新型初轧辊用钢成分设计及热处理工艺

郭 峰，白兴红，南玉静

大型初轧辊主要用于二辊轧机，在轧制过程中承受着巨大的交变弯曲应力和扭矩，并伴随有剧烈的冲击和震动，同时轧辊表面承受灼热轧材的强烈摩擦和激冷激热作用，使用条件十分严酷[1～3]。因此，用户要求初轧辊必须同时具有高强度和高韧性、良好的抗热裂性及足够的耐磨性。自上世纪60 年代以来，我国长期使用的材料有60CrMnMo、60CrNiMo 等。本文在60CrNiMo 的基础上，通过增加Cr、Ni 元素含量，以提高初轧辊的耐磨性及抗热裂性，开发新型初轧辊锻钢材料。

1 成分设计

笔者以60CrNiMo 为基础，通过增加Cr、Ni元素含量，调整各合金元素的比例，以提高工作辊的耐磨性、抗热疲劳等使用性能，更好地满足初轧机的使用需求。

1.1 合金化

铬是轧辊材料中最重要的合金元素。铬含量的提高能显著增加奥氏体的稳定性，降低马氏体转变温度，使CCT 曲线右移，降低钢的临界冷却速度，提高淬透性与淬硬性，提高钢的耐磨性及抗疲劳性能。镍是奥氏体固溶元素，可以提高基体的强度与淬透性，与铬复合添加，效果更显著；此外，镍还可以改善钢的韧性[4]。

1.2 碳化物

新设计成分：笔者在60CrNiMo 的基础上提高Cr、Ni 含量，即60Cr2Ni2Mo。通过热力学分析计算两种材料在室温下的碳化物含量（见表1）。

表1 两种材料室温下的碳化物含量（wt.%）

可以看出，提高Cr 含量明显增加了碳化物量，特别是M7C3型碳化物的含量。M7C3颗粒小、硬度高、溶解温度＞1 000 ℃，可显著提高轧辊辊面的耐磨性，且可以有效阻止淬火加热时的晶粒粗化。

1.3 淬硬层深

由60CrNiMo 及60Cr2Ni2Mo 锻钢材料的CCT曲线可以看出，60Cr2Ni2Mo 的珠光体区比60CrNiMo 明显右移，贝氏体区缩小，材料淬透性明显提高（见图1～2）。为使硬度达到40～50 HSD，而且能够满足使用要求，实际生产中初轧辊要进行调质热处理，60Cr2Ni2Mo 在调质冷却后自表面至一定深度容易得到“非珠光体”组织，经高温回火可以得到综合性能优良的显微组织。与60CrNiMo初轧辊相比，60Cr2Ni2Mo 材料的淬硬层更深，使用效果更好。

图1 60CrNiMo 锻钢CCT 曲线

1.4 抗热裂性增强

通过增加合金元素含量，能够显著提高轧辊的回火稳定性，从而提高抗热冲击性能（见图3）。可以看出，＜550 ℃时，60Cr2Ni2Mo 材料的高温屈服强度较60CrNiMo 有明显升高；≥550 ℃时，两种材料的屈服强度趋于一致。轧制过程中的辊面温度为500 ℃，在该温度下60Cr2Ni2Mo 的屈服强度比60CrNiMo 高100 MPa，具有更好的抗热裂性。

图2 60Cr2Ni2Mo（新） 锻钢CCT 曲线

图3 两种材质高温强度对比曲线

2 淬火试验

笔者将新型初轧辊材料60Cr2Ni2Mo 在感应电炉中熔炼成小钢锭。经过锻后正回火，用线切割切取块状试样，在高温井式电阻炉内进行热处理模拟，加热800～900 ℃、保温2 h 充分奥氏体化后出炉油冷，然后考察淬火温度对试验钢显微组织及硬度的影响。

2.1 淬火温度对显微组织的影响

通过观察锻后热处理及不同淬火温度下的显微组织，可以看出，试样的锻后态组织为珠光体，且多呈片状（见图4（a），图5（a））。在820、840、860 ℃保温2 h 后油冷淬火的显微组织为马氏体和颗粒状碳化物（见图4（b～d），图5（b～d））。试验结果表明，随着淬火温度的升高，碳化物量明显减少，马氏体基体组织有粗化趋势。

图4 试验用钢淬火后的显微组织（OM）

图5 试验用钢淬火后的显微组织（SEM）

2.2 淬火温度对硬度的影响

检测不同温度淬火试样的洛氏硬度，可以看出，在800～900 ℃范围内，随着奥氏体化温度升高，试样的淬火硬度先升高后降低，与其它高合金轧辊钢类似（见图6）。当淬火温度＞860 ℃时，硬度下降，这与试样中残余奥氏体量增加有关[5]。随着淬火温度的升高，奥氏体中溶解的碳和合金元素含量增多，过冷奥氏体的稳定性得到提高，使Ms 点降低，残余奥氏体量增多，硬度下降。淬火温度较低时，由于奥氏体中溶解的碳和合金元素少，导致淬火后马氏体中饱和的碳和合金元素含量较少，以至于硬化效果不佳。

图6 试验用钢的淬火硬度

结合上述显微组织的检测结果，笔者认为试验用钢的淬火温度以840～880 ℃为宜。

3 回火试验

笔者选择840～880 ℃内的某一温度淬火，再经450～580 ℃保温5 h 回火，然后考察回火温度对试样显微组织和硬度的影响。

3.1 回火后的显微组织

经过上述试验的试样的显微组织为回火马氏体+少量的细粒状碳化物（见图7）。

图7 试验用钢回火后的显微组织

3.2 回火温度对硬度的影响

检测不同温度回火下试样的硬度，结果显示，在同样回火条件下60Cr2Ni2Mo 的硬度比60CrNiMo高2～4 HRC；硬度值随回火温度的升高逐渐降低（见图8），实际生产中可以通过调整回火温度得到所需的硬度。

图8 不同温度回火后的硬度

4 结 语

（1） 通过热力学分析计算，确定新型初轧辊材料60Cr2Ni2Mo 具有更高的淬透性、耐磨性及抗热裂性。

（2） 试验表明，经不同温度淬火后试样的显微组织为马氏体和颗粒状碳化物；随着淬火温度的升高，碳化物的溶解量增多、组织粗大，硬度先升后降。

（3） 在450～580 ℃回火时，试样的显微组织均为回火马氏体和颗粒状碳化物；硬度随回火温度的降低而逐渐升高，且比60CrNiMo 有较大提升。