一种提高热轧支承辊接触疲劳强度的热处理方法

技术领域

本发明涉及冶金装备行业轧钢机用轧辊制造领域，是一种提高支承辊接触疲劳强度的热处理方法。

背景技术

随着我国经济的发展，不锈钢、硅钢等品种钢的人均消费量不断升高。不锈钢广泛应用于家具、装饰等领域，新能源汽车对硅钢的需求快速增长。因此热轧不锈钢、硅钢向高效率、薄板带方向发展，以期提高产品质量、降低制造成本。

不锈钢、硅钢热连轧线的轧制力大，该工况对支承辊的要求较高，不但要求轧辊强度、韧性良好，还要求辊身工作层接触疲劳强度良好，在与高硬度、高碳化物含量的工作辊配对使用时不能出现掉块、剥落等现象而较早的失效。一般情况下，热轧线采用Cr5锻钢支承辊，不锈钢、硅钢薄板带轧材比例较高的轧线并未针对性的设计或使用不同的支承辊。但随着不锈钢、硅钢薄板带比例提高，支承辊早期失效的情况越来越多，根本原因就是支承辊耐磨性、接触疲劳强度不足。

另外，由于热轧支承辊净重通常约40-50吨，制造支承辊的钢锭要达到60吨以上，通过提高合金元素含量改善工作层硬度疲劳强度技术难度非常大。材质越高、偏析越严重，均匀性越难以控制，锻造易开裂、成材率低。因此，目前支承辊材质仍为Cr5材质或Cr5以下材质。在此背景下各制造厂正在通过各种工艺技术方法创新，提高产品均匀性及性能。

因此，如何提高热轧支承辊的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，特别是开发出适合不锈钢、硅钢薄板带轧材的热轧支撑辊，以减少或避免支撑辊早期失效的情况，成为本领域急待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种提高热轧支承辊接触疲劳强度的热处理方法，其解决了在热轧不锈钢、硅钢薄板带轧线上常规锻钢支承辊使用中接触疲劳强度不足等问题，提高了支承辊使用周期和服役寿命。

具体地，本发明提供了一种提高热轧支承辊接触疲劳强度的热处理方法，包括如下步骤：

①预备热处理：将辊坯进行正火处理，再加热至780～850℃，保温10～20h后，缓慢冷却至680～720℃，保温30～40h，然后炉冷，以获得充分的球化效果；

②粗加工，调质处理，半精加工；

③预热：将半精加工后的辊坯在台车炉预热，预热温度范围250～400℃，保温20～30h；将预热后的辊坯转移至差温淬火装置内，以10～15℃/min的速度将辊坯加热至950～1050℃，保温10～20min，以保证工作层100mm内快速奥氏体化且奥氏体晶粒细小；

④淬火：加热后的辊坯转移至连续可控冷却速度的淬火装置内进行淬火；

⑤回火：将淬火后的辊坯进行分阶段回火，第一阶段回火温度范围350～450℃；回火结束后空冷至室温然后进行第二阶段回火，回火温度范围450～550℃；回火结束后空冷至室温然后进行第三阶段回火，回火温度范围450～550℃；回火结束后炉冷至≤350℃，空冷至室温。

本发明的进一步改进在于，其中所述差温淬火装置以阶梯式加热方式控制支承辊辊身外层100mm内温度分布接近附图1所述曲线。

本发明的进一步改进在于，其中步骤④所述连续可控冷却是通过控制水流量控制淬火冷却速度，开始时15-20min快速冷却，按每米辊长控制水流量150-200立方米/小时，之后降低流量，按每米辊长控制流量至75-125立方米/小时，使得工作层45-75mm内获得等硬度层(硬度差绝对值≤2HS)。

本发明的进一步改进在于，其中步骤⑤所述第一、二、三阶段回火的时间分别按照t1＝辊身直径φ/100mm*1.5h、t2＝辊身直径φ/100mm*4h、t3＝辊身直径φ/100mm*6h进行计算。

