǎng)比3.6，該鍛造方法可以有效鍛合鋼錠心部疏松性缺陷，破碎鑄態(tài)柱狀晶組織和粗大碳化物，保證鍛件的均質(zhì)性。由于對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化控制，鋼錠WHF法拔長(zhǎng)過(guò)程表面質(zhì)量良好（圖3），成品鍛件表面無(wú)裂紋、凹坑等缺陷（圖4）。由此，充分驗(yàn)證化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)、鍛造工藝優(yōu)化措施達(dá)到了預(yù)期的改善鍛造開(kāi)裂的效果。

圖3 鋼錠拔長(zhǎng)后表面質(zhì)量

圖4 成品鍛件表面質(zhì)量

質(zhì)量驗(yàn)證

鍛后熱處理出爐后進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，六件支承輥鍛件表面質(zhì)量控制良好，無(wú)可見(jiàn)的表面裂紋；毛坯超聲波探傷內(nèi)部質(zhì)量良好，滿足JB/T 4120-2006《大型鍛造合金鋼支承輥》標(biāo)準(zhǔn)要求；后期進(jìn)行用戶回訪并跟蹤裝機(jī)使用情況，服役狀況良好無(wú)剝落，性能優(yōu)于常規(guī)材質(zhì)支承輥。

總結(jié)

通過(guò)本批次支承輥的成功試制，在解決高碳高合金軋輥鋼鍛件鍛造開(kāi)裂問(wèn)題方面積累了研制經(jīng)驗(yàn)，掌握了65SiMnMo2新材質(zhì)物性參數(shù)，在大型支承輥鍛件研發(fā)方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。