大型鍛鋼支承輥制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

吳 瓊

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900)

0 前言

支承輥是軋機(jī)的核心部件，直接影響軋機(jī)穩(wěn)定、產(chǎn)線順行、生產(chǎn)消耗以及產(chǎn)品質(zhì)量。近年，“三高”板帶產(chǎn)品需求的不斷增長(zhǎng)[1]，推動(dòng)了軋機(jī)裝備、軋制技術(shù)、軋輥制造和使用技術(shù)的不斷提高，半高速鋼、高速鋼材質(zhì)冷、熱軋機(jī)工作輥(中間輥)得到了推廣應(yīng)用[2-5]，其微觀組織、硬度、強(qiáng)度、耐磨性能等有較大的提升，對(duì)支承輥的使用性能提出了更高的要求。隨著大型電渣重熔[6]和整體感應(yīng)加熱設(shè)備[7]的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，為大型鍛鋼支承輥的材料、冶煉工藝、熱處理等技術(shù)的創(chuàng)新創(chuàng)造了條件。

1 支承輥的使用及性能特點(diǎn)

作為軋機(jī)的核心部件，支承輥不僅承受全部軋制力，應(yīng)具有高強(qiáng)度、高剛度，而且與工作輥(中間輥)長(zhǎng)時(shí)滾動(dòng)接觸，輥面必須具有耐磨性、抗接觸疲勞性能和抗事故性能，如圖1所示[8]。同時(shí)輥頸和輥體承受循環(huán)交變彎曲應(yīng)力，必須具有高強(qiáng)韌性和抗疲勞性能。輥面的耐磨性能和抗事故性能是最關(guān)鍵的兩項(xiàng)性能指標(biāo)。

圖1 支承輥的工作受力狀態(tài)

支承輥的輥面磨損過(guò)程可表述為滾動(dòng)接觸-疲勞-產(chǎn)生微裂紋-裂紋擴(kuò)展-形成小剝落[9]，如圖2和表1所示。不同軋機(jī)支承輥的磨損情況在有所差異。冷連軋機(jī)組前段機(jī)架的帶鋼接觸區(qū)部位，支承輥易產(chǎn)生“箱式”輥形，后段機(jī)架受工作輥彎輥影響，支承輥易產(chǎn)生“邊降式”磨損，而冷軋平整機(jī)組由于工作輥毛化影響，支承輥易產(chǎn)生整個(gè)輥面的嚴(yán)重磨損；熱軋機(jī)組由于高溫和冷卻水的交替作用，存在氧化和腐蝕環(huán)境，支承輥的磨損情況更加復(fù)雜。支承輥的失效按類型來(lái)分主要包括局部磨損、輥面壓痕、輥身剝落以及斷輥等。支承輥的抗事故性能主要是指抗壓入、抗劃傷、抗接觸疲勞、抗裂紋擴(kuò)展能力，這與材料的基體強(qiáng)度及斷裂韌性有很大關(guān)系。

圖2 支承輥的輥面接觸疲勞磨損

表1 過(guò)鋼區(qū)內(nèi)/外寬度

2 鍛鋼支承輥材料的發(fā)展

早期的支承輥材料是2%Cr(9Cr2Mo)、3%Cr系列(70Cr3Mo、50Cr3MoV、40Cr3MoV等)，80年代開(kāi)發(fā)出4%Cr、5%Cr鍛鋼支承輥材料[10]。支承輥材料的總體發(fā)展思路是：提高Cr、Mo等合金含量，降低C含量。

目前，大型板帶軋機(jī)廣泛采用5%Cr系列鍛鋼支承輥[11]。C含量0.4% ～ 0.6%、Cr含量4%～5%，具有良好淬透性和耐磨性，組織為回火貝氏體基體上彌散分布顆粒狀M7C3型碳化物，輥面硬度達(dá)到70HSD左右，工作層超過(guò)70 mm，適量添加V可細(xì)化晶粒、提高芯部強(qiáng)韌性。

為了改進(jìn)支承輥的耐磨性能，有軋輥廠商在5%Cr材質(zhì)基礎(chǔ)上，通過(guò)增加Mo、W、V等合金含量或提高Cr含量，研制出5%Cr改進(jìn)型及8%Cr材質(zhì)耐磨型鍛鋼支承輥，組織為回火馬氏體、貝氏體基體上分布M7C3、M2C、MC型復(fù)合碳化物，其使用效果如圖3所示[12]。

圖3 耐磨型鍛鋼支承輥的使用效果

有研究結(jié)果表明[13]：支承輥材料的斷裂韌性KIc值與接觸疲勞循環(huán)次數(shù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高斷裂韌性KIc值可提高支承輥使用壽命，減少組織中碳化物數(shù)量可提升斷裂韌性KIc值，如圖4所示。為了改進(jìn)支承輥的抗事故性能，有軋輥制造廠商在5%Cr材質(zhì)基礎(chǔ)上，通過(guò)降低Cr、Mo、V等主要碳化物形成合金元素的含量，同時(shí)提高Si、Mn等含量，使合金固溶進(jìn)入基體，達(dá)到固溶強(qiáng)化基體的效果，研制出抗事故型鍛鋼支承輥，其微觀組織如圖5所示，材料斷裂韌性如圖6所示[14]。

圖4 支承輥碳化物數(shù)量與斷裂韌性KIc值的關(guān)系

圖5 抗事故型支承輥(c、d)與5%Cr支承輥(a、b)的組織對(duì)比

圖6 抗事故型支承輥與5%Cr支承輥的斷裂韌性對(duì)比

支承輥不同性能之間存在一定的矛盾，比如：強(qiáng)度和韌性，因此，支承輥材料的發(fā)展方向是在保證材料綜合性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)功能化、個(gè)性化開(kāi)發(fā)，以滿足不同軋機(jī)、不同產(chǎn)品的多樣性需求。

