王曉明 張學(xué)美 宮國(guó)峰 王剛

(天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津300301)

收稿日期：2021-07-27

冷軋輥是軋機(jī)上的主要零部件，也是在各類(lèi)軋輥類(lèi)產(chǎn)品中質(zhì)量要求最高的，因而對(duì)材質(zhì)的要求也極高。在材質(zhì)方面，鉻含量的提高是高碳鉻鉬冷軋工作輥發(fā)展的基本特征。隨著工藝的發(fā)展，冷軋工作輥的Cr含量已由最初的1.5%左右為主流發(fā)展到6%為主流。但是，由于Cr6鋼中的合金元素較高，且含碳量也較高，鋼錠在冶煉時(shí)更容易產(chǎn)生成分偏析，產(chǎn)生塊狀或共晶骨骼狀液析碳化物，這種碳化物在后期通過(guò)熱處理很難改善，而且會(huì)帶來(lái)一些二次碳化物問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，本文對(duì)MC6冷軋工作輥進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)碳化物的形成原因進(jìn)行了分析，并根據(jù)形成原因設(shè)計(jì)改善方案，以期改善冷軋工作輥的內(nèi)部質(zhì)量。

1 問(wèn)題描述

最初公司生產(chǎn)MC6材質(zhì)冷軋工作輥時(shí)，當(dāng)輥身規(guī)格大于?500 mm時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)碳化物超標(biāo)的問(wèn)題。為此，公司對(duì)MC6材質(zhì)、輥身規(guī)格?550 mm的冷軋工作輥的網(wǎng)狀問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)攻關(guān)。

2 問(wèn)題分析

為研究網(wǎng)狀碳化物的形態(tài)，進(jìn)一步分析產(chǎn)生原因，對(duì)需要攻關(guān)的軋輥取樣進(jìn)行高倍檢驗(yàn)，按GB/T 1299—2014《工模具鋼》對(duì)網(wǎng)狀碳化物進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定的網(wǎng)狀碳化物級(jí)別為3.5級(jí)以上，如圖1所示。

圖1 MC6冷軋工作輥網(wǎng)狀碳化物金相照片(500×)Figure 1 Metallographic photo of MC6 cold rolling work roll network carbide(500×)

在圖1中可以明顯看出，碳化物沿晶界析出，在晶界處偏聚，形成了粗大的碳化物網(wǎng)，這種粗大的碳化物網(wǎng)就是要攻關(guān)消除的問(wèn)題點(diǎn)。明確了碳化物形態(tài)，進(jìn)一步分析網(wǎng)狀碳化物的形成環(huán)節(jié)及形成原因。

公司生產(chǎn)MC6材質(zhì)冷軋工作輥的大致工藝流程是：ESR電渣重熔→鍛前熱處理→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→檢驗(yàn)、上交。從工序上來(lái)看，除粗加工外，其余各工序均為熱加工。理論上分析，熱加工工序?qū)μ蓟锏男纬梢约靶螒B(tài)有直接的影響。工藝流程中熱加工工序生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，且影響因素較多。為此，對(duì)各工序的代表參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，以期發(fā)現(xiàn)規(guī)律，解決問(wèn)題。

2.1 電渣重熔工序

公司使用常壓大氣冶煉電渣爐，在MC6材質(zhì)電渣錠其他工藝參數(shù)不變的前提下，分別對(duì)結(jié)晶器規(guī)格和冶煉熔速兩個(gè)參數(shù)變化對(duì)后續(xù)碳化物網(wǎng)狀級(jí)別的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，結(jié)晶器規(guī)格較小，冶煉熔速較低的輥坯，后續(xù)檢驗(yàn)網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)的數(shù)量較低，結(jié)晶器規(guī)格較大，冶煉熔速較快的輥坯，后續(xù)檢驗(yàn)網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)的數(shù)量較多。這是因?yàn)殡娫睙掃^(guò)程就是鋼坯的重熔再結(jié)晶過(guò)程。在鋼坯的冷卻結(jié)晶過(guò)程中，不可避免地存在成分偏析和結(jié)晶偏析，導(dǎo)致碳化物析出。由于Cr含量的提高，MC6鋼中的碳化物類(lèi)型多數(shù)為M7C3型。M7C3型碳化物加熱時(shí)穩(wěn)定性高，其完全固溶溫度遠(yuǎn)高于MC3型碳化物，在加熱鍛造以及后續(xù)工序中很難改善。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶器規(guī)格越大，冶煉熔速越快，電渣錠的冷卻速度越慢，成分偏析和結(jié)晶偏析就越嚴(yán)重，碳化物析出的數(shù)量就會(huì)越多，M7C3性碳化物數(shù)量也會(huì)越多，對(duì)后續(xù)輥坯加工時(shí)的影響也會(huì)越大。

