MC6冷轧辊网状碳化物的控制

2022-04-08王晓明张学美宫国峰王刚

大型铸锻件 2022年2期

王晓明张学美宫国峰王刚

(天津赛瑞机器设备有限公司，天津300301)

收稿日期：2021-07-27

冷轧辊是轧机上的主要零部件，也是在各类轧辊类产品中质量要求最高的，因而对材质的要求也极高。在材质方面，铬含量的提高是高碳铬钼冷轧工作辊发展的基本特征。随着工艺的发展，冷轧工作辊的Cr含量已由最初的1.5%左右为主流发展到6%为主流。但是，由于Cr6钢中的合金元素较高，且含碳量也较高，钢锭在冶炼时更容易产生成分偏析，产生块状或共晶骨骼状液析碳化物，这种碳化物在后期通过热处理很难改善，而且会带来一些二次碳化物问题。针对此问题，本文对MC6冷轧工作辊进行了试验研究，对碳化物的形成原因进行了分析，并根据形成原因设计改善方案，以期改善冷轧工作辊的内部质量。

1 问题描述

最初公司生产MC6材质冷轧工作辊时，当辊身规格大于∅500 mm时，就会出现碳化物超标的问题。为此，公司对MC6材质、辊身规格∅550 mm的冷轧工作辊的网状问题进行专项攻关。

2 问题分析

为研究网状碳化物的形态，进一步分析产生原因，对需要攻关的轧辊取样进行高倍检验，按GB/T 1299—2014《工模具钢》对网状碳化物进行评定，评定的网状碳化物级别为3.5级以上，如图1所示。

图1 MC6冷轧工作辊网状碳化物金相照片(500×)Figure 1 Metallographic photo of MC6 cold rolling work roll network carbide(500×)

在图1中可以明显看出，碳化物沿晶界析出，在晶界处偏聚，形成了粗大的碳化物网，这种粗大的碳化物网就是要攻关消除的问题点。明确了碳化物形态，进一步分析网状碳化物的形成环节及形成原因。

公司生产MC6材质冷轧工作辊的大致工艺流程是：ESR电渣重熔→锻前热处理→锻造→锻后热处理→粗加工→检验、上交。从工序上来看，除粗加工外，其余各工序均为热加工。理论上分析，热加工工序对碳化物的形成以及形态有直接的影响。工艺流程中热加工工序生产周期较长，且影响因素较多。为此，对各工序的代表参数进行了数据统计及分析，以期发现规律，解决问题。

2.1 电渣重熔工序

公司使用常压大气冶炼电渣炉，在MC6材质电渣锭其他工艺参数不变的前提下，分别对结晶器规格和冶炼熔速两个参数变化对后续碳化物网状级别的影响进行了统计，统计数据如表1所示。

从表1可以看出，结晶器规格较小，冶炼熔速较低的辊坯，后续检验网状碳化物超标的数量较低，结晶器规格较大，冶炼熔速较快的辊坯，后续检验网状碳化物超标的数量较多。这是因为电渣冶炼过程就是钢坯的重熔再结晶过程。在钢坯的冷却结晶过程中，不可避免地存在成分偏析和结晶偏析，导致碳化物析出。由于Cr含量的提高，MC6钢中的碳化物类型多数为M7C3型。M7C3型碳化物加热时稳定性高，其完全固溶温度远高于MC3型碳化物，在加热锻造以及后续工序中很难改善。一般来说，结晶器规格越大，冶炼熔速越快，电渣锭的冷却速度越慢，成分偏析和结晶偏析就越严重，碳化物析出的数量就会越多，M7C3性碳化物数量也会越多，对后续辊坯加工时的影响也会越大。

表1 不同电渣冶炼参数与MC6冷轧辊网状碳化物超标情况统计Table 1 Statistics of different electroslag smeltingparameters and MC6 cold rolling rollernetwork carbide exceeds the standard

2.2 锻前热处理工序

为了保证电渣锭烧透，改善电渣钢的枝晶偏析，减少或消除电渣冶炼过程中产生的一次碳化物，锻造前需要进行高温扩散。对于MC6这种合金成分较高且使用要求比较严苛的钢种来说，高温扩散是一道非常重要的工序。在MC6材质辊坯其他工艺参数不变的前提下，分别对加热温度和保温时间两个参数的变化对后续碳化物网状级别的影响进行了统计，统计数据如表2所示。

从表2可以看出，加热温度较高，保温时间较长的辊坯，后续检验网状碳化物超标的数量较低，加热温度较低，保温时间较短的辊坯，后续检验网状碳化物超标的数量较多。也就是说，保温时间越长、温度越高，高温扩散效果越好。1210℃保温35 h的效果最好，1210℃保温20 h的次之，1170℃保温20 h的效果最差。这说明，高温扩散的效果与加热温度和保温时间是函数关系。加热温度是高温扩散的基础，保温时间保障扩散的充分进行。加热温度过低，达不到应有的扩散效果，而加热温度过高，又容易造成电渣锭的过烧或过热。保温时间短，有可能扩散的不充分，而保温时间过长会造成能源的浪费和生产效率的降低。从表2中还可以看出，1170℃保温35 h和1170℃保温20 h的超标率接近，在1170℃的加热温度下，延长保温时间没有起到明显的作用，这说明了低温长时间的扩散没有什么作用，加热温度是保证扩散效果的决定因素。

