小直径冷轧辊的热处理,做出合格品真不容易

点击报名↑↑

作者：钟翔山，钟礼耀

单位：江西省新余市长林集团长林机器公司 

来源：《金属加工（热加工）》杂志

冷轧辊是金属冷轧机上的重要零件。在轧制过程中，由于轧制速度很高和强大的轧制力使轧辊承受很大的静载荷和动载荷，轧辊表面受轧材的激烈磨损。恶劣的工作环境使冷轧辊使用一段时间后，辊面便因磨损而不平、发毛，需卸下重磨和磨小辊颈直径，再使用一段时间又需重磨，至此达一最小辊颈直径后报废。

轧辊的使用条件和方法要求轧辊不仅应具备高而均匀的表面硬度及足够深的淬硬层，而且应具有良好的耐磨性和耐热裂性，这不但给材质也给热处理带来了许多困难，提出了严格的质量指标。

我公司通过用几种不同的热处理方法对小直径冷轧辊进行了试验生产，制造出了满意的轧辊。

1.原冷轧辊失效原因及热处理指标确定

用户给我们带来一件早期失效的轧辊和一张零件图（见图1），材质GCr15，热处理要求φ168mm辊面60～65HRC，其余50～55HRC。

轧辊在φ102mm轴颈与R25mm过渡圆弧交接处附近发生断裂而失效。据称是在工作半个多小时后发生断裂，前后有几根轧辊装机后均在同一部位工作几小时到几天之内接连发生断裂，余下几根不敢再装机生产了。

未装机使用的轧辊经超声波及着色检查均未发现裂纹，可见裂纹是在工作过程中发生的。从折断断口上检查，未发现材料有什么明显缺陷，材质基本可靠。根据这些基本情况推定，轧辊早期失效的原因有：

（1）辊颈硬度（50～55HRC）偏高，应力松弛困难；

（2）辊面与辊颈硬度过渡部位选择错误，过渡圆弧落在直径突变的过渡圆弧（R25mm）上，过渡区拉应力与尺寸突变区的应力集中叠加，加重了该处的危险性；

（3）过渡圆弧R25mm表面粗糙不光滑，增加了该处应力集中的危害。几种原因叠加，造成了轧辊的异常失效。

通过如上分析，根据冷轧辊热处理基本要求，我们对设计作了如下修正：辊面硬度60～65HRC不变，其余部位硬度降为30～40HRC；硬度过渡部位安排在辊面边缘25mm之内（见图1）；提高圆弧R25mm表面的粗糙度。此分析论证及修正意见征得轧钢厂的认可。

2.热处理方案确定

冷轧辊热处理包括锻后热处理、粗加工后调质处理、半精机加后最终热处理和粗磨后低温回火等项。根据各次热处理的作用及我们的热处理经验，将锻后热处理和粗加后调质处合并进行锻后球化退火作预备热处理，粗磨后低温回火取消，磨削前淬火、回火作为最终热处理。

（1）预备热处理

锻后进行球化退火，得到球状珠光体组织为最终热处理创造条件，具体工艺如图2所示。

（2）最终热处理

轧辊最终热处理包括淬火和低温回火，得到要求的辊面硬度和淬硬层深度，按照专业厂的生产方法，其中淬火有整体淬火和感应加热淬火。整体淬火需用庞大的专用淬火冷却装置；感应加热淬火需用工频加热设备或工频+中频双频淬火设备。这些对于我厂来说条件都不具备。为此根据我公司现有条件设计出如下几种加热淬火方案。

①两端回火方案：轧辊整体加热，盐水整体淬硬。低温回火后两端低硬度区分别用高温快速加热局部回火。

②中频淬火方案：预备热处理后，增加调质工序，最终热处理采用中频连续加热、压力水喷冷却进行辊面淬火硬化。

③绝热保护冷却方案：轧辊整体加热后两端低硬度部位套上热屏蔽套进行绝热保护，再放入盐水中冷却。

3.三种方案处理及试轧结果

三种热处理方案按生产准备和现场生产安排情况先后实施，热处理检验后交轧钢厂试轧考核。

（1）两端回火方案

辊面硬度：中段62HRC，距端部25mm处58HRC；辊颈硬度40HRC，基本符合质量指标，试轧结果，经一次重磨后轧制过程中断裂，在机总时间10天，断裂位置与原失效轧辊相当。

