感應淬火對Cr12MoV鋼軋輥硬度和硬化層深度的影響

彭龍生， 林英華， 黃 偉， 陳 皓

(1. 湖南力方軋輥有限公司， 湖南 衡陽 421681； 2. 南華大學 機械工程學院， 湖南 衡陽 421001)

Cr12MoV鋼具有優(yōu)異的淬透性、高硬度、高耐磨、熱處理低畸變等優(yōu)點，常用于軋機中的冷軋工作輥。由于傳統(tǒng)淬火Cr12MoV鋼軋輥硬度僅為60～62 HRC[1-2]，作為工作輥需要頻繁更換以保證軋板質量，并且有些高品質產品需要高硬度軋輥才能實現高質量軋板[2]。目前市場上的Cr12MoV鋼軋輥質量不僅影響企業(yè)生產效率，還無法實現高品質軋板的制造。而要獲得高使用壽命的Cr12MoV鋼軋輥，就必須通過合理的熱處理工藝來提高鋼的硬度[3-4]。因此，如何提高Cr12MoV鋼軋輥硬度，防止生產效率低下，生產高品質軋板，是軋輥制造廠經常遇到且非常關心的問題。

目前，國內軋輥制造廠對于Cr12MoV鋼工件的淬火以鹽浴爐和真空爐加熱為主，冷卻采用油、硝鹽或高壓氣淬[5-7]。一次硬化淬火溫度為950～1040 ℃，最高硬度能達到64 HRC[8]。而若采用二次硬化淬火及多次高溫回火處理，最高硬度會略微下降，為63 HRC[8]。由于Cr12MoV鋼的碳含量和鉻含量高，使得Cr12MoV鋼相變溫度高、導熱性差及內應力大，若采用感應加熱淬火處理極易誘發(fā)Cr12MoV鋼軋輥開裂[9-10]。國內已有研發(fā)人員采用感應加熱淬火技術進行熱處理，但在軋輥不開裂條件下，硬度僅能達到62 HRC[9-10]，低于常規(guī)淬火熱處理的最高硬度?；诖?，本項目通過深入研究傳統(tǒng)淬火技術與感應加熱淬火技術原理及區(qū)別，深挖Cr12MoV鋼材質特征，解決Cr12MoV鋼軋輥采用感應加熱淬火實現高硬度與硬化層深的技術難題。

1 試驗材料與方法

試驗材料為Cr12MoV鋼軋輥，主要化學成分如表1所示。軋輥調質態(tài)硬度分別為37.5 HRC和31.5 HRC，試件外徑φ182 mm,總長度1510 mm,工作面長度1100 mm，兩頭輥直徑φ110 mm。

表1 Cr12MoV鋼軋輥的化學成分(質量分數，%)

試驗設備及儀器：SPECTRO TXC25光譜儀、通用型箱式電阻爐、T5302專用軋輥里氏硬度計、200HRD-150洛氏硬度計、Raytek紅外測溫儀、感應淬火機床(定制)、打磨機、DK7763線切割機床、Leica光學顯微鏡、金相拋光機。

分別按每個淬火加熱溫度、預熱溫度、感應線圈移動速度、感應電源頻率作為一組試驗，按試驗工藝進行淬火。淬火冷卻后依據GB/T 13313—2008《軋輥肖氏、里氏硬度試驗方法》逐個檢測軋輥工作面硬度，觀察并記錄開裂情況，每組取一個試件使用線切割機床逐條沿圓周方向截斷，制作高度為100 mm的圓柱作為硬度檢測試樣，依據GB/T 5617—2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》檢測并記錄截面處硬度。將試驗1和試驗2分別分為7組，試驗3分6組，試驗4分5組，每組5個試樣。

試驗1：本試驗的目的是用不同的溫度對試件進行感應淬火，測試試樣獲得最高硬度時對應的溫度。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進箱式電阻爐，以80 ℃/h 的速度加熱到200 ℃，保溫360 min，逐條吊出到淬火機床上進行感應加熱淬火，淬火加熱溫度、電源功率如表2所示，其他試驗參數，如感應電源頻率、冷卻水壓、感應圈移動速度、預熱溫度如表3所示。試樣淬火后冷卻至室溫吊下淬火機床。預熱目的在于解決感應淬火高硬度Cr12MoV鋼易開裂問題。

