超深淬硬层冷轧工作辊的试验研究

超深淬硬层冷轧工作辊的试验研究

冷块的材料一直朝着高配合方向发展。从cr2、cr3到cr5，甚至更多的铬钢和高速钢，其下层深度、更好的耐腐蚀性和表面质量满足了现代辊式的制造规则和高质量要求。同时，它还应要求辊能够承受相应的抗弯性，以避免损坏。武钢冷轧厂主要应用Cr2、Cr5材质工作辊,而且Cr2材质工作辊主要通过外购辊坯、利用该厂50/250Hz双频感应淬火机自制。Cr2材质工作辊淬硬层浅、耐磨性差,不仅难以满足产品质量和轧机要求,而且需要采用二次淬火才能将轧辊有效工作层厚度正常用完。因此,在实验室开展质量分数为4%的Cr和0.8%的C、以及少量N和Re的8Cr4MoV低合金锻造冷轧工作辊钢试验,优选钢种,试制武钢冷轧厂冷连轧机ϕ610mm×1700mm超深淬硬层冷轧工作辊。1试验钢和试验热处理在Cr2、Cr3冷轧工作辊材质基础上,通过添加质量分数为4%的Cr和少量N与Re,并考虑武钢冷轧厂冷连轧机工作辊使用与维护条件,制定8Cr4MoV试验钢材质成分(见表1)。试验钢采用50kg真空感应电炉冶炼,浇注4个不同成分的钢锭,然后进行锻造;将其上段锻成72mm×72mm×500mm的方棒、下段均锻成ϕ60mm×300mm和ϕ60mm×600m的圆棒,要求锻比大于等于3.5,然后对12个锻件开展预备热处理试验;并对调质状态下的锻件进行力学性能和金相组织检验、开展顶端淬火和最终淬火试验,采用优选试验钢材质和制造工艺试制武钢冷轧厂ϕ610mm×1700mm超深淬硬层冷轧工作辊。2试验结果及分析2.1试验钢组分4个钢锭的化学成分见表2,可知H87号钢锭碳含量偏低,可能会影响到其力学性能和金相组织。2.2稀土元素和微量元素4个方棒锻件表层的金相组织和显微硬度结果见表3。由表3可知,4个试样的金相组织同为淬火组织,这是由于锻件虽做埋沙处理、但形成空冷的结果,表明其淬透性较好;随稀土含量增加,硫化物夹杂的变化比较明显,氧化物夹杂也有改变,说明稀土有改善钢中非金属夹杂物的作用;高氮含量试样的晶粒度级别高于低氮含量的试样,说明氮有细化晶粒的作用(H87号试样除外,由于其碳含量偏低和质量分数为0.22%的Als,可能导致晶粒度级别较低)。另外,B01号试样显微硬度最高,可能是由于其晶粒较大的缘故;其余3个高氮含量试样中,H01号试样显微硬度最低,可能与其未加稀土有关;但也表明4个锻件均没有按照要求进行锻后入炉缓冷处理,导致硬度升高,前述4个试样的金相组织为马氏体已经证明这点。2.3金相检验结果锻件球化退火试样号为H01(Q)、H45(Q)、H87(Q)、B01(Q),锻件调质处理试样号为H01(T)、H45(T)、H87(T)、B01(T),其金相检验结果见表4。由表4可知,4个锻件锻后预备热处理组织基本正常,显微硬度值均符合冷轧工作辊球化预备热处理组织和调质处理组织要求;调质处理后,锻件基体硬度明显增强;同上所述,稀土改善硫化物夹杂的作用比较明显,对氧化物夹杂也有所作用。2.4冲击韧性试验4个调质处理试样力学性能检验结果见表5。由表5可知,低氮含量的B01(T)号试样不仅强度比3个高氮含量的试样高,而且冲击韧性也比高氮含量的H01(T)、H45(T)号试样高;虽然高氮含量的H87(T)号试样冲击韧性最高,但其强度最低,这可能是由于其碳含量较低、且稀土含量较高造成的。由此可见,调质处理后,低氮含量的B01(T)号试样具有较高的强韧性。