蔣新亮 陳先毅 羅玉立 楊 萍 趙 欣

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

試驗研究

EBR5l鍛鋼支承輥材料工藝參數(shù)研究與應(yīng)用

蔣新亮 陳先毅 羅玉立 楊 萍 趙 欣

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

為適應(yīng)對板帶鋼高質(zhì)量和品種多樣化的需求，針對先進冷熱連軋帶鋼生產(chǎn)線需求開展了5%Cr型支承輥材料(簡稱EBR51)試驗研究，設(shè)計出了材料化學(xué)成分，并進行了材料基本物理參數(shù)、材料連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變溫度、材料淬火溫度與淬硬性、回火溫度與回火穩(wěn)定性、高溫塑性與變形、材料球化溫度與組織、調(diào)質(zhì)與力學(xué)性能等試驗，結(jié)果顯示該材料完全能夠滿足高品質(zhì)支承輥的要求，并在產(chǎn)品上得到了很好的推廣應(yīng)用。

支承輥；EBR51；工藝參數(shù)

自2000年以來，為適應(yīng)板帶鋼高質(zhì)量和品種多樣化的需求，國內(nèi)新建和改建了大批先進帶鋼連軋生產(chǎn)線。這些設(shè)備對支承輥的性能和使用壽命要求很高。過去國內(nèi)長期使用的2%～4%Cr材料支承輥，因其輥身表面硬度偏低，淬硬層淺，抗剝落和抗事故能力弱而不能滿足使用要求。用戶迫切要求提高支承輥淬硬層深度和耐磨性，并具有良好的抗疲勞能力，以提高使用壽命，延長換輥周期，有效地提高板帶產(chǎn)量和質(zhì)量，降低輥耗和生產(chǎn)成本。本項目在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)今支承輥的發(fā)展趨勢，主要針對先進冷熱連軋帶鋼生產(chǎn)線需求開展了5%Cr型支承輥材料(以下簡稱EBR51)試驗研究。

1 研究的目標和內(nèi)容

1.1 研究的目標

項目研究的材料主要用于先進的冷熱連軋，所軋制的鋼種主要考慮低合金鋼、不銹鋼和一些 特殊用途薄板帶鋼，與之配合使用的工作輥為MC5、半高速鋼鍛鋼輥和高鉻鋼及高速鋼鑄造輥。

主要技術(shù)參數(shù)如下：

支承輥的適用范圍：冷熱連軋；

支承輥規(guī)格：?1000 mm～?1650 mm；

表面硬度：60～73HS；

硬度均勻性：±2.0HS；

工作層深度：≥100 mm；

輥頸硬度：40～50HS；

工作層硬度降：≤5HS。

1.2 研究內(nèi)容

研究內(nèi)容主要有：(1)材料化學(xué)成分設(shè)計；(2)材料基本物理參數(shù)測定；(3)材料連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變溫度試驗；(4)材料淬硬性與淬火溫度試驗；(5)材料回火溫度及回火穩(wěn)定性試驗；(6)材料高溫塑性與變形試驗；(7)材料球化、調(diào)質(zhì)與力學(xué)性能試驗。

支承輥輥身工作層具有良好的耐磨性和抗接觸疲勞性能，輥頸和芯部良好的強韌性，工作層近表面(≥20 mm)為馬氏體組織，其余為貝氏體組織，芯部為珠光體組織。

2 材料化學(xué)成分設(shè)計

材料化學(xué)成分是決定鍛鋼支承輥使用性能的關(guān)鍵，根據(jù)國內(nèi)外先進的冷熱板帶鋼連軋線使用要求，參考國內(nèi)外高鉻鍛鋼支承輥使用效果，確定EBR51型鍛鋼支承輥化學(xué)成分為5%左右Cr、0.45%～0.60%C為主，配以適量的Mo、Mn、Si、V等元素為試驗材料，主要為了降低C含量使其接近于中碳鋼水平以減少脆性和淬裂傾向，通過提高合金含量增加淬透性和淬硬性。在EBR51試驗材料組成中，各合金元素選擇的原則如下：