本发明的进一步改进在于，其中所述辊坯是将钢锭按照锻造工序生产工艺制得。

优选地，其中所述锻造工序前，对钢锭加热至1200-1300℃，加热时间为20-30h；然后转移至80MN油压机锻造，通过镦粗、拔长锻造，将钢锭制成锻坯，锻坯进行锻后热处理后进行车削加工得到细晶辊坯。

优选地，其中所述钢锭是按照Cr5支撑辊材质中的化学组分及其重量百分含量配制钢材原料，按照冶炼工序生产工艺制得，其中所述Cr5支承辊材质中的化学组分及重量百分含量为：C0.45％～0.75％，Si0.40％～0.80％，Mn0.30％～0.80％，Cr4.50％～5.50％，Ni0.20％～0.60％，Mo0.40％～0.80％，V0.10％～0.50％，P≤0.020％，S≤0.010％；其余为Fe和不可避免的杂质。进一步优选为：C0.45％～0.60％，Si0.40％～0.45％，Mn0.40％～0.45％，Cr4.80％～5.20％，Ni0.30％～0.50％，Mo0.40％～0.60％，V0.10～0.20％，P≤0.020％；S≤0.010％；其余为Fe和不可避免的杂质。

优选地，其中所述钢锭的冶炼工序生产工艺如下：

A.将钢材原料用电弧炉和LF精炼炉进行冶炼，对精炼炉中的钢水化学组分及重量百分含量进行化验，化验合格后进行真空脱气；

B.在真空环境中将铁水注入钢锭模形成钢锭。

使用金相显微镜检验经本发明处理过的所述热轧支承辊，所述辊身表面45-75mm内金相组织为回火马氏体+弥散分布细小颗粒碳化物，显微硬度≥680HV，硬度差绝对值≤20HV；取辊身工作层试样采用快速疲劳试验机进行接触疲劳试验，寿命提高30％以上；辊身表面残余应力为-(200-350)MPa。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明通过对常规Cr5支承辊热处理方法的改进，获得了一种具有较高接触疲劳强度的锻钢支承辊，其工作层耐磨性良好、接触疲劳强度提高30％，残余应力稳定，使得支承辊整个服役期内综合使用效果提升，提高了轧钢生产效率，降低了支承辊的消耗。

2、本发明在常规Cr5支承辊热处理基础上进行了改进。通过预备热处理获得球状珠光体组织和大量颗粒碳化物，球状组织和碳化物可以阻碍高温下奥氏体晶粒长大，使得在后续的性能热处理加热时可选择高的淬火温度、且晶粒细小。通过快速加热奥氏体化为工作层温度梯度分布创造良好条件，高温奥氏体中固溶更多的合金元素，淬火时能够得到45-75mm深度范围的马氏体组织，通过回火工艺的改进，采用分阶段多次回火工艺，辊身残余应力得到有效控制，残余应力合理，辊身工作层得到较高的显微硬度和具备弥散强化作用的细小碳化物。在支承辊使用过程中，显微硬度的提高能够改善轧辊的磨损机制，有效地保护基体，而基体能够通过塑性变形的方式缓解碳化物区域承受的较高内应力，并对碳化物起着支撑和保护作用，有效地防止裂纹扩展，从而提高支承辊的接触疲劳强度。

3、本发明中的Cr5支承辊组织均匀性良好，显微硬度较常规Cr5锻钢支承辊提高20％，本发明中的Cr5支承辊接触疲劳强度在实验条件下疲劳周期超过220万转，整个服役期内综合使用周期较常规Cr5锻钢支承辊提高30％。

附图说明

图1是温度分布曲线图。

具体实施方式

实施例1-4

本发明实施例1-4支承辊的化学组分组分及其重量百分含量请见下表。

表1实施例1～4支承辊主要化学组分及其重量百分含量

本发明实施例1-4提高支承辊接触疲劳强度的热处理方法，包括如下步骤：

1)按照Cr5支承辊材质中的化学组分及重量百分含量配制钢材原料，按照冶炼工序生产工艺制得钢锭；其中，钢锭生产工艺的具体步骤如下：A、将钢材原料用电弧炉和LF精炼炉进行冶炼，对精炼炉中的钢水化学组分及重量百分含量进行化验，化验合格后进行真空脱气；B、在真空环境中将铁水注入钢锭模形成钢锭。

