60CrNiMo轧辊退火工艺研究

文/石媛，白兴红，王大鹏·天津重型装备工程研究有限公司

轧辊是轧钢设备中的重要备件，由于其使用环境、工作状态等要求其具有良好的综合性能。金属材料的性能与其化学成分和组织有密切关系。热处理是改变材料组织的有效方法之一。对于轧辊产品，通常需要预备和最终热处理工艺来获得优异、可靠的综合性能。锻后热处理(退火)工艺作为连接锻造和性能热处理的重要环节，需要消除锻造应力，降低H含量，调整锻造过程形成的粗大组织晶粒，为性能热处理做组织准备。因此我们有必要对锻后热处理过程组织转变进行研究，确定最佳工艺参数。

试验材料及试验方法

试验材料

试验材料牌号为60CrNiMo，经CS600设备检测，具体化学成分见表1，利用膨胀仪测定60CrNiMo材料的转变点，Ac1的临界点是728℃，Ac3的临界点是786℃。

表1 60CrNiMo化学成分(Wt.%)

试验方法

⑴锻态还原试验工艺。为了模拟轧辊实际生产，需将试样还原为锻造结束、退火前状态。根据现场测温数据，制定了实验室热处理工艺曲线，如图1所示。

图1 锻态还原热处理试验曲线

⑵退火试验工艺。支承辊锻造结束后进入锻后热处理(退火)阶段，为了研究该过程中的组织转变及工艺参数，制定了退火热处理工艺曲线，如图2所示。

图2 退火热处理工艺曲线

试验结果

锻态还原试验结果

图3为锻态还原后的金相照片，可以发现，锻造还原后晶粒非常粗大。保温1h时，粒度已经达到0-00级。且保温时间越长，晶粒越粗大。保温3h与保温1h相比，晶粒尺寸不仅整体偏大，且小晶粒数量明显减少。

图3 锻态还原后的金相照片

退火试验结果

坯料锻造结束后，开始执行锻后热处理工艺，由于轧辊尺寸较大，心部和表面的加热、冷却速度相差很大，导致辊身心部和表面温差很大，因此有必要对轧辊辊身温度进行数值模拟，并依此制定轧辊辊身表面和心部的热处理模拟曲线。此次数值模拟及室内试验参数均以规格φ1000mm×2600mm×5100mm的轧辊作为热处理模拟模型，如图4所示。

图4 φ1000mm×2600mm×5100mm轧辊模型

待料保温时间

待料保温段，锻态组织需转化为珠光体组织。为后续晶粒细化提供组织保证。此次数值模拟待料温度为640℃，保温时间选择30h。模拟计算结果如图5所示。首先依据模拟结果，制定轧辊辊身心部热处理试验曲线，如图6所示。

图5 辊身温度数值模拟曲线

图6 辊身心部热处理试验曲线

图7～图10为实验室模拟锻态辊身心部640℃保温11.5h、13h、17.5h、30h所得金相组织。由图7～图8可得，640℃保温11.5h和13h时，所得组织为马氏体组织。由图9～图10可得640℃保温17.5h和30h时，所得组织均为层片状珠光体组织。根据图6可得，640℃保温11.5h和13h时，轧辊辊身心部温度分别为670℃和660℃。640℃保温17.5h和30h时，轧辊辊身心部温度分别为650℃和640℃。

图7 保温11.5h

图8 保温13h

图9 保温17.5h

图10 保温30h

由以上分析可得，60CrNiMo轧辊锻造结束后，退火待料段的保温时间，需要保证轧辊辊身心部温度不大于650℃，才可以满足辊身心部锻态组织转变为珠光体组织。对于规格φ1000mm×2600mm×5100mm的轧辊，当轧辊辊身心部温度降至650℃ ，辊身表面在640℃保持7h。图11为辊身表面640℃保温7h辊身表面热处理试验曲线。

图11 辊身表面热处理试验曲线

图12为实验室模拟锻态辊身表面640℃保温7h所得金相组织。由图12可得，辊身表面640℃保温7h时，所得组织为珠光体组织。说明当辊身心部锻态组织转变为珠光体时，整个辊身均已组织转变完全。

图12 640℃保温7h所得金相组织

奥氏体化温度及时间

为了调整锻造过程形成的粗大的晶粒，需要在锻后热处理过程中重新进行奥氏体化，获得细小的晶粒。为此，选择不同奥氏体温度和时间进行室内试验，具体工艺参数详见表3。

表3 奥氏体温度和时间

图13～图18为不同奥氏体温度和保温时间所得的晶粒度。奥氏体化温度为810℃时，保温3h和保温10h奥氏体晶粒度分别为8级和7级。奥氏体化温度为830℃时，保温3h和保温10h奥氏体晶粒度均为7级。奥氏体化温度为850℃时，保温3h和保温10h奥氏体晶粒度分别为7级和6.5级。

图13 810℃/3h 8级

图14 810℃/10h 7级

图15 830℃/3h 7级

图16 830℃/10h 7级

图17 850℃/3h 7级

图18 850℃/10h 6.5级

随着奥氏体化温度的升高和奥氏体化保温时间的增加，晶粒尺寸有所增大，但变化不大，即使在850℃保温10h晶粒度级别仍可以达到6.5级。为了节约实际生产时间，将奥氏体化温度定为850℃，奥氏体化保温时间定为10h。利用模拟软件模拟上述参数，得到轧辊辊身表面和心部温度变化曲线，如图19所示。850℃保温10h时，辊身心部温度不小于845℃保持3h，表面温度不小于845℃保持10h左右。依据数值模拟计算结果，制定室内试验方案，采用金相等手段对组织转变进行了系列研究，确定退火低温保持温度及奥氏体化的最佳温度及时间。

图19 辊身表面和心部温度变化曲线