表2 不同高温扩散参数与MC6冷轧辊网状碳化物超标情况统计Table 2 Statistics of different high temperaturediffusion parameters and MC6 cold rolling rollernetwork carbide exceeds the standard

2.3 锻造工序

锻造工序是MC6冷轧工作辊生产制造过程中最重要的一道工序。一方面，通过压机的锻打得到需要的辊坯形状。另一方面，由于MC6材质的电渣锭合金含量较高，电渣锭内部组织的偏析程度较为严重，尤其是电渣锭靠近冒口的部分。该区域存在大量的非金属夹杂物和碳化物，还有一些气孔和疏松。通过锻造过程，可以改变非金属夹杂物和碳化物的形状、大小，能够消除铸态组织粗大的枝晶，细化晶粒，焊合电渣锭内部疏松、气孔等缺陷。锻造过程参数较多，通过理论分析，认为影响网状碳化物的参数主要有两个，分别为锻比和锻后冷却方式。在MC6材质辊坯其他工艺参数不变的前提下，分别对锻比和锻后冷却方式两个参数的变化对后续碳化物网状级别的影响进行了统计，统计数据如表3所示。

表3 不同锻造参数与MC6冷轧辊网状碳化物超标情况统计Table 3 Statistics of different forging parametersand MC6 cold rolling roller network carbideexceeds the standard

从表3可以看出，锻后冷却方式对网状碳化物的影响较大，锻后雾冷可以有效地控制MC6冷轧辊网状碳化物的形成。这是因为，MC6材质钢的合金元素含量较高，属于过共析钢，C曲线右移。终锻完成后过共析钢在冷却过程中如果速度太慢，奥氏体中会析出碳元素，析出的碳元素会逐步扩散到晶界处，形成晶间二次碳化物，二次碳化物在晶界偏聚形成了粗大的碳化物网。如冷却速度较快，碳化物来不及在晶界处析出，网状碳化物的形成就缺少了必然条件。从表3中还可以看出，锻比对网状碳化物超标的影响不大。虽然大的锻比可以更有效地破碎钢锭组织，改善碳化物形状，但成网的碳化物大多为二次碳化物，锻比的大小无法影响二次碳化物的形态。

2.4 锻后热处理工序

锻后热处理工序是MC6冷轧辊生产过程中得到理想组织的一道重要工序。锻后热处理工序有正火、球化退火以及淬火、回火。资料表明，正火工序会影响网状碳化物的级别[1]。所以在MC6材质辊坯其他工艺参数不变的前提下，分别对正火温度和冷却方式两个参数的变化对后续碳化物网状级别的影响进行了统计，统计数据如表4所示。

表4 不同正火参数与MC6冷轧辊网状碳化物超标情况统计Table 4 Statistics of different normalizing parametersand MC6 cold rolling roller network carbideexceeds the standard

由表4可以看出，第一，正火冷却方式对网状碳化物的影响最大。通过喷雾冷却，抑制了奥氏体中的碳化物析出，防止在晶界上形成连续的网状碳化物，网状级别较低，网状超标数量较少。空冷因冷却速度较慢，碳化物沿晶界析出较多，网状级别较高，网状超标数量较多。第二，正火温度对网状碳化物的影响也比较大。这是因为，在前序生产过程中不可避免地会有一些网状碳化物析出。因MC6钢的Cr含量较高，钢中的碳化物类型由MC3型转化为M7C3型。M7C3型碳化物加热时稳定性高，其完全固溶的温度大大高于MC3型碳化物。因此，普通的正火很难消除这种网状碳化物，必须进行高温正火。MC6辊坯的碳化物固溶温度高于1050℃，要想完全依靠正火消除网状，必须保证碳化物固溶到奥氏体中，因此必须保证正火温度高于1050℃。

3 控制措施

3.1 电渣冶炼工序

电渣冶炼工序要控制结晶器规格和冶炼熔速，使用规格偏小的结晶器可以提高电渣锭的冷却速度，避免一次碳化物的析出。较低冶炼熔速，可以保证电渣冶炼过程中渣洗的效果，可以保证钢的纯净度。另外，冶炼熔速可以影响熔池形状，从而改善电渣锭凝固过程中偏析的程度。但为保证电渣锭的表面质量，冶炼熔速也不能过低，合理的冶炼熔速是控制MC6冷轧工作辊质量的前提。

3.2 锻前热处理工序

锻前热处理工序要保证高温扩散的温度和时间。高温扩散加热温度越高，扩散的效果越好。但MC6钢中合金元素过高，加热温度过高，可能会出现质点过烧，而且晶粒也会长大。所以，为避免其他缺陷的产生，将加热温度定在1210℃。保温时间是保证扩散效果的必要因素，但保温时间过长会造成成本的浪费，综合考虑将保温时间定为35 h。