2)钢锭按照锻造工序生产工艺制得辊坯。

3)对辊坯进行预备热处理；预备热处理的具体过程：将锻坯加热900～1000℃，正火，然后转至炉内加热780～850℃，保温10～20h，然后缓慢冷却至680～720℃，保温30～40h，炉冷。

4)粗加工，调质处理，半精加工。

5)性能热处理具体步骤如下：

①预热：将半精加工后的辊坯在台车炉预热，预热温度范围250～400℃，保温20～30h；

将预热后的辊坯转移至差温淬火装置内，以10～15℃/min的速度阶梯式加热控制支承辊辊身外层100mm内温度分布，将辊坯快速加热至950～1050℃，保温时间为10～20min；

加热后的辊坯转移至连续可控冷却速度的淬火装置内进行淬火，通过控制水流量控制淬火冷却速度，开始时15-20min快速冷却，按每米辊长控制水流量150-200立方米/小时，之后降低流量，按每米辊长控制流量至75-125立方米/小时；

②将淬火后的辊坯进行分阶段回火，第一阶段回火温度范围350～450℃，回火时间按照t1＝辊身直径φ/100mm*1.5h；回火结束后空冷至室温然后进行第二阶段回火，回火温度范围450～550℃，回火时间按照t2＝辊身直径φ/100mm*4h，回火结束后空冷至室温然后进行第三阶段回火，回火温度范围450～550℃，回火时间按照t3＝辊身直径φ/100mm*6h，回火结束后冷至≤350℃空冷至室温。

其中，实施例1～4的具体工艺参数如下表。

表2实施例1～4工艺参数

对照例

本对照例的步骤1)-3)与实施例1相同，区别在于步骤4)和步骤5)。

4)对辊坯进行预备热处理：对照例辊坯没有正火处理。

5)性能热处理具体步骤如下：

①预热：将半精加工后的辊坯在台车炉预热，预热温度范围250～400℃，保温20～30h；将预热后的辊坯转移至差温淬火装置内，以常规加热方式40min辊身加热，通过天然气火焰喷头喷射火焰产生大量的热，热量主要以热辐射方式加热辊身表层，以热传导的方式从表层向里层传递，通过长时间的保温来提高里层温度达到奥氏体化。加热温度均匀性和控制精度较差，因为加热过程中通过喷嘴流量控制温度，而不同喷嘴控制协调难度较大，另一方面加热过程仅能监测炉膛温度，以炉膛温度通过生产经验间接控制辊温。加热后的辊坯转移至淬火装置内进行连续大水量冷却淬火，按每米辊长控制水流量120-160立方米/小时，连续冷却1-1.5小时。

②将淬火后的辊坯按实施例1所述第一、二阶段参数进行回火后(不进行第三阶段回火)，炉冷至≤350℃，空冷至室温。

实验例

取经本发明实施例1-4和对照例处理过的所述热轧支承辊，分别进行金相显微镜检验、显微硬度检测和接触疲劳试验，结果如下：

1)金相显微镜检验结果

实施例1-4辊身表面45-75mm内金相组织为回火马氏体+弥散分布细小颗粒碳化物，而对照例辊身表面45-60mm内金相组织为回火马氏体+弥散分布细小颗粒碳化物，60-75mm内出现一定量回火索氏体。

2)显微硬度检测结果

实施例1-4辊身表面45-75mm的显微硬度≥680HV，硬度差绝对值≤20HV，而对照例辊身表面45-75mm的显微硬度≥620HV(请见表3)。

表3实施例1～4和对照例显微硬度检测结果

3)接触疲劳试验结果

取辊身工作层试样采用快速疲劳试验机进行接触疲劳试验，实施例1-4寿命比对照例提高30％以上；实施例1-4的辊身表面残余应力为-(200-350)MPa，与对照例的辊面残余应力基本相当。(请见表4)

表4实施例1～4和对照例接触疲劳强度检测结果

可见，与常规的热处理方法相比，经本发明方法处理的热轧支撑辊在金相组织、显微硬度、接触疲劳强度等方面取得了显著的技术进步。