表2 感應淬火加熱溫度試驗參數

表3 其他試驗參數(淬火溫度試驗)

試驗2：針對試驗1淬火開裂的情況，本組試驗試圖通過改變預熱溫度使試樣淬火時內應力達到平衡，從而解決試驗1中淬火開裂的問題。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進箱式電阻爐，以80 ℃/h 的速度加熱到對應的預熱溫度，保溫360 min，逐條吊出到淬火機床上進行感應加熱淬火，淬火前預熱溫度和電源功率如表4所示，其他試驗參數，如淬火加熱溫度、感應電源頻率、冷卻水壓、感應圈移動速度如表5所示。試樣淬火后冷卻至室溫吊下淬火機床。

表4 感應淬火預熱溫度試驗參數

表5 其他試驗參數(預熱溫度試驗)

試驗3：研究感應圈移動速度與淬火硬度的關系，試圖通過增大感應圈移動速度讓試樣的淬火硬度進一步提高，并觀察是否出現淬火開裂情況。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進箱式電阻爐，以80 ℃/h 速度加熱到500 ℃，保溫360 min。逐條吊出到淬火機床上進行感應加熱淬火，感應圈移動速度和電源功率如表6所示，其他試驗參數，如淬火加熱溫度、感應電源頻率、冷卻水壓、預熱溫度如表7所示。淬火后試樣冷卻至室溫吊下淬火機床。

表6 感應淬火線圈移動速度試驗參數

表7 其他試驗參數(線圈移動速度試驗)

試驗4：通過改變感應電源頻率調整硬化層深度從而讓試樣達到軋輥產品要求，同時觀察改變感應電源頻率是否產生淬火開裂情況。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進箱式電阻爐，以80 ℃/h 速度加熱到500 ℃，保溫360 min。逐條吊出進行感應加熱淬火，感應電源頻率和電源功率如表8所示，其他試驗參數，如淬火加熱溫度、感應圈移動速度、冷卻水壓、預熱溫度如表9所示。淬火后試樣冷卻至室溫吊下淬火機床。

表8 感應淬火電源頻率試驗參數

表9 其他試驗參數(電源頻率試驗)

2 試驗結果與分析

2.1 感應淬火加熱溫度對淬火件硬度、開裂和硬化層深度的影響

以調質態(tài)硬度37.5 HRC軋輥試件作為對象，研究不同感應加熱溫度對淬火硬度的影響規(guī)律。圖1結果顯示，在加熱溫度低于1060 ℃時，試件硬度隨淬火溫度的升高而增加，當淬火溫度達到1060 ℃時，硬度增大到65.7 HRC；當淬火溫度高于1060 ℃后，硬度會隨加熱溫度升高出現緩慢下降趨勢，但降幅較小。然而，試驗設置的7組加熱溫度，每個試件都出現了淬火開裂，統(tǒng)計結果如表10所示。

表10 Cr12MoV鋼軋輥工作面硬度、開裂和硬化層深度與加熱溫度的關系

圖1 Cr12MoV鋼軋輥硬度與淬火溫度的關系

通過現場觀測，發(fā)現試件開裂出現時間既有在淬火加熱過程，也有淬火冷卻過程，開裂位置以工作面縱向開裂為主，并伴有橫向開裂或不規(guī)則開裂，如圖2所示。7組試樣中均存在開裂，但開裂位置并無規(guī)律。對1060 ℃淬火的試件取樣觀察顯微組織，為正常淬火組織，無過熱過燒、組織粗大的現象，如圖3所示。

圖2 試件1060 ℃感應加熱淬火開裂情況

圖3 1060 ℃淬火試件顯微組織

結合試件原始調質狀態(tài)分析，推測本次試件開裂原因：① 感應淬火產生的應力大于常規(guī)淬火產生的應力；②試件調質態(tài)硬度為37.5 HRC時，其塑韌性不足，并存在較大殘余應力，與淬火應力疊加造成開裂；③預熱溫度為200 ℃不能降低淬火應力。

