應用于超高強鋼的滾筒剪刀片失效分析及改進研究

吳 軍， 潘勛平

（寶鋼日鐵汽車板有限公司， 上海 200941）

寶鋼日鐵汽車板有限公司（全文簡稱寶鋼）1 800四冷軋酸洗連軋機組由日本三菱日立公司總體設計并提供主要設備的具有世界先進水平的機組，其產品主要有低碳鋼和60 K 級的高強鋼，年產量為176萬t，但隨著產品結構調整調整，產品規格最大拓展到1180 MPa 超高強鋼等級。隨著酸軋機組超高強鋼比例不斷提升、軋制負荷不斷加重，使得出口滾筒剪使用壽命不斷縮減，并發生多次崩刀情況，嚴重影響機組連續性生產，因此嘗試對剪切刀片進行改進研究。

1 產線刀片失效分析

1.1 概述

寶鋼1 800 四冷軋酸洗連軋機滾筒剪刀片發生嚴重崩落，導致機組停機101 min。期間生產14 卷780 MPa 和3 卷1 180 MPa 高強鋼。該滾筒剪刀片為日本進口，廠家為NippaTech（代號NT），上機使用2 個月左右，而一般正常的使用壽命應該在4 個月左右。

1.2 斷口觀察

取刀片崩刃中部區域進行斷口觀察。體式顯微鏡下的斷口低倍照片，可見開裂形貌平整，無明顯的疲勞擴展痕跡，也無明顯塑性變形痕跡，初步判斷為脆性開裂。掃描電鏡下的斷口高倍形貌，為河流狀花樣的解理斷口，斷口上可見殘留的大塊碳化物。

1.3 微觀組織分析

取斷口處截面進行微觀組織觀察?；w組織為高碳的針狀馬氏體，晶粒尺度較細（10～20 μm），有大量一次碳化物（直徑約10～40 μm）和二次碳化物（直徑約納米到微米級）。

微觀組織及裂紋形貌，可見斷口處有大塊碳化物，及碳化物剝落形成的孔洞。大塊碳化物的存在會降低刀片的沖擊韌性及裂紋擴展抗力。

1.4 化學成分分析

表1 列出該失效刀片實測化學成分及Cr8 材質的化學成分范圍?？梢奛T 刀片材質應該屬于Cr8 材質。

表1 刀片化學成分 %

1.5 硬度檢測

對刀片截面硬度進行測量，該刀片由表及里硬度比較均勻，HRC 保持在59～60 之間。

1.6 強度和韌性檢測

采用螺紋拉伸試樣和無缺口沖擊試樣，得到該刀片的拉伸和沖擊性能?？估瓘姸冗_到1 420～1 520 MPa，沖擊韌性只有3～16 J。韌性較低。

1.7 失效分析總結

對于該刀片的失效分析初步結論如下：

1）該刀片材質為Cr8，P、S 等夾雜物含量控制的較好，基體組織為針狀回火馬氏體，有大量的大塊一次碳化物，硬度HRC 較高59～60。

2）失效的主要原因有兩個：一是高強鋼的剪切抗力很高，相較于普通鋼板，其對刀片的損傷更大；二是該刀片材質設計和硬度控制以耐磨性為主，沖擊韌性和抗裂紋能力較弱，不適應超高強鋼剪切[1，2]。

2 新材質刀片研制

根據傳統金屬理論表明，鋼鐵材料的高強度、高硬度與優良沖擊韌性是相互矛盾的，所以如何使剪刃刀片材料同時滿足高強度、高硬度、優秀的熱強性、耐磨性和優良沖擊韌性要求正是超高強度剪刃刀片的關鍵難度所在。

