MC5BGS轧辊50Hz/250Hz双频感应淬火工艺研究

王怡群，尚振伟，高全德，耿震宇，刘畅

1.河南中原特钢股份装备制造有限公司 河南济源 459000

2.大连交通大学 辽宁大连 116028

1 序言

近年来，随着钢铁行业的发展，对轧辊的质量性能要求明显提高。为适应市场需求，各大钢企在板带产品结构上不断向高端化、多元化发展，对轧辊产品的质量和服务提出越来越高的个性化要求。目前，国内外大型钢企普遍使用的冷轧辊一般有Cr3、Cr5及Cr6系列等材质，越来越不能满足用户新的需求。

冷轧辊在使用过程中，不但受到巨大的压力、扭转、弯曲等作用，而且对于打滑、断带、黏钢、冷却不足等非正常轧制情况造成的热冲击更为敏感。热冲击导致轧辊表面温度升高，当温度超过最终回火温度时，将引起辊面局部回火、硬度降低、体积收缩，并出现拉应力，若后续处理不当，则会引起剥落事故[1]。常规的冷轧辊材质从Cr2、Cr3到Cr5、Cr6，淬硬层越来越深，耐磨性越来越高，但是最终回火温度一直在150℃以下，抗回火性能一直没有提高，热冲击的影响后果较为恶劣，抗事故能力一般。

新一代半高速钢、高速钢系列产品，不但耐磨性更好，在机服役周期更长，生产效率更高，同时抗回火性能大幅度提高，因此抗事故能力也同步增加，大大降低了冷轧过程中的轧辊消耗，节约了生产成本，受到国内外钢企的关注。由于大规格高速钢轧辊受到冶炼锻压技术限制，大规格的锻坯就难以完成，所以退而求其次，开发半高速钢轧辊是目前可行的技术路线。

由于工作辊和中间辊使用条件不同，因此性能要求不同，成分设计上差别较大，中间辊碳含量相对偏低，热处理应力相对较小，因此技术路线上应先开发半高速钢中间辊，成功后再研究半高速钢工作辊。河南中原特钢股份装备制造有限公司试制MC5BGS轧辊也是基于此开发而来，市场上该新材料热处理工艺处于保密阶段，探索研究其双频感应热处理工艺路线及工艺参数是课题的主要任务。

2 新材料的技术指标

设计一种新的冷轧中间辊成分，研究合理的热处理工艺，提高抗回火性，使其具备优异的抗事故能力，优于普通Cr5的使用性能。

目前，冷轧中间辊在使用中最大的问题是疲劳剥落，导致服役时间短，影响生产效率和产品质量。导致疲劳剥落的一个重要原因就是回火温度偏低，残余应力释放不充分，在使用中叠加轧机的压下力和摩擦力等轧制应力，造成轧辊因提前出现疲劳而引起剥落；另外，在保持正常硬度要求的前提下，提高最终回火温度，可以更好地降低淬火残余应力，同时获得更优异的抗热冲击性能，使半高速钢新产品具备良好的使用性能，抗事故能力大幅度地提升[2]。

河南中原特钢股份装备制造有限公司为某钢企生产的中间辊规格为φ520m m×1580m m×4134m m，原采用普通C r5材质，硬度要求82～86H S D，回火温度约330℃。重新设计的新材料MC5BGS，通过表面50Hz/250Hz双频感应淬火工艺研究，使新材料达到如下技术指标要求：辊身硬度为82～86HSD时，回火温度≥450℃，高于常规Cr5轧辊回火温度；辊身表面淬硬层400倍金相组织形态为马氏体，级别1～2级，晶粒度8～10级。

3 新材料的成分设计

常规Cr3、Cr5的成分中抗回火性元素（如Mo、W等）含量较少，常规Cr5系列化学成分见表1。中间辊回火温度一般在300℃左右，W元素由于成本及工艺问题一般在冷轧辊中较少应用，通常都是以Mo含量的调整为主，同时配合Si含量及其他元素含量的调整；另外，适当降低碳含量，减少或消除网状、带状的产生，改善碳化物的形态，提高接触疲劳强度。新材料MC5BGS在普通Cr5轧辊的基础上调整合金成分，新设计的MC5BGS化学成分见表2。

