新型支承辊材料研制

郭 峰 白兴红 赵席春

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

随着钢铁行业产品技术的发展，大型冷热带钢连轧机均提出了延长支承辊换辊周期的要求，促使能够提高轧制效率、降低轧制成本，而且锻钢支承辊材料也在不断演变，总的变化趋势是降低C含量、提高Cr含量，这些变化趋势受当时生产技术水平和热处理工艺所限。随着冶金质量的提高和热工艺的提升，从提高耐磨性考虑适当提高C含量。公司于2015年制造了两支新型锻钢支承辊，并成功应用在国内某热连轧线，现已安全使用至报废直径。

1 材料研发阶段

对新设计材料进行了一系列室内试验，并将试验结果与普通Cr5支承辊材料(公司牌号YB-70)进行对比，以期获得性能更优异的支承辊。

1.1 成分设计

以YB-70材料为基础，从提高支承辊耐磨性、抗接触疲劳及良好经济性等目的出发，提高了C元素含量。

1.2 试验材料及方法

采用37 kg感应电炉熔炼成钢锭，将钢锭锻成∅90 mm×300 mm的试棒，780℃进行退火热处理。线切割切取块状试样，试样在高温箱式电阻炉中进行加热，加热温度为880～1100℃，保温90 min后迅速油冷。采用OM、SEM观察钢的显微组织，采用洛氏硬度计检测试样硬度，再进行相应的硬度转换。

1.3 淬硬性检测

对新材料试样进行室内淬火试验，并将不同温度淬火后硬度与YB-70进行了对比(试验条件相同)，结果见图1。从对比结果来看，新材料较YB-70钢淬硬性高，同一热处理条件下最大差值约10HSD。

图1 淬硬性对比Figure 1 Comparison of hardening capacity

1.4 回火硬度

对经淬火后的批量试样进行不同温度回火试验，硬度检测结果见图2。与YB-70材料相比，新材料540℃及以下回火后的硬度水平明显提高，抗回火稳定性更高；回火温度高于540℃时，两种材质硬度相当。可见，新材质更适宜高硬度要求支承辊。

图2 回火后硬度对比Figure 2 Comparison of hardness after tempering

1.5 显微组织

新材料试样在不同温度淬火后，560℃以下回火时的显微组织均为“回火马氏体+少量细粒状碳化物”；600℃以上回火时的显微组织为“回火索氏体+少量细粒状碳化物”，见图3。这对实现工作层内全马氏体组织奠定了理论基础，从而提高支承辊耐磨性及硬度保持能力。

图3 试验钢回火后的金相组织Figure 3 Microstructure after tempering of tested steel

2 生产制造流程

新型支承辊的生产制造流程为：电炉粗炼→LF炉真空精炼→真空铸锭→锻造→锻后热处理→粗加工→超声检测→调质热处理→差温淬火、回火→精加工→超声检测→包装发运。

在前期研发成果基础上，对新材料支承辊进行了制造，对炼钢、锻造、热处理等生产过程的工艺、质量控制等都进行了充分的模拟论证，制定了合理、科学的制造工艺。

2.1 冶炼铸锭

采用真空精炼(VD)+真空铸锭(VT)的炼钢方法。

2.2 锻造

采用一次镦粗拔长的工艺方法，压实采用高温大压下量的KD锻造法，有效解决钢锭表面裂纹与中心压实的矛盾。

2.3 热处理

热处理工序为锻后热处理+调质+最终热处理。其中，锻后热处理采取正火+回火的形式；预备热处理采取调质；最终热处理采用差温加热+喷雾淬火+回火的形式，通过调整回火温度和时间，使支承辊辊身工作层获得满足使用要求的组织、硬度、应力分布。

3 生产件性能检测结果

按照上述制造流程成功制造了两支辊身直径∅1600 mm的新型支承辊，对其中一支产品进行各项性能检测，结果表明各项指标均达到了预期目标。

3.1 预备组织及力学性能

取调质后的支承辊端头料检测显微组织、力学性能。结果显示，预备组织为综合力学性能优良的回火索氏体，断口形貌为韧窝(见图4)；抗拉强度≥950 MPa，屈服强度≥750 MPa，冲击吸收能量KU2≥30 J。

图4 预备热处理后显微组织Figure 4 Microstructure after pre-heating

3.2 辊身工作层内硬度

以辊身硬度62～66HSD(用户技术要求)为目标对试制件进行了最终热处理，通过切取辊身试环对工作层内硬度进行检测，工作层硬度曲线见图5。工作层深90 mm范围内的硬度基本保持稳定在65～66HSD，115 mm深处硬度较表面降低了5HSD。可见该支承辊工作层深≥90 mm。

3.3 工作层内为全马氏体组织

为获得工作层内全马氏体组织，进而提升支承辊抗表面粗糙度、耐磨性等使用性能，从改进原有Cr5材质、优化支承辊制造工艺、组织结构等各方面入手，取得了良好的效果。

图6为辊身表面与90 mm深处显微组织。可以看出，整个工作层内的基体组织均为回火马氏体，且辊身表面的马氏体针叶长度明显大于90 mm深处；表面组织中含有少量碳化物，且碳化物颗粒细小(近纳米级)。对该辊身表面及工作层90 mm深处的试样进行晶粒度检测，分别为6.5级、9级，对于合金工具钢来说属于细晶粒范畴，说明表面晶粒并未粗化。

图6 扫描电镜检测的工作层内的显微组织Figure 6 Microstructure in the working layer detected by scanning electron microscopy

3.4 工作层内力学性能

对工作层不同深度处的试样进行力学性能检测，结果见表1。工作层内的抗拉强度≥1500 MPa，屈服强度≥1300 MPa，冲击吸收能量KU2≥20 J，完全满足使用要求。

表1 工作层内力学性能检测结果Table 1 Test results of the mechanical properties in the working layer

4 新型支承辊的使用展望

通过对新型支承辊材料的基础研发及对生产件的各项检测，在显微组织、硬度、力学性能等各方面取得了预期目标，提高了支承辊综合性能。公司将继续完善新型支承辊在线使用性能，挖掘材料潜能，进一步提高支承辊的毫米轧制量、延长换辊周期，降低轧钢厂的生产成本及满足轧机的个性化需求。

5 结论

(1)实验室试验表明，无论淬硬性还是回火后的硬度水平，新型支承辊用钢均较普通Cr5钢有提升；560℃以下回火时的基体组织均为回火马氏体，为实现工作层内全马氏体组织奠定了理论基础。

(2)新型支承辊辊颈为综合力学性能优良的回火索氏体。

(3)新型支承辊辊身具有较高的淬硬性和淬透性，且工作层内为全马氏体组织。

(4)新型支承辊辊身工作层内不同深度均具有较高的强韧性。