大型鍛鋼支承輥制造技術的現狀及發展

吳 瓊

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900)

0 前言

支承輥是軋機的核心部件，直接影響軋機穩定、產線順行、生產消耗以及產品質量。近年，“三高”板帶產品需求的不斷增長[1]，推動了軋機裝備、軋制技術、軋輥制造和使用技術的不斷提高，半高速鋼、高速鋼材質冷、熱軋機工作輥(中間輥)得到了推廣應用[2-5]，其微觀組織、硬度、強度、耐磨性能等有較大的提升，對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]和整體感應加熱設備[7]的開發及應用，為大型鍛鋼支承輥的材料、冶煉工藝、熱處理等技術的創新創造了條件。

1 支承輥的使用及性能特點

作為軋機的核心部件，支承輥不僅承受全部軋制力，應具有高強度、高剛度，而且與工作輥(中間輥)長時滾動接觸，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]。同時輥頸和輥體承受循環交變彎曲應力，必須具有高強韌性和抗疲勞性能。輥面的耐磨性能和抗事故性能是最關鍵的兩項性能指標。

圖1 支承輥的工作受力狀態

支承輥的輥面磨損過程可表述為滾動接觸-疲勞-產生微裂紋-裂紋擴展-形成小剝落[9]，如圖2和表1所示。不同軋機支承輥的磨損情況在有所差異。冷連軋機組前段機架的帶鋼接觸區部位，支承輥易產生“箱式”輥形，后段機架受工作輥彎輥影響，支承輥易產生“邊降式”磨損，而冷軋平整機組由于工作輥毛化影響，支承輥易產生整個輥面的嚴重磨損；熱軋機組由于高溫和冷卻水的交替作用，存在氧化和腐蝕環境，支承輥的磨損情況更加復雜。支承輥的失效按類型來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、抗裂紋擴展能力，這與材料的基體強度及斷裂韌性有很大關系。

圖2 支承輥的輥面接觸疲勞磨損

表1 過鋼區內/外寬度

2 鍛鋼支承輥材料的發展

早期的支承輥材料是2%Cr(9Cr2Mo)、3%Cr系列(70Cr3Mo、50Cr3MoV、40Cr3MoV等)，80年代開發出4%Cr、5%Cr鍛鋼支承輥材料[10]。支承輥材料的總體發展思路是：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，輥面硬度達到70HSD左右，工作層超過70 mm，適量添加V可細化晶粒、提高芯部強韌性。

為了改進支承輥的耐磨性能，有軋輥廠商在5%Cr材質基礎上，通過增加Mo、W、V等合金含量或提高Cr含量，研制出5%Cr改進型及8%Cr材質耐磨型鍛鋼支承輥，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

有研究結果表明[13]：支承輥材料的斷裂韌性KIc值與接觸疲勞循環次數有對應關系，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量可提升斷裂韌性KIc值，如圖4所示。為了改進支承輥的抗事故性能，有軋輥制造廠商在5%Cr材質基礎上，通過降低Cr、Mo、V等主要碳化物形成合金元素的含量，同時提高Si、Mn等含量，使合金固溶進入基體，達到固溶強化基體的效果，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 支承輥碳化物數量與斷裂韌性KIc值的關系

圖5 抗事故型支承輥(c、d)與5%Cr支承輥(a、b)的組織對比

圖6 抗事故型支承輥與5%Cr支承輥的斷裂韌性對比

支承輥不同性能之間存在一定的矛盾，比如：強度和韌性，因此，支承輥材料的發展方向是在保證材料綜合性能的基礎上，實現功能化、個性化開發，以滿足不同軋機、不同產品的多樣性需求。

3 鍛鋼支承輥輥坯冶煉工藝的發展

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格大、噸位重，易產生鑄造缺陷，其冶煉工藝較為復雜，代表了目前大型鑄鍛件的最高水平。

上世紀90年代開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晶狀態，使得輥坯的化學成份、高低倍組織、夾雜物得到有效控制。

與傳統的精煉工藝相比，電渣重熔冶煉工藝有如下特點[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；

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

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

圖7 不同冶煉工藝的鋼水純凈度對比

由于支承輥輥坯規格較大，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績。近年，隨著大型電渣重熔工藝、裝備技術的發展和完善，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展

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

預備熱處理工藝分為高溫正火、調質兩種方式，以保證輥頸力學性能和輥體力學性能、調整組織為最終熱處理做準備。調質熱處理工藝可獲得更高的強韌性，尤其是斷裂韌性[19]。

最終熱處理是對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、應力分布以及使用性能的關鍵工序，也是支承輥制造技術的核心所在。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輥身表面進行快速加熱，使輥身表面一定深度奧氏體化而芯部仍保持在相變點溫度以下，然后進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。

上世紀80年代，日立制作所首先開發應用了工頻整體感應加熱工藝[21]，如圖8b所示，日本鑄鍛鋼、關東特鋼和日本制鋼等相繼應用和推廣這種工藝方法，其特點是加熱時間短、加熱溫度均勻、加熱層深。與差溫淬火支承輥相比，感應淬火支承輥在淬硬層深度及硬度梯度分布、徑向殘余應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的支承輥輥身表面硬度只能達到70HSD，組織為回火貝氏體為主；而采用整體感應淬火工藝生產的支承輥輥身表面硬度可達到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。整體感應淬火支承輥已經成為冶金行業精品帶鋼生產的需要。

圖8 鍛鋼支承輥的最終熱處理加熱工藝

圖9 感應淬火和差溫淬火支承輥的硬度分布、殘余應力分布對比

圖10 感應淬火和差溫淬火支承輥工作層微觀組織對比

5 結論

(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鍵的性能指標。

(2) 鍛鋼支承輥材料的功能化、個性化設計才能滿足不同軋機、不同產品的需求。

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