(1)C

C是軋輥材料的主要成分之一，對軋輥的硬度和耐磨性、接觸疲勞性能影響較大。鋼淬火后的硬度主要取決于鋼的含C量，當鋼的含C量低于0.60%時，淬火后鋼的硬度值隨含C量增加幾乎呈直線上升，但當含C量超過0.60%時硬度值增加趨緩，淬火馬氏體的硬度取決于馬氏體的C含量，而與馬氏體的合金元素含量關(guān)系不大[1]。由于支承輥截面直徑很大，淬火后存在很大的殘余應(yīng)力，過高的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致軋輥剝落的主要原因之一。為避免這種影響，軋輥淬火后都應(yīng)在較高溫度回火，一般是在彈塑性轉(zhuǎn)變溫度以上回火，可有效地消除殘余應(yīng)力。實踐表明，同類軋輥淬火后回火，含C量高的軋輥由于淬火硬度高，回火后硬度也高于含C量低的軋輥。由此可知，軋輥材料選擇適當?shù)暮珻量是降低殘余應(yīng)力、防止剝落的措施之一。

支承輥在工作中表面承受巨大的周期性接觸應(yīng)力，由此要求軋輥有較高的接觸疲勞強度以避免剝落和裂紋產(chǎn)生。鋼的含C量對接觸疲勞有重要影響，因為接觸疲勞強度的大小在很大程度上取決于鋼的塑性變形抗力的高低，通過增加第二相質(zhì)點數(shù)量以及彌散度，可提高鋼的塑性變形抗力，所以對Cr5型鍛鋼支承輥材料來說，把含C量控制在適當?shù)乃绞潜匾?。研究表明，含C量高于0.60%時，基體組織中容易析出過剩網(wǎng)狀碳化物或粗大塊狀碳化物，雖然軋輥的硬度和耐磨性因碳化物數(shù)量增加而有所提高，但是塑性和韌性卻降低較多[1]。隨著合金元素加入，冶煉鋼錠錠型的加大，C在鋼水凝固過程中，存在很大程度的偏析，這種偏析可達15%～30%，這樣大的偏析不僅使熱加工難度增大，而且會引起軋輥性能不均勻，局部區(qū)域表面發(fā)生裂隙[2]，抗熱沖擊性能大幅度降低，致使支承輥抗剝落和抗事故能力變差?？紤]到C與高Cr的結(jié)合作用，為減少偏析，同時有利于提高材料的高溫塑性和強度，確保高溫下的鍛造變形順序，EBR51型支承輥材料的C含量控制在0.45%～0.60%為宜。

(2)Si

Si屬于非碳化物形成元素，可強化基體，提高組織的回火穩(wěn)定性，同時還能提高變形抗力和沖擊疲勞抗力，但Si含量過多會加重大型鋼錠的偏析，使材料的可鍛性變差，脫碳傾向增大。故Si含量應(yīng)適中，可控制在0.50%～0.80%。

(3)Mn

Mn屬于擴大奧氏體相的元素，同時也降低過冷奧氏體的分解溫度，有利于提高淬透性，但過多的錳加入，會引起碳偏析加劇，引起軋輥心部組織析出網(wǎng)狀或大塊狀碳化物，導(dǎo)致軋輥抗事故能力降低。因此，EBR51型支承輥材料的Mn含量不宜高，以免淬火后殘余奧氏體過多，將Mn含量控制在0.50%以下較為合適。

(4)Cr

Cr是支承輥鋼中最主要的合金元素，它是強碳化物形成元素，主要以M3C和M7C3型存在[3]。M7C3型碳化物穩(wěn)定性高于M3C合金滲碳體，在淬火加熱時Cr元素絕大部分完全溶解固溶。Cr元素顯著增加奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性和淬硬性[4]，并提高鋼的耐磨性和抗疲勞性能。Cr含量過高則含Cr碳化物量太多，將Cr控制在5%左右是較合適的選擇。

(5)Mo和V

加入Mo可以形成M2C型碳化物，可提高軋輥的淬透性和回火穩(wěn)定性并改善材料的耐磨性。含Mo量在1.00%以下時，有利于支承輥工作層獲得馬氏體和貝氏體類的細晶組織。Mo含量太高，會增加大型鋼錠的偏析、降低材料的高溫塑性，同時增加熱變形抗力，加大鍛造裂紋的風(fēng)險。綜合考慮，對于一般冷熱連軋使用條件，將支承輥材料的Mo含量控制在0.6%左右已經(jīng)足夠。