（2）中频淬火方案

辊面硬度64～66HRC，辊颈硬度30HRC，符合质量指标。试轧结果，第二次重磨轧辊面后轧制过程中辊面出现瓦楞状波纹，无法再轧下去，停机卸辊。

（3）绝热保护冷却方案

辊面硬度63～65HRC，距端部20mm处45HRC；辊颈硬度37～40HRC，符合质量指标。

试轧结果，经二个月试轧辊面仍光亮如镜，不需重磨，辊颈不断，辊颈面不毛，试轧工人非常满意，反映比轧机自带轧辊要好。此轧辊能满足轧制使用要求。

4.结果分析及最后方案核定

（1）结果分析

三种方案处理的轧辊，热处理后检验结果大致一样都符合质量指标，但上机试轧情况则截然不同。两端回火方案轧辊与原轧钢厂失效轧辊相当，两端回火时，要保证辊面硬度，除采取一些辊面保护措施（如石棉绳包裹辊面）外，轧辊不能浸入液面太多，回火时间也不能过久，这样辊面与辊颈的硬度过渡区仍然是在圆弧区，甚至辊颈直线处，拉应力的有害作用没有消除，回火时间不长，还可能只表面一层硬度降低，较薄处硬度可能未回下来，早期断裂应属必然。由于辊面经高温回火烘烤，辊面硬度较低且不均匀，磨损较快且不均匀，故重磨时间较短；中频淬火方案，辊颈没有出现问题，可见调质硬度范围强度也满足轧制要求。辊面出现瓦楞状波纹是淬硬层太浅造成，中频淬火深度也就3mm左右，经磨圆去掉一层就比较勉强。几次重磨后就像鸡蛋壳一样，基体承受不了强大的轧制力，出现塑变，辊面下陷呈瓦楞状。

可以预见，再轧制下去，辊面就会出现表层剥落。中频淬火轧辊、辊面重磨周期也短，原因是：从表到里硬度降低较快，高硬度层在磨圆时便大部分磨去了。辊颈不断也说明硬度过渡区拉应力对断裂的强大影响，因为中频淬火硬度过渡小且易于控制。绝对在辊面边缘附近，不会到圆弧部位。绝热保护冷却方案轧辊质量好也在情理之中。只要屏蔽套稳妥地套住要屏蔽部位，圆弧及辊颈所能得到绝热保护、冷却缓慢得到细珠光体组织，辊面在强制搅动的盐水中充分冷，辊面硬度便高而均匀，淬硬层也很深，淬火效果比压力水喷冷却效果更好，使用效果好也就符合道理。事实上，专业厂的整体淬火法原理也是这样，只是在专用设备上完成，劳动强度、操作熟悉程度也要求低而已。

（2）最终方案拟定

经试轧考核后决定采用绝热保护冷却方案作为最终热处理方案。经完善后为：零件在渗碳剂保护的密封箱内加热840℃×2h后出炉套上屏蔽套，空气预冷入搅动盐水中冷却6～7min后转油冷，继续冷至辊面出油不冒白烟（小于100℃）出油，卸去屏蔽套入硝盐回火140℃×24h出炉空冷至室温，水洗硝盐后转磨削。装屏蔽套后入盐水冷却的轧辊如图3所示。

5.生产性考核及存在问题与解决设想

（1）生产性考核

按最终核定的处理方案处理完了这批轧辊，全部合格交出，同时跟踪原试生产的两根轧辊，使用半年后情况良好在机服役。这以后又陆续承揽回各种规格小直径轧辊百多根，辊长从530～1500mm，直径从90～290mm不等，也都采用这种方法处理交出。试用无一折断，反映良好，树立了质量信誉。

（2）存在问题与解决办法

由于全部采用原有设备生产，许多不尽合理之处全靠人力解决。如进出炉全部人力推拉，熏烤厉害，套屏蔽套时要接受高温烘烤；套屏蔽套与起吊不同步，套好又滑脱影响质量；用密封箱加渗碳剂保护既不经济也不卫生，对炉子寿命还有影响等。建议改造一台通透式推杆炉，设计一套简易出炉机具，采用防氧化脱碳又不影响淬火冷却速度的涂料等技改措施，即可摆脱目前这种被动落后局面，同时质量可更加稳定，生产能力将成倍增加。

商务合作：13501198334

关于我们

“热处理生态圈”以热处理为核心报道方向，着眼材料、冶金、热成型、加工和结构等影响零件成品的整个链条因素，构建质量生态圈的理念。

暴点↓↓阅读原文↙↙