表1 不同電渣冶煉參數(shù)與MC6冷軋輥網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of different electroslag smeltingparameters and MC6 cold rolling rollernetwork carbide exceeds the standard

2.2 鍛前熱處理工序

為了保證電渣錠燒透，改善電渣鋼的枝晶偏析，減少或消除電渣冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的一次碳化物，鍛造前需要進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散。對(duì)于MC6這種合金成分較高且使用要求比較嚴(yán)苛的鋼種來(lái)說(shuō)，高溫?cái)U(kuò)散是一道非常重要的工序。在MC6材質(zhì)輥坯其他工藝參數(shù)不變的前提下，分別對(duì)加熱溫度和保溫時(shí)間兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)后續(xù)碳化物網(wǎng)狀級(jí)別的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，加熱溫度較高，保溫時(shí)間較長(zhǎng)的輥坯，后續(xù)檢驗(yàn)網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)的數(shù)量較低，加熱溫度較低，保溫時(shí)間較短的輥坯，后續(xù)檢驗(yàn)網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)的數(shù)量較多。也就是說(shuō)，保溫時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越高，高溫?cái)U(kuò)散效果越好。1210℃保溫35 h的效果最好，1210℃保溫20 h的次之，1170℃保溫20 h的效果最差。這說(shuō)明，高溫?cái)U(kuò)散的效果與加熱溫度和保溫時(shí)間是函數(shù)關(guān)系。加熱溫度是高溫?cái)U(kuò)散的基礎(chǔ)，保溫時(shí)間保障擴(kuò)散的充分進(jìn)行。加熱溫度過(guò)低，達(dá)不到應(yīng)有的擴(kuò)散效果，而加熱溫度過(guò)高，又容易造成電渣錠的過(guò)燒或過(guò)熱。保溫時(shí)間短，有可能擴(kuò)散的不充分，而保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成能源的浪費(fèi)和生產(chǎn)效率的降低。從表2中還可以看出，1170℃保溫35 h和1170℃保溫20 h的超標(biāo)率接近，在1170℃的加熱溫度下，延長(zhǎng)保溫時(shí)間沒(méi)有起到明顯的作用，這說(shuō)明了低溫長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散沒(méi)有什么作用，加熱溫度是保證擴(kuò)散效果的決定因素。

表2 不同高溫?cái)U(kuò)散參數(shù)與MC6冷軋輥網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of different high temperaturediffusion parameters and MC6 cold rolling rollernetwork carbide exceeds the standard

2.3 鍛造工序

鍛造工序是MC6冷軋工作輥生產(chǎn)制造過(guò)程中最重要的一道工序。一方面，通過(guò)壓機(jī)的鍛打得到需要的輥坯形狀。另一方面，由于MC6材質(zhì)的電渣錠合金含量較高，電渣錠內(nèi)部組織的偏析程度較為嚴(yán)重，尤其是電渣錠靠近冒口的部分。該區(qū)域存在大量的非金屬夾雜物和碳化物，還有一些氣孔和疏松。通過(guò)鍛造過(guò)程，可以改變非金屬夾雜物和碳化物的形狀、大小，能夠消除鑄態(tài)組織粗大的枝晶，細(xì)化晶粒，焊合電渣錠內(nèi)部疏松、氣孔等缺陷。鍛造過(guò)程參數(shù)較多，通過(guò)理論分析，認(rèn)為影響網(wǎng)狀碳化物的參數(shù)主要有兩個(gè)，分別為鍛比和鍛后冷卻方式。在MC6材質(zhì)輥坯其他工藝參數(shù)不變的前提下，分別對(duì)鍛比和鍛后冷卻方式兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)后續(xù)碳化物網(wǎng)狀級(jí)別的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同鍛造參數(shù)與MC6冷軋輥網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of different forging parametersand MC6 cold rolling roller network carbideexceeds the standard

從表3可以看出，鍛后冷卻方式對(duì)網(wǎng)狀碳化物的影響較大，鍛后霧冷可以有效地控制MC6冷軋輥網(wǎng)狀碳化物的形成。這是因?yàn)?，MC6材質(zhì)鋼的合金元素含量較高，屬于過(guò)共析鋼，C曲線右移。終鍛完成后過(guò)共析鋼在冷卻過(guò)程中如果速度太慢，奧氏體中會(huì)析出碳元素，析出的碳元素會(huì)逐步擴(kuò)散到晶界處，形成晶間二次碳化物，二次碳化物在晶界偏聚形成了粗大的碳化物網(wǎng)。如冷卻速度較快，碳化物來(lái)不及在晶界處析出，網(wǎng)狀碳化物的形成就缺少了必然條件。從表3中還可以看出，鍛比對(duì)網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)的影響不大。雖然大的鍛比可以更有效地破碎鋼錠組織，改善碳化物形狀，但成網(wǎng)的碳化物大多為二次碳化物，鍛比的大小無(wú)法影響二次碳化物的形態(tài)。