加入V可形成細小的VC質(zhì)點，既可起強化作用，又可以細化奧氏體晶粒，但大于0.3%時其效果不是很明顯，并且增加脆性風(fēng)險和裂紋的敏感性[5]。EBR51型支承輥材料將V控制在0.3%以下比較合理。

根據(jù)合金化原理，采用Jmatpro軟件對不同組分的材料進行了計算和篩選，最終確定EBR51型鍛鋼支承輥材料設(shè)計的化學(xué)成分如表1所示。

3 試驗

3.1 試料制備

3.1.1 鋼的冶煉、澆注

使用150 kg中頻感應(yīng)爐冶煉，澆注成150 kg小鋼錠，化學(xué)成分列于表2。

表1 鍛鋼支承輥材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of materials of forged steel back-up roll (Mass,%)

表2 材料冶煉化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical composition of material smelting(Mass,%)

3.1.2 試料鍛造

加熱到1200℃，鍛造成方坯作為試驗用料。

3.1.3 材料可鍛性實驗結(jié)果及評價

150 kg鋼錠鍛造過程正常，變形效果好。鍛造工藝實施過程中，在1200～1220℃下保溫后出爐鍛造，不僅沒有裂紋產(chǎn)生，而且塑性較好。

3.2 材料物性參數(shù)測定

使用儀器為Formastor-D全自動相變儀、MM6型金相顯微鏡及維氏硬度計。測試相變點、顯微組織和維氏硬度等。EBR51材料測試結(jié)果如下：

(1)轉(zhuǎn)變臨界溫度Ac1為744℃，Acm為829℃；

(2)馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms為313℃；

(3)模量191 GPa；

(4)冷卻時間與維氏硬度的關(guān)系見圖1。

經(jīng)奧氏體化后在不同冷卻速度下，過冷奧氏 體在740℃開始轉(zhuǎn)變，若冷卻速度慢于1.55℃/min(93℃/h)，則獲得珠光體組織；逐漸增大冷卻速度達到1.8℃/min(110℃/h)，可獲得珠光體及少量的貝氏體組織；冷卻速度增大到3.6℃/min(216℃/h)，獲得貝氏體+馬氏體+奧氏體組織。過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度為313℃。因此，EBR51差溫淬火時冷卻速度應(yīng)控制在16～3.6℃/min，理想冷卻速度應(yīng)控制在13～8℃/min。由此表明，材料的淬透性能滿足支承輥差溫淬火要求，優(yōu)于3%～4%Cr型材料。

圖1 從940℃至40℃冷卻時間與維氏硬度的關(guān)系Figure 1 Relationship between cooling time and Vickers hardness from 940℃ to 40℃

3.3 淬硬性與淬火溫度試驗

3.3.1 試驗方法

將EBR51材料加工成25 mm×25 mm試樣，每組兩件，經(jīng)不同奧氏體化溫度加熱后油淬處理，檢測硬度。熱處理及淬后回火工藝如圖2所示。油淬后的試樣端面磨光至粗糙度1.6 μm后打3點硬度取平均值。之后再進行480℃回火處理檢測硬度并進行金相試驗，測試淬火溫度對硬度變化的影響，從而得到支承輥材料的最佳淬火溫度。

圖2 淬火試驗工藝曲線Figure 2 Process curve of quenching test

3.3.2 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過不同奧氏體化溫度加熱油淬處理后材料的硬度檢查結(jié)果以及油淬+480℃回火處理的硬度變化曲線如圖3所示。隨著淬火溫度的提高，硬度也隨之升高，在960～980℃淬火時硬度達到最高；溫度繼續(xù)升高，硬度逐漸下降，組織為馬氏體。材料經(jīng)淬火+480℃回火處理后，在910～1000℃淬火時硬度變化不大，而在1000℃以上時硬度降幅增大，經(jīng)910～1050℃淬火+480℃回火 后硬度保持在65HS以上。這個結(jié)果充分表明EBR51材料具有很好的淬硬性和淬透性。不同溫度淬火+550℃回火后的顯微組織如圖4所示。