2.5试验结果及分析利用Thermastor-Z热模拟试验机对B01号试样进行淬火试验,试样规格为ϕ8mm×12mm,试样号为B01-1～B01-8,奥氏体化温度为800～1000℃,奥氏体化保温时间为900s,冷却速度为该热模拟试验机最大冷却速度,要求将试样连续冷却至20℃。淬火试验8个试样金相检验结果见表6。其中B01-2和B01-8试样的显微组织及晶粒度照片见图1～4。由表6可知,所有试样的显微组织均为回火马氏体,但是B01-1～B01-6号试样比较细,属于正常的隐、细针马氏体组织;B01-7～B01-8号试样针状比较明显,其韧性相对较差,就冷轧工作辊而言,属于非正常的针状马氏体组织,而且B01-7～B01-8号试样晶粒度级别也比较低,即晶粒比较粗大,正好与其针状马氏体组织相对应,表明所采用的淬火工艺已经不适用于B01号材质。B01-3～B01-6号试样的显微硬度明显高于B01-1～B01-2号试样,其中B01-5号试样的显微硬度HV0.1达到峰值819.6,而B01-7～B01-8号试样显微硬度也比较低,显示出下降的趋势,说明在现有淬火工艺条件下,对B01号材质来说,B01-5号试样所采用的淬火工艺是最合适的。3实验与应用3.1超深淬硬层u3000超深扫码机关的研制由武钢集团和中原特钢股份有限公司采用低氮材质8Cr4MoV钢研制武钢冷轧厂冷连轧机ϕ610mm×1700mm超深淬硬层冷轧工作辊,研制工艺路线为:电炉冶炼—钢包真空精炼—电渣重熔—油压快锻+扩散退火—球化退火—粗加工—超声波探伤—调质处理—毛坯检验—预精加工—辊颈强化—辊身淬火—低温回火—精加工—成品检验—包装交货。研制的超深淬硬层冷轧工作辊成分见表7,可见基本符合低氮材质要求。试制工作辊辊颈轴承部位采用高频感应淬火方法进行表面强化,辊身表层采用50Hz/250Hz双频感应淬火机床进行表面淬火,其金相组织、残余奥氏体含量和残余应力检验结果见表8,而且超声波探伤结果正常,表明试制工作辊质量符合有关冷轧工作辊技术条件要求,可以上机使用。3.2应用3.2.1硬层u3000工作辊的投入使用从2007年12月开始,试制的低氮材质8Cr4MoV钢ϕ610mm×1700mm超深淬硬层冷轧工作辊在武钢股份冷轧厂五连轧机投入使用,试制工作辊能够满足武钢冷轧厂酸轧联合冷连轧机组轧钢工艺和产品高表面质量要求,并取得较好业绩,使用寿命见表9。由表9可知,试制工作辊平均毫米轧制量达到4142.59t/mm,是同期使用的Cr2工作辊平均毫米轧制量的1.6倍。3.2.2与同使用的cr5材质工作辊的对比试制工作辊有效工作层基本正常用完,没有发生大的剥落、掉肉、裂纹和软点等事故,耐磨性和抗事故性优良,其平均磨削量及与同期使用的Cr5材质工作辊的对比见表10。由表10可知,试制工作辊在使用期间,仅W32号工作辊在直径为ϕ555.71mm时由于辊身发生粘钢事故而提前退役;与同期使用的3种Cr5工作辊相比,耐磨性和抗事故性稍强,使得其每次上机使用平均磨削量较低。3.2.3工作辊淬透性分析根据试制工作辊辊身表面硬度跟踪检测结果绘制的试制工作辊辊身淬硬层深度曲线见图5,图中还绘制了同期使用的Cr2常规淬硬层冷轧工作辊和Cr5超深淬硬层冷轧工作辊辊身淬硬层深度曲线。由图5可知,试制工作辊淬硬层深度与Cr5工作辊相当,表明两者淬透性基本相同;而与Cr2工作辊比较,试制工作辊淬硬层深度超过后者的2倍,其有效淬硬层深度达到30mm以上。4超深淬硬层深度1)低氮材质8Cr4MoV钢具有较高的综合力学性能。2)试制工作辊质量符合超深淬硬层冷轧工作辊技术条件。3)试制工作辊淬硬层深度比Cr