2.4 鍛后熱處理工序

鍛后熱處理工序是MC6冷軋輥生產(chǎn)過(guò)程中得到理想組織的一道重要工序。鍛后熱處理工序有正火、球化退火以及淬火、回火。資料表明，正火工序會(huì)影響網(wǎng)狀碳化物的級(jí)別[1]。所以在MC6材質(zhì)輥坯其他工藝參數(shù)不變的前提下，分別對(duì)正火溫度和冷卻方式兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)后續(xù)碳化物網(wǎng)狀級(jí)別的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同正火參數(shù)與MC6冷軋輥網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of different normalizing parametersand MC6 cold rolling roller network carbideexceeds the standard

由表4可以看出，第一，正火冷卻方式對(duì)網(wǎng)狀碳化物的影響最大。通過(guò)噴霧冷卻，抑制了奧氏體中的碳化物析出，防止在晶界上形成連續(xù)的網(wǎng)狀碳化物，網(wǎng)狀級(jí)別較低，網(wǎng)狀超標(biāo)數(shù)量較少?？绽湟蚶鋮s速度較慢，碳化物沿晶界析出較多，網(wǎng)狀級(jí)別較高，網(wǎng)狀超標(biāo)數(shù)量較多。第二，正火溫度對(duì)網(wǎng)狀碳化物的影響也比較大。這是因?yàn)?，在前序生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)有一些網(wǎng)狀碳化物析出。因MC6鋼的Cr含量較高，鋼中的碳化物類(lèi)型由MC3型轉(zhuǎn)化為M7C3型。M7C3型碳化物加熱時(shí)穩(wěn)定性高，其完全固溶的溫度大大高于MC3型碳化物。因此，普通的正火很難消除這種網(wǎng)狀碳化物，必須進(jìn)行高溫正火。MC6輥坯的碳化物固溶溫度高于1050℃，要想完全依靠正火消除網(wǎng)狀，必須保證碳化物固溶到奧氏體中，因此必須保證正火溫度高于1050℃。

3 控制措施

3.1 電渣冶煉工序

電渣冶煉工序要控制結(jié)晶器規(guī)格和冶煉熔速，使用規(guī)格偏小的結(jié)晶器可以提高電渣錠的冷卻速度，避免一次碳化物的析出。較低冶煉熔速，可以保證電渣冶煉過(guò)程中渣洗的效果，可以保證鋼的純凈度。另外，冶煉熔速可以影響熔池形狀，從而改善電渣錠凝固過(guò)程中偏析的程度。但為保證電渣錠的表面質(zhì)量，冶煉熔速也不能過(guò)低，合理的冶煉熔速是控制MC6冷軋工作輥質(zhì)量的前提。

3.2 鍛前熱處理工序

鍛前熱處理工序要保證高溫?cái)U(kuò)散的溫度和時(shí)間。高溫?cái)U(kuò)散加熱溫度越高，擴(kuò)散的效果越好。但MC6鋼中合金元素過(guò)高，加熱溫度過(guò)高，可能會(huì)出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)過(guò)燒，而且晶粒也會(huì)長(zhǎng)大。所以，為避免其他缺陷的產(chǎn)生，將加熱溫度定在1210℃。保溫時(shí)間是保證擴(kuò)散效果的必要因素，但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成成本的浪費(fèi)，綜合考慮將保溫時(shí)間定為35 h。

3.3 鍛造工序

通過(guò)前面的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為鍛造工序影響網(wǎng)狀碳化物級(jí)別的主要參數(shù)就是冷卻速度。為此，在鍛后進(jìn)行霧冷，避免冷速過(guò)低導(dǎo)致碳化物析出。同時(shí)，控制鍛造的終冷溫度，防止終冷溫度過(guò)低，碳化物先析出。

3.4 鍛后熱處理工序

鍛后熱處理工序的控制參數(shù)是冷卻方式和正火溫度，冷卻方式是先決條件，生產(chǎn)過(guò)程中必須保證軋輥出爐速度和噴霧的效果，最大程度地避免二次碳化物的析出。高溫正火可以改善上序遺留的碳化物問(wèn)題，但是，高溫正火會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，正火后的晶粒較粗大，所以必須增加一次低溫正火，細(xì)化晶粒，改善組織。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)MC6冷軋工作輥鋼因材質(zhì)中合金元素較高，使用一般的工藝參數(shù)生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)狀碳化物級(jí)別超標(biāo)。

(2)通過(guò)調(diào)整電渣冶煉、鍛前熱處理、鍛造、鍛后熱處理工序的工藝參數(shù)，可以提高網(wǎng)狀碳化物級(jí)別，減少網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)率。