為了滿足上述要求，綜合變質及微合金化技術對化學成分進行優化，以及配套對新材質刀片冶煉及熱處理工藝優化，具體內容如下。

2.1 化學成分優化設計

2.1.1 基礎化學成分的優化

1）降低碳含量，可以顯著提高材料的韌性，但由于碳的減少，會造成材料中碳化物含量降低，會降低材料的耐磨性和硬度。

2）調整Mo 含量，該元素能夠提高材料的淬透性和熱強性，防止回火脆性，并對回火穩定性有重要作用。該元素含量的增加可以保證剪刃的淬硬性和較高的回火溫度。

3）調整Ni 含量，Ni 元素一方面能夠強烈提高鋼的強度、淬透性，另一方面可以使材料的韌性保持在較高的水平。另外可阻止高溫時晶粒的增長，保持細晶粒組織。

4）優化V 含量，按照高速工具鋼的成分設計。V元素的加入可以細化鋼的組織和晶粒并增加淬火鋼的回火穩定性，產生二次硬化效應。利用此特性，可以設計較高的回火溫度。

2.1.2 復合變質技術

細化晶粒是提高材料的強韌性配合的關鍵。鑒于工模具鋼材料的合金碳化物及基體分布情況。采用變質處理實現晶粒細化是重要方法。

變質處理：采用K-RE 復合變質劑。含K 變質劑還可以帶給鋼水中可以帶給鋼水中富含合金元素的原子簇團分開，利于碳化物及初生奧氏體細化，最終帶來組織細化。

2.2 冶煉及熱處理工藝設計

2.2.1 新材質相變點檢測

對新材料采用Thermal master Z 熱模擬試驗機測定它的相變點。剪刃刀片新材質的膨脹-溫度曲線，新材質的臨界溫度點Ac1、Ac3 分別為700.6 ℃和759.1 ℃。

新材質的Thermo-Calc 模擬計算相。新材質在熱處理過程中可能形成M7C3、M23C7 兩種碳化物，且這兩種碳化物的溶解溫度預計分別為637.84 ℃和772.97 ℃。

2.2.2 新材質刀片冶煉及熱處理工藝設計

具體工藝如下：

1）冶煉工藝。采用中頻感應爐電渣重溶雙聯冶煉法，熔化200 kW 送電10 min 升至300 kW 加復合擴散脫氧劑6 kg/t 分3～4 批投入，還原精煉，除去熔化渣另造新渣，鋼液升溫到1 600～1 650 ℃加鋁塊終脫氧，鋼包內放入1.3～1.8 kg/t 混合稀土，自耗電極棒錠冷卻后，電渣重溶。

2）鍛造工藝。采用電爐加熱，嚴格控溫1 180～860 ℃，不少于4 次鍛造加工，成品毛坯抗冷至自然溫度后退火處理。

3）熱處理工藝。機加工半成品經超聲波探傷合格后進行產品的熱處理，箱式爐第一次預熱溫度250～300 ℃，恒溫時間2 h，第二次鹽浴爐預熱溫度350～500 ℃恒溫保持10～15 min，轉入鹽浴爐淬火溫度1 080 ℃保持10～15 min 油冷。井式爐第一次回火溫度450～550 ℃保溫4 h，多次回火溫度350～400℃保溫2 h，總回火次數不少于4 次，各批次回火均會檢測刀片硬度，以保證數值合格。

2.3 微觀組織分析

取新材質進行微觀組織觀察?；w組織主要為針狀馬氏體，晶粒尺度較細（10～20 μm）、二次碳化物和殘余奧氏體，相對于原刀片材質，大塊一次碳化物明顯降低，因此大大提高了刀片沖擊韌性及裂紋抗擴展能力。

2.4 硬度和韌性檢測

采用螺紋拉伸試樣和無缺口沖擊試樣，得到該刀片的拉伸和沖擊性能，并通過與原刀片材料對比，可以看出新材質刀片在不犧牲硬度的條件下，沖擊韌性有大幅度提升[3，4]。

2.5 上機試驗

2018 年改進型刀片試制成功后，在寶鋼四冷軋連軋機出口滾筒剪使用，使用履歷如表2 所示。

表2 C402 滾筒飛剪刀片更換履歷

由表2 可見，新材質剪刃在線使用平均超過100 d，剪切超過70 萬t 帶鋼，其中高強鋼將近2 萬t，超高強鋼超過1 萬t 的情況下，下機剪刃的外觀基本完好，刀片刃口部分沒有大的崩口現象，仍保持一定的鋒利度。

3 結論

1）超高強鋼作為未來鋼鐵產業主要發展趨勢，相對應的剪刃刀片必須要同步適應性發展。原設計剪切刀片主要以耐磨性為主，沖擊韌性和抗裂紋能力較弱，已無法滿足超高強鋼連續性生產需求。

2）從組織調整和韌性優化兩方面著手，通過基礎成分優化、復合變質技術對化學成分優化，及配套熱處理工藝優化設計，新材質刀片在強度無降低的基礎上，一次碳化物含量得到有效控制，大大提高了刀片耐沖擊韌性，并經過現上機試驗，能夠滿足使用要求。