圖3 Cr5-1材料淬火、回火硬度變化曲線Figure 3 Curve of hardness changes of quenching and tempering of material Cr5-1

(a)934℃油淬+550℃回火(b)960℃油淬+550℃回火(c)980℃油淬+550℃回火(d)1000℃油淬+550℃回火

圖4 淬火+回火顯微組織(500×)
Figure 4 Microstructure of quenching and tempering (500×)

3.4 鋼的回火穩(wěn)定性試驗

3.4.1 試驗方法

將原始態(tài)材料試樣加工成25 mm×25 mm試樣，分別經(jīng)兩種不同溫度淬火加熱保溫1.5 h出爐油淬經(jīng)不同溫度回火，將試樣端面磨光檢測硬度，每個試樣打3點，取平均值。通過對不同溫度回火后的硬度值變化，判斷材料的回火穩(wěn)定性。

3.4.2 試驗結(jié)果與分析

材料油淬+不同溫度回火后的硬度變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，淬火后，當回火溫 度在560℃以下時材料硬度變化不大，回火溫度高于560℃時硬度開始下降，到580℃時硬度降低幅度明顯加大。600℃以下回火硬度多保持在60HS以上。

圖5 回火硬度變化曲線Figure 5 Curve of hardness changes of tempering

3.5 材料球化試驗

一般情況下，支承輥鍛后需要進行一次正火+球化退火，消除鍛造應(yīng)力并使鍛造組織得以均勻和細化，消除網(wǎng)狀碳化物，為粗加工后的預(yù)備熱處理做好組織性能準備。對于Cr含量較高的合金鋼來說，大鋼錠會促使局部發(fā)生嚴重偏析，在大截面支承輥心部，這種偏析常易引起沿晶界析出網(wǎng)狀碳化物，使材料性能劣化，會增加淬火裂紋的風(fēng)險。因此，改變碳化物形態(tài)與分布是鍛后熱處理必須認真解決的問題。目前，解決高Cr合金鋼鍛件中網(wǎng)狀碳化物問題的有效手段是將正火后的鍛件在鋼的Ac1以上適當高的溫度下長時間保溫，從而達到消除網(wǎng)狀碳化物、細化晶粒、改善鍛件組織性能的目的。本項目采用Ac1臨界點+20～60℃作為球化試驗溫度。

3.5.1 試驗方法

試驗采取奧氏體化正火+球化退火方式。

試驗檢驗項目有金相、晶粒度、碳化物形態(tài)等，對球化效果進行評定，得到最佳球化溫度和支承輥鍛后可采用的球化退火工藝溫度參數(shù)。

(a)正火+退火1 (b)正火+退火2圖6 材料球化退火顯微組織與晶粒度(500×)Figure 6 Microstructure of spheroidizing and annealing of materials and grain size

3.5.2 試驗結(jié)果與分析

材料球化試驗結(jié)果見圖6。

可以看出，顯微組織為粒狀珠光體十彌散狀碳化物，晶粒度為8級。

從試驗結(jié)果可以看到，材料在奧氏體化以較慢的速度冷卻后經(jīng)球化處理，絕大多數(shù)都能得到較好的球化效果，獲得細珠光體和彌散度很高的碳化物組織；材料組織能滿足鍛件機械加工和預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)工藝要求。以上結(jié)果表明，EBR51材料具有良好的球化效果。

3.6 預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)工藝試驗

3.6.1 試驗方法

支承輥差溫熱處理前一般要進行調(diào)質(zhì)處理，以強化基體力學(xué)性能并獲得良好的強韌性。

根據(jù)前期材料特性試驗結(jié)果，將材料奧氏體化后，模擬支承輥油冷效果?？紤]到支承輥預(yù)備熱處理一般采用高溫回火，所以此試驗的回火溫度設(shè)定為600～700℃，以評定材料力學(xué)性能隨回火溫度變化關(guān)系。

