9Cr2Mo鋼矯直機空心輥“差溫淬火”熱處理工藝研究

文/王敬偉，于慎君，石如星·中信重工機械股份有限公司材料研究所

矯直機空心輥工作表面為曲面且截面尺寸變化較大，無法實現曲面感應加熱淬火，通過優化熱處理方案，制定新的熱處理工藝，通過CAE軟件進行有限元分析，結果可滿足要求。

我廠承制了2件材質為9Cr2Mo的矯直機空心輥，單重2800kg，該矯直輥用于某公司管材矯直機設備。管件軋制后表面光潔度和直線度等相對較差，通過矯直，可獲得符合要求的軋制管件，該過程對矯直輥表面光潔度、耐磨性、管件的矯直精度等有很高的要求，故矯直輥工作面需要有較高的硬度，且應具有足夠的硬化層深度。常規矯直輥有兩種結構，一是實心輥，輥身與軸一體鍛造成形；二是空心輥，輥身與軸可采用不同材質，分體制造，空心輥需與軸過盈裝配。本次我廠承制的空心輥要求工作表面硬度≥57HRC，且要求有一定的硬化層深度，其關鍵尺寸如圖1所示。

從圖1中可以看出空心輥工作表面為曲面且截面尺寸變化較大，最大壁厚220mm左右，最小壁厚135mm，比以往生產的空心輥尺寸偏大（原來生產過的矯直機空心輥最大壁厚117mm，最小壁厚95mm），端面環槽熱處理開裂風險極大。依據生產經驗及我廠現有設備條件，該空心輥無法實現曲面感應加熱淬火，由此我們考慮采用常規設備整體加熱、整體淬火的方式。依據該工藝方法的特點，我們將其命名為“差溫淬火”工藝，該工藝方法與傳統支承輥的差溫淬火工藝相似，屬于對支承輥差溫淬火工藝概念的思路創新。本文所述的“差溫”是一種利用常規加熱設備快速升溫的加熱方式，屬于非透熱加熱，而所謂“差溫淬火”是通過這種非透熱加熱實現的一種淬火熱處理方法。

圖1 矯直機空心輥關鍵尺寸示意圖

表1 9Cr2Mo材料化學成分（%）

“差溫淬火”熱處理工藝的確定

材料特性

依據標準JB/T 6401-1992，9Cr2Mo材料的化學成分如表1所示：

材料臨界點溫度

查得9Cr2Mo材料臨界點溫度為Ac1=760℃，Acm= 810℃。

熱處理工藝方法探究

有關專家通過空心雙曲線冷軋輥最終熱處理在生產中的探索，確定了常規加熱，特制工裝封堵內孔，然后整體淬火的熱處理方式。我們針對此工藝進行了優化，并提出了矯直機空心輥“差溫淬火”工藝方案。

⑴加熱方式的確定。

為保證空心輥在最終熱處理后的表面獲得較高的硬度和耐磨性，應合理地選擇加熱溫度及保溫時間使表面下一定深度內的碳化物充分溶于奧氏體。從工藝實現角度講，采用感應加熱迅速使得輥身表面溫度加熱至臨界點溫度以上，然后進行冷卻最為合理，但該方法不適用于重量大且變截面工件的加熱，需通過創新操作來實現，在此我們采用的是常規加熱設備，實現對工件的快速升溫。依據9Cr2Mo的臨界點溫度810℃，將矯直機空心輥的奧氏體化溫度定為860～880℃，加熱時間按相關公式進行計算。