3 鍛鋼支承輥輥坯冶煉工藝的發(fā)展

目前，鍛鋼支承輥輥坯的主要制造工藝流程為：電爐冶煉—鋼包精煉—真空脫氣—(真空)鑄錠—鍛造—鍛后熱處理—粗加工—超聲波探傷—鍛坯[15]。由于大型鍛鋼支承輥輥坯的規(guī)格大、噸位重，易產(chǎn)生鑄造缺陷，其冶煉工藝較為復(fù)雜，代表了目前大型鑄鍛件的最高水平。

上世紀(jì)90年代開(kāi)始采用的真空脫氣和真空澆注的雙真空處理工藝[16]，提高了鋼水的純凈度，最大限度地降低了鋼水中H、O、N等氣體含量，一定程度上減少了夾雜物，改善了鑄錠偏析和結(jié)晶狀態(tài)，使得輥坯的化學(xué)成份、高低倍組織、夾雜物得到有效控制。

與傳統(tǒng)的精煉工藝相比，電渣重熔冶煉工藝有如下特點(diǎn)[17]：

(1)鋼水的純潔度高。在電渣作用下可以去除鋼中大型非金屬夾雜物，極好地脫硫、脫氧，如圖7所示，因此，塑性和韌性比其他冶煉方法更優(yōu)；

(2)鑄錠偏析程度小。鋼液在水冷結(jié)晶器內(nèi)凝固，冷卻速度快，因而鋼錠成分偏析小，而且鋼的結(jié)晶是由下而上逐次地進(jìn)行，組織均勻，沒(méi)有疏松和縮孔；

(3)鋼錠利用率高，可達(dá)85%～90%。鍛件噸位越大，電渣鋼錠比普通鋼錠的利用率優(yōu)勢(shì)越大。

圖7 不同冶煉工藝的鋼水純凈度對(duì)比

由于支承輥輥坯規(guī)格較大，受電渣重熔裝備的限制以及熔渣成分變化較大、控氫、脫氧等問(wèn)題，目前尚未有采用電渣重熔工藝制造的大型鍛鋼支承輥的實(shí)績(jī)。近年，隨著大型電渣重熔工藝、裝備技術(shù)的發(fā)展和完善，采用電渣重熔工藝制備大型支承輥輥坯將成為可能。

4 鍛鋼支承輥熱處理工藝的發(fā)展

目前，鍛鋼支承輥的主要熱處理、加工工藝流程為：鍛坯預(yù)備熱處理-半精加工-最終熱處理-精加工-超聲波探傷-成品[18]。

預(yù)備熱處理工藝分為高溫正火、調(diào)質(zhì)兩種方式，以保證輥頸力學(xué)性能和輥體力學(xué)性能、調(diào)整組織為最終熱處理做準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)熱處理工藝可獲得更高的強(qiáng)韌性，尤其是斷裂韌性[19]。

最終熱處理是對(duì)輥身部位的表層淬火以及回火熱處理，是決定支承輥的工作層組織、硬度分布、應(yīng)力分布以及使用性能的關(guān)鍵工序，也是支承輥制造技術(shù)的核心所在。最終熱處理的加熱工藝一般采用差溫加熱或整體感應(yīng)加熱工藝，淬火冷卻工藝一般采用噴霧冷卻或油冷工藝。差溫加熱工藝采用高速燒嘴噴出火焰對(duì)輥身表面進(jìn)行快速加熱，使輥身表面一定深度奧氏體化而芯部仍保持在相變點(diǎn)溫度以下，然后進(jìn)行淬火的一種深層表面熱處理方法[20]，如圖8所示。目前，支承輥基本都采用差溫加熱淬火工藝生產(chǎn)。

上世紀(jì)80年代，日立制作所首先開(kāi)發(fā)應(yīng)用了工頻整體感應(yīng)加熱工藝[21]，如圖8b所示，日本鑄鍛鋼、關(guān)東特鋼和日本制鋼等相繼應(yīng)用和推廣這種工藝方法，其特點(diǎn)是加熱時(shí)間短、加熱溫度均勻、加熱層深。與差溫淬火支承輥相比，感應(yīng)淬火支承輥在淬硬層深度及硬度梯度分布、徑向殘余應(yīng)力分布等均得到有效提高，如圖9所示[22]。

采用差溫爐淬火工藝生產(chǎn)的支承輥輥身表面硬度只能達(dá)到70HSD，組織為回火貝氏體為主；而采用整體感應(yīng)淬火工藝生產(chǎn)的支承輥輥身表面硬度可達(dá)到75HSD以上，組織為回火馬氏體為主，耐磨性能明顯提高，如圖10所示。整體感應(yīng)淬火支承輥已經(jīng)成為冶金行業(yè)精品帶鋼生產(chǎn)的需要。

圖8 鍛鋼支承輥的最終熱處理加熱工藝

圖9 感應(yīng)淬火和差溫淬火支承輥的硬度分布、殘余應(yīng)力分布對(duì)比

圖10 感應(yīng)淬火和差溫淬火支承輥工作層微觀組織對(duì)比

5 結(jié)論

(1)支承輥的耐磨性能、抗接觸疲勞性能和抗事故性能是最關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

(2) 鍛鋼支承輥材料的功能化、個(gè)性化設(shè)計(jì)才能滿足不同軋機(jī)、不同產(chǎn)品的需求。

(3)采用電渣重熔工藝、整體感應(yīng)淬火工藝可得到具有優(yōu)異性能的支承輥產(chǎn)品，是支承輥制造技術(shù)的發(fā)展方向，值得深入研究。