您的当前位置: 首页 > 锻压文献库 > 自由锻件 > 正文|
1 前言
世界各国冷轧辊材质主要采用高碳铬钼合金锻钢，此系列钢种最早是从GCr15型轴承钢基础上逐步发展演变而来的，目前各国主要冷轧辊制造厂都各自开发了自己的冷轧工作辊用钢系列，虽然化学成分不尽相同，但主要元素的应用原理大致相同。在冷轧辊材料的不断升级换代过程中，铬含量的提高是高碳铬钼合金锻钢冷轧工作辊材质发展的基本特征。目前，锻钢冷轧工作辊材质已从早期的2%Cr、3% Cr型发展到以5%Cr型冷轧辊钢为主，而8-10%Cr型高铬钢也正在使用。近几年，随着轧钢工业的发展，大型冷轧机生产作业效率和板材质量要求的同步提高，对锻钢冷轧辊抗事故能力和耐磨性等综合性能的不断改善提出了越来越高的要求。为了满足冷轧生产对轧辊综合性能更高的要求，提高轧辊材料合金化水平，制作合金化程度更高的冷轧辊已成为近中期冷轧板带轧辊的发展方向，因此最新型的锻造半高速钢、高速钢材料已开始应用于冷轧工作辊。
众所周知，锻钢冷轧辊在热处理和使用过程中要承受非常大的应力，轧辊本体要有极高的强度，这是冷轧工作辊辊坯必须达到很高的内部超声波探伤要求主要原因，同时辊坯超声波探伤超标也是整个制作工序环节中造成冷轧辊致废的主要原因。而高合金冷轧辊材料合金含量相对普通冷轧辊材料提高很多，这样就增大了钢锭的偏析程度，同时碳、硅等基体强化元素的大量加入造成材料变形抗力增大，钢锭凝固过程中液析碳化物和网状碳化物析出倾向增大，使得材料硬化倾向性加大，辊坯经过锻造后极易出现辊坯内部超声波探伤超标的情况，严重制约了高材质新型冷轧辊的制造与开发。因此，研究探讨导致高合金冷轧辊超声波探伤超标的原因，有效提高辊坯探伤合格率，成为从事轧辊行业锻造工作者的一个重要课题。
2 辊坯超声波探伤超标缺陷形成机理研究
在对大量超声波探伤不合格的冷轧辊辊坯的解剖分析发现，导致超声波探伤超标缺陷主要为裂纹缺陷，裂纹处存在细小的非金属夹杂[1]。随着炼钢技术的迅速发展，锻钢冷轧辊用钢水的质量大为提高，特别是真空精炼和电渣重熔技术的采用，使得外来夹杂物的含量已降地很低，而内生夹杂物由于是钢的组成部分，冶金和凝固等特性决定了钢锭内部不可避免地存在着各种类型的夹杂物，并且随着钢锭体积的增大，内生夹杂物的尺寸也相应地增大，其数量、大小、形状、分布和组成等都可以得到改善。虽然冷轧辊冶炼采用电渣重熔方式，内含夹杂物单个尺寸远小于探伤标准中的容许值，但是夹杂物的存在及其在唯一能够改变夹杂物形貌的锻造变形过程中变化，构成了产生夹杂性裂纹缺陷最主要的动因。钢中非金属夹杂物在锻造变形过程中导致探伤可见裂纹的原因已有成熟的理论体系[2]，而高合金冷轧辊高碳、高合金的材料特性决定了其裂纹形成的特殊机理。
表1
表1所示为3支探伤超标的高材质冷轧辊坯缺陷情况，致废缺陷主要为辊身30％～70％左右深度范围的连续性缺陷，缺陷当量Φ3～Φ4mm。通过对因探伤致废辊坯解剖发现，导致探伤超标的缺陷仍然是裂纹，而裂纹处通过扫描电镜观察聚集着大量的液析碳化物，见图1、图2。
辊坯低倍样探伤裂纹，加工成试样后在裂纹处压断，宏观断口形态为台状断口，取其中一块作断口，裂纹处的形貌及裂纹面形貌如图1，将裂纹表面放大，形貌如图2，
可明显看到上面的液析碳化物，液析碳化物上还有许多二次小裂纹。
通过对辊坯辊身解剖检测发现，辊身中部和心部均存在着较为严重的聚集的液析碳化物，图3为辊身中部液析碳化物，图4为辊身心部液析碳化物。
解剖试验结论：通过上述超声波探伤致废辊坯的解剖结果可以看出，造成高合金冷轧辊超声波探伤致废的探伤缺陷主要是裂纹性缺陷，这些裂纹性缺陷都是在锻造变形过程中产生的，导致裂纹性缺陷产生的主要原因有两个： 1）钢中非金属夹杂物；
2）钢中聚集的大块碳化物。
