支承辊YB-50材料过烧温度的检测与判定

2018-07-06王敬禹天津重型装备工程研究有限公司天津300457

大型铸锻件 2018年4期

李姣王敬禹(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

随着厚板轧机向大型化、高速化、自动化方向发展，其支承辊的材料和技术也不断地发展和变化。我公司厚板轧机支承辊最早期使用的是60CrMnMo和50CrNiMo，随着轧制产品的变化和轧制技术的发展，辊身硬度要求在逐渐提高，传统材质已不能适应轧机的需求。在这种情况下，YB-50材料成功研制，使用情况良好，耐磨性和抗事故性明显高于传统材质，至今一直广泛使用在4300 mm级别的宽厚板和铝板轧机支承辊上[1]。宽厚板支承辊相对于连轧机支承辊、铸造支承辊价格更高，但是如果性能不理想，出现问题后造成的损失也会很大，因此稳定中厚板支承辊制造质量，实现一重中厚板支承辊制造水平的提升，具备现实的经济效益。本文采用实验室检测和Jmatpro理论计算手段，分析检测YB-50材质的过烧温度，为提升宽厚板支承辊生产工艺提供依据。

1 过烧温度的实验室检测

所谓过烧，即金属或合金在热处理加热时，由于加热温度接近其固相线温度附近，晶界氧化和开始部分熔化的现象。理论上讲过烧温度就是固相线温度[2]。为了测定材料的固相线温度，采用实验室的Setsys Evo同步热分析仪，分别选取支承辊工作层和心部两种C含量不同的材料进行实验室检测，其C含量分别为0.94%和0.62%，检测结果见图1。由于当固相向液相转变时存在明显的吸热现象，以氩气作为保护气氛，将粉末试样从40℃加热到1550℃左右，测量吸热峰的起始位置。从图1可见，C含量为0.94%的心部材料对应固相线温度为1320℃，C含量为0.62%的工作层材料对应固相线温度为1395℃。

2 基于JmatPro的理论过烧温度计算

2.1 合金元素对过烧温度的影响

试验用YB-50材质化学成分见表1。钢的过烧温度主要受其化学成分的影响，并且对不同的钢种而异，通常钢中Ni、Mo等元素使钢容易产生过烧，Al、Cr、W等元素减小其过烧[2]。JmatPro是一款功能强大的材料性能模拟软件，可以辅助科研人员进行各种材料的相平衡计算，借助JmatPro模拟软件对试验用YB-50钢进行相图计算，计算结果示例如图2。在成分波动范围内，各元素成分以平均值为基准，每次选取一种元素含量由上限单调递减至下限，通过单因素轮换研究不同元素对材质过烧温度的影响[3]。计算结果表明，过烧温度随Cr元素含量的增加呈上升趋势，随C、Mo、Mn、Ni、V、Si等元素含量的增加呈单调递减趋势。C元素和Cr元素含量对过烧温度的影响曲线见图3。

通过计算，发现对于过烧温度起主要影响因素的是C、Si、Mo、V四种元素的含量，其中C元素影响作用最大，Cr元素对过烧温度的影响甚微。从图3(a)可见，C含量从0.5%增加到1.1%时，过烧温度降低了约110℃左右，而从图3(b)可见，当Cr元素从2.0%增加到3.0%时，过烧温度会上升，但仅上升了不到1℃。

图1 实验室固相线温度检测曲线Figure 1 Detection curves of experimental solidus temperature

表1 YB-50材质化学成分Table 1 Chemical compositions of YB-50 steel

图2 YB-50钢的相图计算示例Figure 2 Calculated phase diagram of YB-50 steel

图3 C和Cr元素对过烧温度的影响Figure 3 Effects of C and Cr elements on overburnt temperatures

针对计算结果，对各元素与过烧温度的影响曲线进行线性回归，得到过烧温度与化学元素含量对应关系如下：

T过烧=1520.83-180C+0.92Cr-8.43Mn-30.24Si- 3.25Ni-15.07Mo-22.73V

对于YB-50材质，在不考虑成分偏析的前提下，以工作层取样的化学成分检测结果为例，其理论过烧温度为1388℃，与实验室检测的固相线温度1395℃相近。当心部C偏析时，以心部取样的化学成分检测结果为例，计算其理论过烧温度为1330℃，与实验室检测的固相线温度1320℃相近。

3 过烧温度的显微组织验证

3.1 金相组织

TCW-32B箱式电阻加热炉最高工作温度是1600℃，它具有控温精度高、结构简洁、可控制功率输出等特点。本次试验采用高温炉加热，重点针对支承辊心部C含量较高的材料进行过烧温度的验证，试验温度设定为1280℃、1300℃、1330℃、1350℃，高温炉到设定温度后试样入炉，保温1 h后关闭电源，炉冷缓冷至300℃左右出炉，观察抛光态和腐蚀后金相组织形貌。YB-50支承辊心部高C材料高温加热后显微组织和抛光态形貌分别见图4和图5。

图4 YB-50支承辊心部高C材料高温加热后显微组织Figure 4 Microstructure of the core material with high C contents for backup roll of YB-50 steel after high-temperature heating

图5 YB-50支承辊心部高C材料高温加热后抛光态形貌Figure 5 Polished appearance of the core material with high C contents for backup roll of YB-50 steel after high-temperature heating

从抛光态和金相组织形貌观察，在1280℃和1300℃扩散退火后组织中没有明显的过烧现象，1330℃时晶界开始熔化，1350℃时晶界熔化现象严重，代表过烧，因为钢加热到过烧温度以上时，往往是在奥氏体晶界区首先熔化[4]。这与之前实验室检测的固相线温度和JmatPro理论计算的固相线温度完全接近。

图6 断口形貌观察Figure 6 Fracture appearance at difference temperatures

3.2 冲击断口形貌

图6为1280℃、1300℃、1330℃、1350℃四个温度下的冲击断口形貌。从断口形貌可见，1280℃和1300℃时断口无明显过烧现象，1330℃和1350℃时宏观观察断口无金属光泽，呈灰白色沿晶石状断口，颗粒粗大，颜色灰暗，微观观察断口形貌，发现有晶界熔化，沿晶断裂的现象，属于典型的过烧现象。另从冲击试验结果来看，1330℃和1350℃高温加热后材料的冲击功大约

在4 J左右，说明在这些温度下扩散退火后材料的韧性非常差，不适宜快速大变形。