⑵冷卻方式的確定。

若矯直機空心輥采用感應加熱，只能加熱輥身工作面，而無法加熱內孔，因此在加熱階段感應加熱表面受軸向熱壓應力，而內孔則因外表面的受熱伸長而受軸向拉應力，冷卻時則相反，加熱后的表面在熱應力和組織應力的拉壓交變應力作用下，存在較大的淬火開裂風險。因此，空心輥加熱時，內孔應有一定的升溫速度，而淬火時內孔也應有一定的冷卻速度，以平衡熱應力和組織應力帶來的交變作用，降低淬火應力并改善應力的分布狀況，減少開裂的風險。但內孔加熱溫度不能過高（淬火前溫度盡量不高于臨界溫度），也不能冷卻太快，防止影響后續的加工和裝配。在內孔既需要加熱又需要冷卻的要求下，我們放棄了內孔封堵的方案，僅對端面環槽進行了簡單防護。

通常認為，冷卻時高溫階段快冷，低溫階段緩冷，其中高溫階段快速冷卻可迅速通過C曲線鼻尖，可有效防止先析出相的析出，進而控制非馬氏體組織對空心輥工作表面組織的影響，而低溫階段緩冷可有效控制組織轉變所帶來的淬裂風險，因此，鑒于我廠各種加熱及冷卻設備條件，我們采用水和油的“雙液淬火”方式獲得適宜的冷卻速度，達到了最佳的冷卻效果。最終控制空心輥冷卻溫度不高于回火溫度，但又不能過低，因為淬火后存在大量的殘余奧氏體，基體溫度過低，存在開裂風險。

⑶回火方式的確定。

由于9Cr2Mo材料含碳量及合金含量均較高，淬火后含有大量的殘余奧氏體，回火過程部分殘余奧氏體會繼續發生轉變，殘余奧氏體轉變后的馬氏體組織是不穩定的，仍然存在開裂風險。因此在回火時間上需要足夠長，以使得組織獲得充分的轉變，同時熱處理過程的熱應力及組織應力獲得充分的釋放，鑒于矯直機空心輥高硬度的技術要求，工件表面需獲得回火馬氏體組織+少量殘余奧氏體，為此我們將回火溫度確定為180～200℃之間，而空心輥淬火冷卻后的基體溫度應低于該溫度，若否，則空心輥在降溫階段容易產生自回火現象，不利于最終熱處理組織和硬度的控制。因此我們將淬火冷卻溫度控制在100～180℃之間。其保溫時間依據實際生產經驗，確定為20～35h，回火次數按兩次執行，首次回火結束后，空心輥需冷卻至室溫，然后再進行第二次回火。

圖2“差溫”熱處理工藝曲線

⑷矯直機空心輥“差溫淬火”工藝。

由上述加熱、冷卻及回火溫度及相關參數確定內容，制定矯直機空心輥“差溫淬火”熱處理工藝如圖2所示。

數值模擬分析

為驗證“差溫淬火”熱處理方式的合理性，且為適應我廠設備，我們專門進行了CAE分析。按上述工藝進行加熱模擬，加熱溫度場云圖和組織云圖如圖3所示。

圖3 “差溫加熱”溫度場云圖及淬火后馬氏體組織云圖

從圖3可以看出，輥身有一定深度的表面已加熱到奧氏體化溫度，并具備淬火條件，而按此淬火后，輥身表面可獲得深度約9.8mm的淬硬層，該硬化層深度可滿足矯直機空心輥的技術及工藝要求。

“差溫淬火”熱處理工藝的執行

按上述工藝執行，順利實現了產品的熱處理及后續的加工與熱裝如圖4、圖5所示。

圖4 矯直機空心輥“差溫熱處理”出爐

圖5 矯直輥裝配后實物圖

結論

⑴通過上述工藝的實施，矯直機空心輥輥身表面硬度達到58～60HRC。

⑵通過內孔留量，有效控制了內孔硬度，內孔經加工后硬度達到30～35HRC，完全符合后續的熱裝要求。

⑶本次矯直機空心輥的熱處理，優化了我廠同類產品的熱處理工藝，降低了生產成本，簡化了操作。

⑷本次2件矯直機空心輥合格率100%，熱處理過程無異常。

⑸本次矯直機空心輥的“差溫淬火”熱處理，為后續同類產品的生產拓展了思路。