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1、EBR5l 锻钢支承辊材料工艺参数研究与应用 蒋新亮 陈先毅 罗玉立 杨萍 赵欣 中国第二重型机械集团公司 摘 要： 为适应对板带钢高质量和品种多样化的需求, 针对先进冷热连轧带钢生产线需求开展了 5%Cr 型支承辊材料 (简称 EBR51) 试验研究, 设计出了材料化学成分, 并进行了材料基本物理参数、材料连续冷却转变温度、材料淬火温度与淬硬性、回火温度与回火稳定性、高温塑性与变形、材料球化温度与组织、调质与力学性能等试验, 结果显示该材料完全能够满足高品质支承辊的要求, 并在产品上得到了很好的推广应用。关键词： 支承辊; EBR51; 工艺参数; 收稿日期：2017-07-01Resear
2、ch of Process Parameters of Materials and Application of EBR51 Forged Steel Back-up RollJiang Xinliang Chen Xianyi Luo Yuli Yang Ping Zhao Xin Abstract： In order to meet the demands of high quality and diversification of strip steel, focusing on the needs of advanced production line of hot and cold
3、steel strip, the experimental study on materials of 5% Cr type back-up roll was developed to design the chemical composition of materials. Meanwhile, the tests, such as hardenability with basic physical parameters of materials, material continuous cooling transition temperature and material quenchin
4、g temperature, temper resistance with temper temperature, deformation with hot ductility, structure with spheroidization temperature of materials, mechanical property with quenching and tempering, were performed. The results showed that such materials could completely meet the requirements of high q
5、uality back-up rolls and the products made out of such materials have been well promoted and applied.Keyword： back-up roll; EBR51; process parameter; Received： 2017-07-01自 2000 年以来, 为适应板带钢高质量和品种多样化的需求, 国内新建和改建了大批先进带钢连轧生产线。这些设备对支承辊的性能和使用寿命要求很高。过去国内长期使用的 2%4%Cr 材料支承辊, 因其辊身表面硬度偏低, 淬硬层浅, 抗剥落和抗事故能力弱而不能满足
6、使用要求。用户迫切要求提高支承辊淬硬层深度和耐磨性, 并具有良好的抗疲劳能力, 以提高使用寿命, 延长换辊周期, 有效地提高板带产量和质量, 降低辊耗和生产成本。本项目在广泛调研的基础上结合现今支承辊的发展趋势, 主要针对先进冷热连轧带钢生产线需求开展了5%Cr 型支承辊材料 (以下简称 EBR51) 试验研究。1 研究的目标和内容1.1 研究的目标项目研究的材料主要用于先进的冷热连轧, 所轧制的钢种主要考虑低合金钢、不锈钢和一些特殊用途薄板带钢, 与之配合使用的工作辊为 MC5、半高速钢锻钢辊和高铬钢及高速钢铸造辊。主要技术参数如下:支承辊的适用范围:冷热连轧;支承辊规格:1000 mm16
7、50 mm;表面硬度:6073HS;硬度均匀性:2.0HS;工作层深度:100 mm;辊颈硬度:4050HS;工作层硬度降:5HS。1.2 研究内容研究内容主要有: (1) 材料化学成分设计; (2) 材料基本物理参数测定; (3) 材料连续冷却转变温度试验; (4) 材料淬硬性与淬火温度试验; (5) 材料回火温度及回火稳定性试验; (6) 材料高温塑性与变形试验; (7) 材料球化、调质与力学性能试验。支承辊辊身工作层具有良好的耐磨性和抗接触疲劳性能, 辊颈和芯部良好的强韧性, 工作层近表面 (20 mm) 为马氏体组织, 其余为贝氏体组织, 芯部为珠光体组织。2 材料化学成分设计材料化学
8、成分是决定锻钢支承辊使用性能的关键, 根据国内外先进的冷热板带钢连轧线使用要求, 参考国内外高铬锻钢支承辊使用效果, 确定 EBR51 型锻钢支承辊化学成分为 5%左右 Cr、0.45%0.60%C 为主, 配以适量的Mo、Mn、Si、V 等元素为试验材料, 主要为了降低 C 含量使其接近于中碳钢水平以减少脆性和淬裂倾向, 通过提高合金含量增加淬透性和淬硬性。在 EBR51试验材料组成中, 各合金元素选择的原则如下:(1) CC 是轧辊材料的主要成分之一, 对轧辊的硬度和耐磨性、接触疲劳性能影响较大。钢淬火后的硬度主要取决于钢的含 C 量, 当钢的含 C 量低于 0.60%时, 淬火后钢的硬度