3.6.2 試驗結(jié)果與分析

圖7為不同回火溫度的力學(xué)性能變化曲線。從試驗結(jié)果可以看出，EBR51材料經(jīng)過模擬調(diào)質(zhì)熱處理，隨著回火溫度的升高，Rp0.2、Rm明顯降低，而沖擊值明顯升高；在600℃回火時，Rm達到1200 MPa，Rp0.2為1080 MPa，KV8為54 J；660℃回火時KV8值達到最高值為73 J；在700℃回火時，保持在Rp0.2為840 MPa，Rm為990 MPa，KV8為68 J。這樣的力學(xué)性能及分布情況表明該材料的綜合性能優(yōu)良，完全可以滿足支承輥差溫淬火工藝和輥頸、輥身綜合力學(xué)性能的要求?；鼗鸷笥捕戎禐?3～55HS，滿足冷熱連軋支承輥輥頸硬度要求范圍。

圖7 不同回火溫度的力學(xué)性能變化曲線Figure 7 Curve of mechanical properties changes at different tempering temperature

4 應(yīng)用情況

通過研究EBR51型材料工藝參數(shù)，制定了板帶鋼冷熱連軋用大型鍛鋼支承輥的制造工藝，在此基礎(chǔ)上研制出了該產(chǎn)品全套制造工藝，生產(chǎn)出的支承輥已廣泛用于寶鋼、武鋼、鞍鋼、本鋼、邯鋼、太鋼、國豐、八一鋼廠、重鋼、攀鋼、新余鋼廠、馬鋼、威鋼、泰鋼、港陸、漣鋼、三明鋼廠及波蘭等國內(nèi)外20余家大型鋼鐵企業(yè)的大型軋機，使用效果很好，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)論

對EBR51型支承輥新材料從成分設(shè)計到材料特性工藝試驗進行了較系統(tǒng)的研究，結(jié)論如下：

(1)EBR51型材料以0.45%～0.55%C、4.5%～5.5%Cr配以Mo、V、Mn、Si組成中碳合金鋼，具有較好的熱加工工藝性能。

(2)EBR51型材料具有良好的淬硬性和淬透性，經(jīng)850～1050℃油淬+300～600℃回火處理，可以得到64～74HS硬度。淬火組織為馬氏體。該材料用于支承輥制造，差溫淬火后可以獲得很好的表面硬度和淬硬層深度。

(3)EBR51材料分別經(jīng)淬火+200～700℃回 火，硬度值在620℃回火時才出現(xiàn)大幅度下降，在200～600℃回火范圍均保持在60HS以上，該材料具有良好的回火穩(wěn)定性。

(4)EBR51材料經(jīng)球化處理，都能獲得細小的粒狀珠光體組織，碳化物彌散度高。

(5)EBR51材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其力學(xué)性能完全滿足支承輥差溫淬火對基體力學(xué)性能的要求，硬度為43～55HS，完全滿足輥頸硬度要求。

(6)從150 kg該材料小鋼錠鍛造工藝性試驗看，在1220～900℃鍛造溫度范圍內(nèi)具有較好的高溫塑性，不會引起大的裂紋和缺陷產(chǎn)生，這也在產(chǎn)品生產(chǎn)中得到了驗證。

(7)該材料在產(chǎn)品上得到了很好的推廣應(yīng)用，生產(chǎn)出的支承輥已廣泛用于板帶鋼冷熱連軋生產(chǎn)線，使用效果良好，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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編輯 杜青泉

Research of Process Parameters of Materials and Application of EBR51 Forged Steel Back-up Roll

JiangXinliang,ChenXianyi,LuoYuli,YangPing,ZhaoXin

In order to meet the demands of high quality and diversification of strip steel, focusing on the needs of advanced production line of hot and cold steel strip,the experimental study on materials of 5%Cr type back-up roll was developed to design the chemical composition of materials.Meanwhile,the tests,such as hardenability with basic physical parameters of materials,material continuous cooling transition temperature and material quenching temperature,temper resistance with temper temperature,deformation with hot ductility,structure with spheroidization temperature of materials,mechanical property with quenching and tempering,were performed.The results showed that such materials could completely meet the requirements of high quality back-up rolls and the products made out of such materials have been well promoted and applied.

back-up roll, EBR51, process parameter

TG162.6

B

2017—07—01