新型材质65SiMnMo2支承辊锻造工艺研究

文／孙统辉，郭卫东·中信重工机械股份有限公司

新型材质65SiMnMo2支承辊锻造工艺研究

文／孙统辉，郭卫东·中信重工机械股份有限公司

大型支承辊长期处于滑动摩擦与滚动疲劳的恶劣工况下运转，要求抗断裂能力强、表面耐剥落性好、耐磨性能优良以及足够的刚度，以保证能够承受轧制过程中的峰值载荷。为此本研究基于先前的工作经验进行了工艺研发，优化支承辊化学成分，成功锻制65SiMnMo2支承辊锻件，成品辊各项性能指标大幅提高。

孙统辉，硕士，工程师，主要从事特大型锻件工艺研究工作。

材质为65SiMnMo2支承辊锻件系我公司锻件新产品开发项目，该材质支承辊具有抗断裂能力强、表面耐剥落性好、耐磨性能优良等优点，本批次制造的六件65SiMnMo2支承辊锻件为国内首次生产，各项技术检验指标满足用户要求。本文重点介绍该批支承辊锻件制造工艺及生产实践情况。

锻件技术要求

该项目共六件支承辊锻件，按照65SiMnMo2新型材质制造，毛坯重量10.78t，锻件图如图1所示，为提高支承辊综合机械性能，对化学成分进行优化设计，采用我公司自行炼制的两支53t双真空钢锭锻造，每锭制3件，钢锭材料利用率61.0%。

化学成分

锻件化学成分满足表1要求。

表1 65SiMnMo2材质化学成分表

无损检查

支承辊超声波探伤按照JB/T 4120-2006《大型锻造合金钢支承辊》执行，其中表面波检测按照JB/ T 10814-2007《超声表面波检测》执行。

表面质量

辊身和辊颈的工作表面上不允许有裂纹、凹坑、非金属夹杂、气孔等缺陷。

图1 支承辊锻件图

技术难点

⑴65SiMnMo2系新材质，国内无成功生产经验及相关技术文献参考，冶炼、锻造及锻后热处理工艺参数需试验验证；

⑵化学成分中的碳及合金元素含量高，Cr、Ni、V、Nb元素的大量加入增加了锻造开裂倾向；

⑶超声波探伤要求严格，要求离辊身表面100mm范围不允许有当量直径大于φ2mm缺陷，其他区域不允许单个缺陷连续保持F≥1/2B，缺陷面积不大于25cm2。

工艺过程控制

化学成分优化设计

此支承辊材质C元素含量规定0.68%～0.78%，且各项合金成分含量较高，属高碳高合金轧辊钢。该材质在锻造温度下钢的脆性和变形抗力极大，极易产生锻造热裂纹。化学成分中要求V、Nb元素含量0.07%～0.18%，V、Nb元素的加入是为了提高钢的热强性，尤其Nb元素和C、N、O有极强的结合力，能与之形成相应的极为稳定的化合物，因而起到细化支承辊锻件晶粒的作用。但研究同时表明，V、Nb元素对钢的高温塑性有着显著的影响作用。V元素通常会加剧钢坯在锻造过程中的表面开裂倾向，并且在温度稍低时变形，裂纹扩展的速率较快；而当Nb元素质点析出并沉淀于晶界处时，晶界滑移会受到阻碍，使钢的塑性变形能力降低，使裂纹产生的几率增大。

因此，我们对此支承辊锻件材质的化学成分提出内控要求，适当降低C、V、Nb元素含量，确保V、Nb元素细化晶粒作用的同时减少锻造开裂倾向。同时，技术条件中没有对有害元素及气体含量作出相应要求，我们根据支承辊锻件生产经验对有害元素S、P及气体H、O、N含量提出较高内控要求，以达到提高钢锭和锻件内部质量的目的。具体内控要求见表2。

冶炼工艺研究

通过热工试验表明，降低钢在凝固后的冷却速度，可以改善高温塑性，提高变形能力，有助于防止裂纹产生。具体机理是，在较低的冷却速度下，会使原子扩散运动充分进行，缓解由金属组织转变、析出过程及温度梯度造成的晶界处应力集中和畸变能力升高的现象，使基体处于较为稳定的状态。同时，钢锭脱模时间过早，增大了内部与外表温度差，使组织应力与热应力增大而在钢锭外壳薄弱处应力集中产生纵裂；当钢锭表面温度冷却到400～500℃热送，由温度梯度产生的温度应力较小，钢锭内外已经全部完成组织转变，因此组织应力也基本上没有，且此时钢锭的抗拉强度有了很大的提高，减少钢锭裂纹倾向。

因此，我们研究制定专用冶炼工艺，采用双真空浇注方案，工艺要求适当降低冷却速度、降低脱模时间、降低脱模温度、脱模热送加盖保温罩等工艺措施减少支承辊锻造开裂倾向。

锻造工艺优化

高碳高合金轧辊钢在锻造温度下降时钢的脆性和变形抗力急剧加大，容易产生锻造热裂纹。因此锻造工艺要求终锻温度由普通钢要求的800℃提高至900℃并进行严格控制，压台阶时控制压下量，防止坯料表面温度降低时开裂倾向增大。

锻后热处理工艺制定

此材质公司首次组织生产，缺少钢种组织转变温度参数和热处理经验数据，我们通过热工试验摸索其物性参数，测定Ac3点为817℃，正火温度选择880℃，确保组织充分转变，再经800℃球化退火和650℃高温回火，以满足支承辊锻件超声波探伤和内部组织要求。图2为65SiMnMo2材质支承辊锻件锻后热处理工艺曲线。

表2 65SiMnMo2材质化学成分优化内控表

图2 65SiMnMo2材质支承辊锻件锻后热处理工艺曲线

生产实践

采用两支53t钢锭（一锭制三件）在185MN自由锻造油压机及31.5MN水压机进行锻造作业，锻造工艺模式为镦粗+WHF法拔长，镦粗比2.0，拔长比3.6，该锻造方法可以有效锻合钢锭心部疏松性缺陷，破碎铸态柱状晶组织和粗大碳化物，保证锻件的均质性。由于对化学成分进行优化控制，钢锭WHF法拔长过程表面质量良好（图3），成品锻件表面无裂纹、凹坑等缺陷（图4）。由此，充分验证化学成分优化设计、锻造工艺优化措施达到了预期的改善锻造开裂的效果。

图3 钢锭拔长后表面质量

图4 成品锻件表面质量

质量验证

锻后热处理出炉后进行质量检验，六件支承辊锻件表面质量控制良好，无可见的表面裂纹；毛坯超声波探伤内部质量良好，满足JB/T 4120-2006《大型锻造合金钢支承辊》标准要求；后期进行用户回访并跟踪装机使用情况，服役状况良好无剥落，性能优于常规材质支承辊。

总结

通过本批次支承辊的成功试制，在解决高碳高合金轧辊钢锻件锻造开裂问题方面积累了研制经验，掌握了65SiMnMo2新材质物性参数，在大型支承辊锻件研发方面取得实质性进步。