9、值随含 C 量增加几乎呈直线上升, 但当含 C 量超过 0.60%时硬度值增加趋缓, 淬火马氏体的硬度取决于马氏体的 C 含量, 而与马氏体的合金元素含量关系不大1。由于支承辊截面直径很大, 淬火后存在很大的残余应力, 过高的残余应力是导致轧辊剥落的主要原因之一。为避免这种影响, 轧辊淬火后都应在较高温度回火, 一般是在弹塑性转变温度以上回火, 可有效地消除残余应力。实践表明, 同类轧辊淬火后回火, 含 C 量高的轧辊由于淬火硬度高, 回火后硬度也高于含 C 量低的轧辊。由此可知, 轧辊材料选择适当的含 C 量是降低残余应力、防止剥落的措施之一。支承辊在工作中表面承受巨大的周期性接触应力, 由
10、此要求轧辊有较高的接触疲劳强度以避免剥落和裂纹产生。钢的含 C 量对接触疲劳有重要影响, 因为接触疲劳强度的大小在很大程度上取决于钢的塑性变形抗力的高低, 通过增加第二相质点数量以及弥散度, 可提高钢的塑性变形抗力, 所以对 Cr5 型锻钢支承辊材料来说, 把含 C 量控制在适当的水平是必要的。研究表明, 含 C 量高于0.60%时, 基体组织中容易析出过剩网状碳化物或粗大块状碳化物, 虽然轧辊的硬度和耐磨性因碳化物数量增加而有所提高, 但是塑性和韧性却降低较多1。随着合金元素加入, 冶炼钢锭锭型的加大, C 在钢水凝固过程中, 存在很大程度的偏析, 这种偏析可达 15%30%, 这样大的偏析
11、不仅使热加工难度增大, 而且会引起轧辊性能不均匀, 局部区域表面发生裂隙2, 抗热冲击性能大幅度降低, 致使支承辊抗剥落和抗事故能力变差。考虑到 C 与高 Cr 的结合作用, 为减少偏析, 同时有利于提高材料的高温塑性和强度, 确保高温下的锻造变形顺序, EBR51 型支承辊材料的 C 含量控制在 0.45%0.60%为宜。(2) SiSi 属于非碳化物形成元素, 可强化基体, 提高组织的回火稳定性, 同时还能提高变形抗力和冲击疲劳抗力, 但 Si 含量过多会加重大型钢锭的偏析, 使材料的可锻性变差, 脱碳倾向增大。故 Si 含量应适中, 可控制在 0.50%0.80%。(3) MnMn 属于
12、扩大奥氏体相的元素, 同时也降低过冷奥氏体的分解温度, 有利于提高淬透性, 但过多的锰加入, 会引起碳偏析加剧, 引起轧辊心部组织析出网状或大块状碳化物, 导致轧辊抗事故能力降低。因此, EBR51 型支承辊材料的 Mn 含量不宜高, 以免淬火后残余奥氏体过多, 将 Mn 含量控制在 0.50%以下较为合适。(4) CrCr 是支承辊钢中最主要的合金元素, 它是强碳化物形成元素, 主要以 M3C 和M7C3型存在3。M 7C3型碳化物稳定性高于 M3C 合金渗碳体, 在淬火加热时 Cr 元素绝大部分完全溶解固溶。Cr 元素显著增加奥氏体的稳定性, 提高钢的淬透性和淬硬性4, 并提高钢的耐磨性和
13、抗疲劳性能。Cr 含量过高则含 Cr 碳化物量太多, 将 Cr 控制在 5%左右是较合适的选择。(5) Mo 和 V加入 Mo 可以形成 M2C 型碳化物, 可提高轧辊的淬透性和回火稳定性并改善材料的耐磨性。含 Mo 量在 1.00%以下时, 有利于支承辊工作层获得马氏体和贝氏体类的细晶组织。Mo 含量太高, 会增加大型钢锭的偏析、降低材料的高温塑性, 同时增加热变形抗力, 加大锻造裂纹的风险。综合考虑, 对于一般冷热连轧使用条件, 将支承辊材料的 Mo 含量控制在 0.6%左右已经足够。加入 V 可形成细小的 VC 质点, 既可起强化作用, 又可以细化奥氏体晶粒, 但大于 0.3%时其效果不
14、是很明显, 并且增加脆性风险和裂纹的敏感性5。EBR51 型支承辊材料将 V 控制在 0.3%以下比较合理。根据合金化原理, 采用 Jmatpro 软件对不同组分的材料进行了计算和筛选, 最终确定 EBR51 型锻钢支承辊材料设计的化学成分如表 1 所示。3 试验3.1 试料制备3.1.1 钢的冶炼、浇注使用 150 kg 中频感应炉冶炼, 浇注成 150 kg 小钢锭, 化学成分列于表 2。表 1 锻钢支承辊材料化学成分 (质量分数, %) Table 1 Chemical composition of materials of forged steel back-up roll (Mass
15、, %) 下载原表 表 2 材料冶炼化学成分 (质量分数, %) Table 2 Chemical composition of material smelting (Mass, %) 下载原表 3.1.2 试料锻造加热到 1200, 锻造成方坯作为试验用料。3.1.3 材料可锻性实验结果及评价150 kg 钢锭锻造过程正常, 变形效果好。锻造工艺实施过程中, 在12001220下保温后出炉锻造, 不仅没有裂纹产生, 而且塑性较好。3.2 材料物性参数测定使用仪器为 Formastor-D 全自动相变仪、MM6 型金相显微镜及维氏硬度计。测试相变点、显微组织和维氏硬度等。EBR51 材料测试结
16、果如下:(1) 转变临界温度 Ac1为 744, Ac m为 829;(2) 马氏体开始转变温度 Ms 为 313;(3) 模量 191 GPa;(4) 冷却时间与维氏硬度的关系见图 1。经奥氏体化后在不同冷却速度下, 过冷奥氏体在 740开始转变, 若冷却速度慢于 1.55/min (93/h) , 则获得珠光体组织;逐渐增大冷却速度达到 1.8/min (110/h) , 可获得珠光体及少量的贝氏体组织;冷却速度增大到 3.6/min (216/h) , 获得贝氏体+马氏体+奥氏体组织。过冷奥氏体的转变温度为313。因此, EBR51 差温淬火时冷却速度应控制在 163.6/min, 理想冷却速度应控制在 138/min。由此表明, 材料的淬透性能满足支承辊差温淬火要求, 优于 3%4%Cr 型材料。图 1 从 940至 40冷却时间与维氏硬度的关系 Figure 1 Relationship between cool
