支承輥YB-50材料過燒溫度的檢測與判定

李 姣 王敬禹(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

隨著厚板軋機向大型化、高速化、自動化方向發(fā)展，其支承輥的材料和技術(shù)也不斷地發(fā)展和變化。我公司厚板軋機支承輥最早期使用的是60CrMnMo和50CrNiMo，隨著軋制產(chǎn)品的變化和軋制技術(shù)的發(fā)展，輥身硬度要求在逐漸提高，傳統(tǒng)材質(zhì)已不能適應軋機的需求。在這種情況下，YB-50材料成功研制，使用情況良好，耐磨性和抗事故性明顯高于傳統(tǒng)材質(zhì)，至今一直廣泛使用在4300 mm級別的寬厚板和鋁板軋機支承輥上[1]。寬厚板支承輥相對于連軋機支承輥、鑄造支承輥價格更高，但是如果性能不理想，出現(xiàn)問題后造成的損失也會很大，因此穩(wěn)定中厚板支承輥制造質(zhì)量，實現(xiàn)一重中厚板支承輥制造水平的提升，具備現(xiàn)實的經(jīng)濟效益。本文采用實驗室檢測和Jmatpro理論計算手段，分析檢測YB-50材質(zhì)的過燒溫度，為提升寬厚板支承輥生產(chǎn)工藝提供依據(jù)。

1 過燒溫度的實驗室檢測

所謂過燒，即金屬或合金在熱處理加熱時，由于加熱溫度接近其固相線溫度附近，晶界氧化和開始部分熔化的現(xiàn)象。理論上講過燒溫度就是固相線溫度[2]。為了測定材料的固相線溫度，采用實驗室的Setsys Evo同步熱分析儀，分別選取支承輥工作層和心部兩種C含量不同的材料進行實驗室檢測，其C含量分別為0.94%和0.62%，檢測結(jié)果見圖1。由于當固相向液相轉(zhuǎn)變時存在明顯的吸熱現(xiàn)象，以氬氣作為保護氣氛，將粉末試樣從40℃加熱到1550℃左右，測量吸熱峰的起始位置。從圖1可見，C含量為0.94%的心部材料對應固相線溫度為1320℃，C含量為0.62%的工作層材料對應固相線溫度為1395℃。

2 基于JmatPro的理論過燒溫度計算

2.1 合金元素對過燒溫度的影響

試驗用YB-50材質(zhì)化學成分見表1。鋼的過燒溫度主要受其化學成分的影響，并且對不同的鋼種而異，通常鋼中Ni、Mo等元素使鋼容易產(chǎn)生過燒，Al、Cr、W等元素減小其過燒[2]。JmatPro是一款功能強大的材料性能模擬軟件，可以輔助科研人員進行各種材料的相平衡計算，借助JmatPro模擬軟件對試驗用YB-50鋼進行相圖計算，計算結(jié)果示例如圖2。在成分波動范圍內(nèi)，各元素成分以平均值為基準，每次選取一種元素含量由上限單調(diào)遞減至下限，通過單因素輪換研究不同元素對材質(zhì)過燒溫度的影響[3]。計算結(jié)果表明，過燒溫度隨Cr元素含量的增加呈上升趨勢，隨C、Mo、Mn、Ni、V、Si等元素含量的增加呈單調(diào)遞減趨勢。C元素和Cr元素含量對過燒溫度的影響曲線見圖3。

通過計算，發(fā)現(xiàn)對于過燒溫度起主要影響因素的是C、Si、Mo、V四種元素的含量，其中C元素影響作用最大，Cr元素對過燒溫度的影響甚微。從圖3(a)可見，C含量從0.5%增加到1.1%時，過燒溫度降低了約110℃左右，而從圖3(b)可見，當Cr元素從2.0%增加到3.0%時，過燒溫度會上升，但僅上升了不到1℃。

圖1 實驗室固相線溫度檢測曲線Figure 1 Detection curves of experimental solidus temperature

表1 YB-50材質(zhì)化學成分Table 1 Chemical compositions of YB-50 steel

圖2 YB-50鋼的相圖計算示例Figure 2 Calculated phase diagram of YB-50 steel

圖3 C和Cr元素對過燒溫度的影響Figure 3 Effects of C and Cr elements on overburnt temperatures

針對計算結(jié)果，對各元素與過燒溫度的影響曲線進行線性回歸，得到過燒溫度與化學元素含量對應關(guān)系如下：

T過燒=1520.83-180C+0.92Cr-8.43Mn-30.24Si- 3.25Ni-15.07Mo-22.73V

對于YB-50材質(zhì)，在不考慮成分偏析的前提下，以工作層取樣的化學成分檢測結(jié)果為例，其理論過燒溫度為1388℃，與實驗室檢測的固相線溫度1395℃相近。當心部C偏析時，以心部取樣的化學成分檢測結(jié)果為例，計算其理論過燒溫度為1330℃，與實驗室檢測的固相線溫度1320℃相近。

