中板工具鋼軋輥熱處理工藝研究

王延青 胡 兵 杜旭景 肖澤揚(yáng) 吳 昊

(1.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北054025；2.中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北054025)

隨著中厚板及爐卷軋機(jī)用輥的發(fā)展，傳統(tǒng)的高鎳鉻材質(zhì)逐漸向高鉻、高合金方向發(fā)展，國內(nèi)部分廠家開始試用高鉻鑄鐵、高鉻鑄鋼軋輥[1]。但中板軋機(jī)存在軋制速度慢、冷卻能力不足等問題，傳統(tǒng)的連軋機(jī)用高鉻鑄鐵和高鉻鑄鋼材質(zhì)并不完全適用于中板、厚板等軋機(jī)。結(jié)合當(dāng)前的市場需求及生產(chǎn)的實(shí)際狀況，需要開發(fā)研制一種新型材質(zhì)，兼具高鉻鐵材質(zhì)的高耐磨[2]和高鉻鋼材質(zhì)的高抗熱裂等優(yōu)良性能，以期達(dá)到良好的使用效果。

通過調(diào)研和理論計(jì)算，確定外層材質(zhì)的化學(xué)成分，材料成分介于鋼和鐵之間，需要進(jìn)行合理的熱處理工藝設(shè)計(jì)。熱處理方法得當(dāng)不僅能夠降低異常損失，還能最大化提高材料性能，降低生產(chǎn)成本，研究新材質(zhì)合理的熱處理方法對改善后期產(chǎn)品使用性能起到關(guān)鍵作用。

1 熱處理工藝參數(shù)確定

1.1 臨界點(diǎn)的測定

對試驗(yàn)輥切取鑄態(tài)試片，試片軸向?qū)?0 mm，徑向深45 mm。在實(shí)驗(yàn)室檢測CCT曲線并利用試片進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)，采用膨脹儀、金相顯微鏡、洛氏硬度計(jì)等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)及檢測。

利用膨脹儀確定珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率。在奧氏體化溫度980℃下進(jìn)行測定，測出Ac1=727.3℃，Accm=828.5℃。

表1 不同冷速下試樣熱處理后組織及Ms點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 1 Microstructure and Ms point data of samples after heat treatment at different cooling rates

1.2 熱處理工藝試驗(yàn)

(1)球化試驗(yàn)

球化退火是為了將鋼中碳化物球化并獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝，將鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫一段時間，然后緩慢冷卻，得到基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物組織。球化退火主要適用于共析鋼和過共析鋼。為了摸索球化退火是否對中板工具鋼軋輥?zhàn)罱K的組織性能有利，進(jìn)行了四組球化退火試驗(yàn)。

對退火后試樣徑向組織過渡進(jìn)行檢測。四組試樣表面下5 mm處球化組織的檢測結(jié)果見表2。

(2)淬火試驗(yàn)

表2 不同球化退火工藝下的熱處理后性能Table 2 Performance after heat treatment under different spheroidizing annealing processes

表3 不同熱處理工藝下的宏觀硬度Table 3 Macrohardness under different heat treatment processes

表4 不同熱處理工藝下的顯微組織及性能Table 4 Microstructure and properties under different heat treatment processes

(a)工藝Ⅰ(b)工藝Ⅱ(c)工藝Ⅲ(d)工藝Ⅳ(e)工藝Ⅴ(f)工藝Ⅵ

為確定球化退火對產(chǎn)品熱處理后組織的影響并摸索試驗(yàn)材質(zhì)淬回火工藝參數(shù)，對7個試樣進(jìn)行了鑄態(tài)+高溫處理、球化退火+高溫處理兩種不同類型共計(jì)6組熱處理工藝試驗(yàn)，淬火溫度選用980℃，回火溫度選用520℃。試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。不同工藝下試樣100倍顯微組織如圖1所示。

根據(jù)淬回火試驗(yàn)結(jié)果，采用工藝Ⅱ鑄態(tài)直接淬回火及工藝Ⅴ球化+淬回火兩個熱處理方案的試樣具有最高的宏觀硬度、顯微硬度及較細(xì)的晶粒尺寸，而工藝Ⅲ和工藝Ⅵ晶粒明顯開始長大，宏觀硬度及顯微硬度均開始下降。對比工藝Ⅱ和工藝Ⅴ熱處理后組織形態(tài)，宏觀硬度及最大基體尺寸未見明顯區(qū)別，因此設(shè)計(jì)產(chǎn)品熱處理工藝時取消球化處理。

1.3 最終工藝確定

根據(jù)測定的C曲線數(shù)據(jù)及淬回火試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)的軋輥奧氏體化溫度為900～1000℃，冷速不低于0.03℃s，根據(jù)公司現(xiàn)有冷卻設(shè)備，淬火冷卻速度設(shè)計(jì)為0.1℃s～0.2℃s。

表5 試驗(yàn)產(chǎn)品熱處理后的硬度及組織檢測結(jié)果Table 5 Test results of hardness and microstructureafter heat treatment of test products