钢中非金属夹杂物在锻造变形过程中被压扁，由于塑性变形不均匀会引起宏观剪切带的出现。在一定条件下相邻夹杂物之间夹杂性微裂纹会产生聚合而形成探伤可见的裂纹性缺陷。而钢中脆性夹杂物由于较基体材料硬，不能随基体材料变形，其应变影响区和应力集中均较塑性夹杂小，与基体界面结合能力很差，二界面非常容易脱开并形成裂纹，由于脆性夹杂物尺寸较小，即使产生了裂纹也不会使探伤超标[2]。而高合金冷轧辊钢中碳化物量较大，碳化物坚硬而难以变形，塑性变形过程中与钢中脆性夹杂物所起的作用相似，但如果钢中存在聚集的大块碳化物（这在合金含量较高的冷轧辊材质较为常见），如图3、图4所示，由于尺寸较大，如果控制不利很容易在变形过程中导致如图1所示的探伤可见的裂纹性缺陷。
3 内裂控制锻造工艺探讨
1）镦粗变形量的控制
数值模拟研究的结果表明，高径比在0.6-2.0之间的钢锭，内部微夹杂性裂纹开始聚合的镦粗变形量为50%。考虑到钢锭不同部位镦粗变形率不均匀，辊身中部变形量最大，因此将钢锭的镦粗变形量控制在40%左右。
2）终锻火次控制锻造工艺
前面提到内生夹杂物由于是钢的组成部分，冶金和凝固等特性决定了钢锭内部不可避免地存在着各种类型的夹杂物，并且高合金冷轧辊材料过共析成分决定了组织中存在一定量的块状碳化物，因其物理性能与基体金属的差异在辊坯锻造主变形阶段会由于应变应力集中导致微裂纹形成。研究表明[3]，此类裂纹可通过高温扩散进行修复，而温度对裂纹修复率的影响最为显著。在终锻火次加热温度的制定非常重要，由于此时组织较致密，在这
一火适当提高加热温度，将会更加充分的发挥高温扩散对前期主变形阶段可能形成裂纹缺陷的修复作用。而表2显示的高温扩散前后探伤结果表明，单纯高温扩散对高合金冷轧辊坯内的裂纹缺陷有明显的改善修复作用。
另外，裂纹修复在高温、高静水压力、大塑性变形的条件下进行，与单纯高温愈合处 表2废辊坯扩散前后探伤情况对比
理条件下裂纹修复情况相比，裂纹愈合的进程向前推进了一大步。表3废辊坯改锻前后探伤情况对比，这主要是因为足够的变形量以及压力条件下使裂纹表面充分接触，可以保证扩散和再结晶的顺利进行，特别是裂纹表面接触后的变形增量对修复裂纹起着重要作用。
表3废辊坯改锻前后探伤情况对比
3）控制内裂的锻造加热工艺
冷轧辊材质中碳化物坚硬而难以变形，塑性变形过程中与钢中脆性夹杂物所起的作用相似，因此针对夹杂性裂纹的控制锻造工艺原则也同样适用于碳化物导致裂纹的控制。但碳化物与夹杂物不同的是，它可以通过高温加热溶解，因而应充分利用这一特性加强对碳化物形成裂纹的控制，提高探伤合格率。为此，对于高合金冷轧辊产品，首先在钢锭始锻加热过程中进一步强化高温扩散的作用，在普通材质钢锭始锻加热工艺时间基础上必须延长加热时间，充分溶解坯料内部的液析碳化物，减小碳化物含量及尺寸，降低碳化物形成探伤可见裂纹的几率。图5、图6为加热时间调整前后，同规格高合金冷轧辊坯液析碳化物检测情况，图5辊坯探伤致废，而图6产品完全符合探伤要求。
4 结论 1）高合金冷轧辊超声波探伤致废的探伤缺陷主要是裂纹性缺陷，这些裂纹性缺陷都是在锻造变形过程中产生的，导致裂纹性缺陷产生的主要原因有两个：非金属夹杂物以及聚集的大块碳化物。
2）控制终锻火次的加热温度和变形量对改善冷轧辊坯超声波探伤缺陷有非常重要的影响。
3）高温扩散改善辊坯液析碳化物分布状态，可明显提高高合金冷轧辊坯探伤合格率。
参 考 文 献[1] 杨昱东等．锻钢冷轧辊内裂缺陷控制研究．大型铸锻件，2006，No.1：1～4．
[2] 韩静涛．大型饼块类锻件夹杂性裂纹形成机理及控制锻造工艺研究．清华大学博士学位论文，1995，3.
[3] 韦东滨等．金属材料内部裂纹高温愈合的实验研究．北京科技大学学报，2000，22（3）：245-248．
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