3 過燒溫度的顯微組織驗證

3.1 金相組織

TCW-32B箱式電阻加熱爐最高工作溫度是1600℃，它具有控溫精度高、結(jié)構(gòu)簡潔、可控制功率輸出等特點。本次試驗采用高溫爐加熱，重點針對支承輥心部C含量較高的材料進行過燒溫度的驗證，試驗溫度設定為1280℃、1300℃、1330℃、1350℃，高溫爐到設定溫度后試樣入爐，保溫1 h后關(guān)閉電源，爐冷緩冷至300℃左右出爐，觀察拋光態(tài)和腐蝕后金相組織形貌。YB-50支承輥心部高C材料高溫加熱后顯微組織和拋光態(tài)形貌分別見圖4和圖5。

圖4 YB-50支承輥心部高C材料高溫加熱后顯微組織Figure 4 Microstructure of the core material with high C contents for backup roll of YB-50 steel after high-temperature heating

圖5 YB-50支承輥心部高C材料高溫加熱后拋光態(tài)形貌Figure 5 Polished appearance of the core material with high C contents for backup roll of YB-50 steel after high-temperature heating

從拋光態(tài)和金相組織形貌觀察，在1280℃和1300℃擴散退火后組織中沒有明顯的過燒現(xiàn)象，1330℃時晶界開始熔化，1350℃時晶界熔化現(xiàn)象嚴重，代表過燒，因為鋼加熱到過燒溫度以上時，往往是在奧氏體晶界區(qū)首先熔化[4]。這與之前實驗室檢測的固相線溫度和JmatPro理論計算的固相線溫度完全接近。

圖6 斷口形貌觀察Figure 6 Fracture appearance at difference temperatures

3.2 沖擊斷口形貌

圖6為1280℃、1300℃、1330℃、1350℃四個溫度下的沖擊斷口形貌。從斷口形貌可見，1280℃和1300℃時斷口無明顯過燒現(xiàn)象，1330℃和1350℃時宏觀觀察斷口無金屬光澤，呈灰白色沿晶石狀斷口，顆粒粗大，顏色灰暗，微觀觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)有晶界熔化，沿晶斷裂的現(xiàn)象，屬于典型的過燒現(xiàn)象。另從沖擊試驗結(jié)果來看，1330℃和1350℃高溫加熱后材料的沖擊功大約

在4 J左右，說明在這些溫度下擴散退火后材料的韌性非常差，不適宜快速大變形。

3.3 保溫時間對組織的影響

為了驗證保溫時間對過燒溫度的影響，將1250℃、1280℃、1300℃、1330℃四個溫度下的保溫時間延長至6 h，觀察金相組織結(jié)果見圖7。延長保溫時間后，1280℃就已經(jīng)有晶界被氧化和熔化的現(xiàn)象，可見，在接近過燒溫度附近保溫時須嚴格控制保溫時間，以免發(fā)生過燒。

4 結(jié)論

(1) 實驗室固相線檢測結(jié)果表明，YB-50支承輥工作層正常C含量的材料過燒溫度約1320℃，心部高C區(qū)材料過燒溫度約1395℃。

(2) JmatPro計算出以上兩種材料的過燒溫度分別為1330℃和1388℃，與實驗室固相線檢測結(jié)果相近。

(3)在保溫時間合理的情況下，1280℃和1300℃時工作層材料和心部材料均不會過燒；1330℃以上時心部高C區(qū)材料出現(xiàn)過燒且此時材料的韌性非常差，不適宜快速大變形。

[1] 王麗娣. 淺析寬厚板軋機支承輥制造[J]. 一重技術(shù)，2008(4)：56.

[2] 呂炎. 鍛造工藝學[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[3] 李順杰，彭坤，金曼，等. Cr5鋼過燒溫度的試驗分析[J]. 金屬熱處理，2010，35(12)：98-101.

[4] 張菊水. 鋼的過熱與過燒[M]. 上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1984：180-183.