由于感應加熱淬火形成的應力屬于本征應力，無法被有效解決，但可以從降低調質狀態(tài)下試樣的殘余應力和提高預熱溫度方面入手。表10試驗結果顯示，隨淬火加熱溫度升高，硬化層深度逐漸增加，但增加不明顯，淬火硬化層深度僅為8.2～8.9 mm。

2.2 預熱溫度對淬火件硬度、開裂和硬化層深度的影響

采用調質態(tài)硬度為31.5 HRC的試件，選定感應加熱溫度為1060 ℃，研究不同預熱溫度對淬火硬度的影響。表11試驗結果顯示，當預熱溫度低于450 ℃時，試樣感應淬火還是出現開裂。但當預熱溫度提高到450 ℃及以上時，試件沒有發(fā)生淬火開裂，說明在450～600 ℃之間進行預熱可有效抵消感應淬火產生的應力。可以看出，要想避免淬火開裂，既需要降低試件的調質態(tài)硬度，又需把預熱溫度提高到450 ℃以上。另外，預熱溫度太高會影響軋輥整體硬度及剛性，無法滿足冷軋輥使用要求，原則上預熱溫度不應高于調質回火溫度600 ℃。

表11 Cr12MoV鋼軋輥開裂與預熱溫度的關系

同時，通過試驗可以發(fā)現預熱溫度對工作輥表面硬度和硬化層深度影響不大(見圖4)。試樣表面平均硬度均在65.3～65.6 HRC之間，而硬化層深度隨預熱溫度提高呈緩慢增加趨勢(見圖4(b))，但增加量非常小，說明改變預熱溫度對試樣表面硬度和硬化層深度影響不大。

圖4 Cr12MoV鋼軋輥硬度(a)、硬化層深度(b)與預熱溫度的關系

2.3 感應圈移動速度對淬火件硬度與硬化層深度的影響

在2.2節(jié)結果基礎上，進一步研究。感應圈移動速度快慢對表面淬火硬度及硬化層深度的影響，結果如圖5所示。當移動速度從1.4 mm/s逐漸增加到2.0 mm/s時，淬火后硬度逐漸提高。在2.0 mm/s時，淬火硬度達到峰值69.8 HRC。此后移動速度從2.0 mm/s再增加到2.4 mm/s時，硬度緩慢降低。

本組試驗獲得最高淬火硬度比常規(guī)加熱淬火硬度有了很大突破，且整個淬火過程都未出現開裂情況。然而，此次試驗參數調整對淬火硬化層深度影響不大(見圖5(b))。隨感應圈移動速度加快，硬化層深度有所減小，減小幅度在0.3 mm之內。

圖5 Cr12MoV鋼軋輥硬度(a)、硬化層深度(b)與感應圈移動速度的關系

2.4 感應電源頻率對淬火件硬度、開裂及硬化層深度的影響

表12為不同電源頻率對軋輥工作面硬度、開裂和硬化層深度的影響。電源頻率對硬化層深度的影響比較明顯。隨電源頻率降低，硬化層深度逐漸增加。頻率降低到100 Hz時，硬化層深度達到24.1 mm，然而，試樣出現了淬火開裂。而試樣感應淬火硬度隨頻率降低并未顯著降低，保持在68～70 HRC之間。感應電源頻率在200～500 Hz時，試件沒有出現開裂，其中工作面最高硬度接近70 HRC，硬化層深度>15 mm。

表12 Cr12MoV鋼軋輥工作面硬度、開裂和硬化層深度與電源頻率的關系

3 結論

1) Cr12MoV鋼軋輥試件調質態(tài)硬度為37.5 HRC，在不預熱條件下，感應淬火出現開裂；當試件調質態(tài)硬度為31.5 HRC，在預熱條件下，隨著預熱溫度升高(≥450 ℃)，感應淬火Cr12MoV鋼軋輥不出現開裂。改變預熱溫度對試樣表面硬度和硬化層深度影響不大。

2) 隨著感應加熱溫度與感應圈移動速度提高，Cr12MoV鋼軋輥硬度出現先升高而后降低變化規(guī)律，淬火溫度和線圈移動速度對硬化層深度影響較小。

3) 隨著感應電源頻率降低，Cr12MoV鋼軋輥硬化層深度逐漸增大，但對硬度影響較小。