表1 常规Cr5系列化学成分（质量分数） （%）

表2 MC5BGS化学成分（质量分数） （%）

4 新材料的试验

1）根据使用要求设计试制一批MC5BGS中间辊辊坯，化学成分见表3。

表3 MC5BGS中间辊辊坯化学成分（质量分数）（%）

2）MC5BGS新材料试验辊坯尺寸规格及热处理后硬度见表4。

表4 MC5BGS调质后辊坯规格及硬度

以φ520mm中间辊技术条件为目标，制作试验辊，进行工艺方案试验。

3）淬火设备：50Hz/250Hz双频感应淬火机床是目前国内外锻钢冷轧辊表面热处理的主流设备，采用OSB淬火工艺方法，如图1所示。采用两个感应加热线圈顺序加热，上感应圈连接50Hz电源，下感应圈连接250Hz电源，可以获得足够深度、温度均匀的加热层；下面有冷却水井，淬火后续冷效果较好，淬硬层较深，硬度梯度过渡平缓，应力分布合理。

图1 50Hz/250Hz双频感应淬火机床淬火示意

5 工艺试验方案

（1）工艺路线确定 调质后，半高速钢新材料轧辊试制工艺路线如下：半精车→粗磨辊身→预热→双频感应淬火→硬度初检→回火→表面金相检测。

（2）50Hz/250Hz双频感应淬火工艺 双频感应淬火工艺控制主要依据合金元素含量来确定，C含量的降低可以减小裂纹敏感性，MC5BGS新材料Cr含量与常规Cr5相当，炉锭号9A19572试验辊坯淬火参数设定见表5。根据炉锭号9A19572的辊坯淬火后硬度值是否达到指标再对炉锭号9A19568的淬火温度进行调整，按照设定工艺路线，表4中两支试料50Hz/250Hz双频感应热处理预热工艺[3]如图2所示。

表5 MC5BGS材料50Hz/250Hz双频感应淬火工艺参数[4]

图2 MC5BGS预热工艺

炉锭号9A19572双频感应淬火后硬度偏低，分析后认为加热温度偏低，奥氏体化不充分，碳和合金元素固溶度不够，因此适当提高上下感应器的加热温度，并降低加热速度，将炉锭号9A19568的试验辊坯，采用新工艺淬火，改进后MC5BGS新材料50Hz/250Hz淬火工艺参数见表6，淬火后硬度比较理想，两支辊坯在不同淬火温度淬火后表面硬度见表7。

表6 改进后MC5BGS新材料50Hz/250Hz淬火工艺参数

表7 不同温度淬火后轧辊表面硬度

将达到设定目标的炉锭号9A19568轧辊进行回火，MC5BGS回火工艺如图3所示。回火后硬度控制在82～86HSD。

图3 MC5BGS回火工艺

炉锭号为9A19568回火后对辊面进行了400倍金相组织检测，如图4所示。辊面金相组织为回火马氏体+少量回火屈氏体+均匀分布的粒状碳化物，马氏体组织级别1.5级，晶粒度9.5级。

图4 MC5BGS辊面金相组织（400×）

6 试验结果分析

1）经过工艺方案逐一实施，最终确定了MC5BGS新材料轧辊的双频感应淬火工艺，淬火后硬度达到设定目标。

2）经450°回火，硬度区间在82～86HSD，回火温度较常规Cr5轧辊回火温度有很大提高，回火性能达到设定技术目标。

3）检测辊面400倍金相组织为回火马氏体+少量回火屈氏体+均匀分布的粒状碳化物，马氏体级别1.5级，晶粒度9.5级，符合课题目标组织要求，满足轧辊使用要求。

7 结束语

MC5BGS新材料的50Hz/250Hz双频感应淬火研究结果表明，新材料MC5BGS金相组织良好，当硬度区间为82～86HSD时，回火温度450℃，比原来Cr5同硬度的回火温度高约120℃，抗回火性得到明显提升。

经某钢企连轧机实际上机使用，抗事故性良好，吨钢轧制公里数提升明显，其综合寿命是原来常规材料的2.0～2.5倍。新材料、新工艺的研究是企业创新的重要内容，研究方向要以市场需求为导向。本文所述的新材料MC5BGS双频感应淬火工艺研究，经过技术方案的反复改进，最终满足了中间辊的产品质量技术指标。不仅丰富了公司锻钢冷轧辊品种，提高了新工艺、新技术的探索能力，而且为企业拓宽了新的市场。