2 產(chǎn)品性能檢測

產(chǎn)品熱處理在特大差溫淬火爐進(jìn)行，產(chǎn)品熱處理結(jié)束后進(jìn)行相關(guān)組織、硬度、性能檢測。

2.1 硬度及組織

試驗(yàn)產(chǎn)品熱處理后的硬度及組織檢測結(jié)果見表5，圖2所示為典型的熱處理后組織形貌，為馬氏體、殘余奧氏體+14.50%碳化物。

表6 試驗(yàn)產(chǎn)品熱處理后的試環(huán)逐層檢測數(shù)據(jù)Table 6 Test data of test ring layer by layer after heat treatment of test product

圖2 熱處理后組織形貌Figure 2 Microstructures after heat treatment

表7 相對耐磨性比較結(jié)果Table 7 Comparison of relative wear resistance

表8 抗冷熱疲勞性能比較結(jié)果Table 8 Comparison of anti-cold andthermal fatigue properties

2.2 徑向硬度落差及逐層組織落差

產(chǎn)品熱處理后取試片檢測，試片軸向?qū)?0 mm、徑向深45 mm。試片每5 mm檢測宏觀硬度及顯微組織。根據(jù)檢測結(jié)果，在產(chǎn)品工作層范圍內(nèi)(45 mm)的組織均為馬氏體、殘余奧氏體+碳化物，宏觀硬度值范圍75～78HSD，基體顯微硬度值范圍550～570HV。根據(jù)檢測結(jié)果，認(rèn)為產(chǎn)品工作層深度均達(dá)到淬火效果，熱處理工藝達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。試驗(yàn)產(chǎn)品熱處理后的試環(huán)逐層檢測數(shù)據(jù)見表6。

2.3 使用性能檢測

中板工具鋼的耐磨損性能是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素，同時，中板工作輥在軋制過程中長期承受冷熱交替的作用[3]，抗冷熱疲勞性能是決定板面質(zhì)量的關(guān)鍵性能指標(biāo)。中板工具鋼與高鉻鋼、高鉻鐵的相對耐磨性及抗冷熱疲勞性能對比結(jié)果如下：

(1)相對耐磨性

利用磨損試驗(yàn)機(jī)對四組中板工具鋼試樣耐磨性進(jìn)行檢測，以GCr15作為陪試樣，試樣轉(zhuǎn)速200 rmin，摩擦行程9048 m，每組試樣取四個摩擦樣，對結(jié)果取平均值。同時，選取高鉻鐵、高鉻鋼、高鎳鉻試片以相同方法進(jìn)行檢測對比，結(jié)果見表7。

(2)抗冷熱疲勞性能

利用冷熱疲勞試驗(yàn)機(jī)分別對中板工具鋼、高鉻鐵、高鉻鋼進(jìn)行冷熱疲勞性能檢測，試樣尺寸40 mm×40 mm，在600℃下進(jìn)行加熱、冷卻循環(huán)2000次，對不同材質(zhì)試樣進(jìn)行解剖測定裂紋深度，檢測結(jié)果如表8所示。

根據(jù)以上檢測結(jié)果，按研究的工藝進(jìn)行熱處理，在中板工具鋼軋輥工作層內(nèi)獲得了全馬氏體組織，宏觀及顯微性能均符合設(shè)計(jì)要求，研究出來的中板工具鋼軋輥的相對耐磨性與高鉻鐵、高鉻鋼相當(dāng)，達(dá)到高鎳鉻材質(zhì)的2倍以上，同時抗冷熱疲勞性能明顯優(yōu)于高鉻鐵、高鉻鋼及高鎳鉻軋輥，中板工具鋼輥面抗冷熱疲勞性能優(yōu)良，具有良好的輥面保持能力。

經(jīng)分析，中板工具鋼的高合金含量一部分形成碳化物作為耐磨相，另一部分進(jìn)入基體提高基體淬透性及強(qiáng)度，對C含量的設(shè)計(jì)使中板工具鋼中碳化物含量較常規(guī)高鉻鐵、高鎳鉻碳化物含量降低，減少了基體與碳化物的邊界面積，降低了碳化物與基體因物性參數(shù)差異產(chǎn)生冷熱疲勞裂紋的幾率。因此，通過合理的材質(zhì)設(shè)計(jì)及對熱處理方法的研究，最終中板工具鋼產(chǎn)品性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)球化退火工藝對中板工具鋼材質(zhì)熱處理后質(zhì)量影響較小，球化退火+淬回火工藝與鑄態(tài)直接淬回火工藝相比，宏觀硬度、顯微硬度及組織尺寸未見明顯區(qū)別。

(2)通過成分設(shè)計(jì)、熱處理工藝研究，中板工具鋼產(chǎn)品具有較高的宏觀及顯微硬度，組織及性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有良好的耐磨性及抗冷熱疲勞性，試驗(yàn)產(chǎn)品按設(shè)計(jì)的熱處理工藝生產(chǎn)后使用效果良好。