感應(yīng)淬火對(duì)Cr12MoV鋼軋輥硬度和硬化層深度的影響

彭龍生， 林英華， 黃 偉， 陳 皓

(1. 湖南力方軋輥有限公司， 湖南 衡陽(yáng) 421681； 2. 南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 衡陽(yáng) 421001)

Cr12MoV鋼具有優(yōu)異的淬透性、高硬度、高耐磨、熱處理低畸變等優(yōu)點(diǎn)，常用于軋機(jī)中的冷軋工作輥。由于傳統(tǒng)淬火Cr12MoV鋼軋輥硬度僅為60～62 HRC[1-2]，作為工作輥需要頻繁更換以保證軋板質(zhì)量，并且有些高品質(zhì)產(chǎn)品需要高硬度軋輥才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量軋板[2]。目前市場(chǎng)上的Cr12MoV鋼軋輥質(zhì)量不僅影響企業(yè)生產(chǎn)效率，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)軋板的制造。而要獲得高使用壽命的Cr12MoV鋼軋輥，就必須通過(guò)合理的熱處理工藝來(lái)提高鋼的硬度[3-4]。因此，如何提高Cr12MoV鋼軋輥硬度，防止生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)高品質(zhì)軋板，是軋輥制造廠經(jīng)常遇到且非常關(guān)心的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)軋輥制造廠對(duì)于Cr12MoV鋼工件的淬火以鹽浴爐和真空爐加熱為主，冷卻采用油、硝鹽或高壓氣淬[5-7]。一次硬化淬火溫度為950～1040 ℃，最高硬度能達(dá)到64 HRC[8]。而若采用二次硬化淬火及多次高溫回火處理，最高硬度會(huì)略微下降，為63 HRC[8]。由于Cr12MoV鋼的碳含量和鉻含量高，使得Cr12MoV鋼相變溫度高、導(dǎo)熱性差及內(nèi)應(yīng)力大，若采用感應(yīng)加熱淬火處理極易誘發(fā)Cr12MoV鋼軋輥開(kāi)裂[9-10]。國(guó)內(nèi)已有研發(fā)人員采用感應(yīng)加熱淬火技術(shù)進(jìn)行熱處理，但在軋輥不開(kāi)裂條件下，硬度僅能達(dá)到62 HRC[9-10]，低于常規(guī)淬火熱處理的最高硬度。基于此，本項(xiàng)目通過(guò)深入研究傳統(tǒng)淬火技術(shù)與感應(yīng)加熱淬火技術(shù)原理及區(qū)別，深挖Cr12MoV鋼材質(zhì)特征，解決Cr12MoV鋼軋輥采用感應(yīng)加熱淬火實(shí)現(xiàn)高硬度與硬化層深的技術(shù)難題。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Cr12MoV鋼軋輥，主要化學(xué)成分如表1所示。軋輥調(diào)質(zhì)態(tài)硬度分別為37.5 HRC和31.5 HRC，試件外徑φ182 mm,總長(zhǎng)度1510 mm,工作面長(zhǎng)度1100 mm，兩頭輥直徑φ110 mm。

表1 Cr12MoV鋼軋輥的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)設(shè)備及儀器：SPECTRO TXC25光譜儀、通用型箱式電阻爐、T5302專(zhuān)用軋輥里氏硬度計(jì)、200HRD-150洛氏硬度計(jì)、Raytek紅外測(cè)溫儀、感應(yīng)淬火機(jī)床(定制)、打磨機(jī)、DK7763線切割機(jī)床、Leica光學(xué)顯微鏡、金相拋光機(jī)。

分別按每個(gè)淬火加熱溫度、預(yù)熱溫度、感應(yīng)線圈移動(dòng)速度、感應(yīng)電源頻率作為一組試驗(yàn)，按試驗(yàn)工藝進(jìn)行淬火。淬火冷卻后依據(jù)GB/T 13313—2008《軋輥肖氏、里氏硬度試驗(yàn)方法》逐個(gè)檢測(cè)軋輥工作面硬度，觀察并記錄開(kāi)裂情況，每組取一個(gè)試件使用線切割機(jī)床逐條沿圓周方向截?cái)啵谱鞲叨葹?00 mm的圓柱作為硬度檢測(cè)試樣，依據(jù)GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測(cè)定》檢測(cè)并記錄截面處硬度。將試驗(yàn)1和試驗(yàn)2分別分為7組，試驗(yàn)3分6組，試驗(yàn)4分5組，每組5個(gè)試樣。

試驗(yàn)1：本試驗(yàn)的目的是用不同的溫度對(duì)試件進(jìn)行感應(yīng)淬火，測(cè)試試樣獲得最高硬度時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進(jìn)箱式電阻爐，以80 ℃/h 的速度加熱到200 ℃，保溫360 min，逐條吊出到淬火機(jī)床上進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火，淬火加熱溫度、電源功率如表2所示，其他試驗(yàn)參數(shù)，如感應(yīng)電源頻率、冷卻水壓、感應(yīng)圈移動(dòng)速度、預(yù)熱溫度如表3所示。試樣淬火后冷卻至室溫吊下淬火機(jī)床。預(yù)熱目的在于解決感應(yīng)淬火高硬度Cr12MoV鋼易開(kāi)裂問(wèn)題。

表2 感應(yīng)淬火加熱溫度試驗(yàn)參數(shù)

表3 其他試驗(yàn)參數(shù)(淬火溫度試驗(yàn))

試驗(yàn)2：針對(duì)試驗(yàn)1淬火開(kāi)裂的情況，本組試驗(yàn)試圖通過(guò)改變預(yù)熱溫度使試樣淬火時(shí)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到平衡，從而解決試驗(yàn)1中淬火開(kāi)裂的問(wèn)題。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進(jìn)箱式電阻爐，以80 ℃/h 的速度加熱到對(duì)應(yīng)的預(yù)熱溫度，保溫360 min，逐條吊出到淬火機(jī)床上進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火，淬火前預(yù)熱溫度和電源功率如表4所示，其他試驗(yàn)參數(shù)，如淬火加熱溫度、感應(yīng)電源頻率、冷卻水壓、感應(yīng)圈移動(dòng)速度如表5所示。試樣淬火后冷卻至室溫吊下淬火機(jī)床。

表4 感應(yīng)淬火預(yù)熱溫度試驗(yàn)參數(shù)

表5 其他試驗(yàn)參數(shù)(預(yù)熱溫度試驗(yàn))

試驗(yàn)3：研究感應(yīng)圈移動(dòng)速度與淬火硬度的關(guān)系，試圖通過(guò)增大感應(yīng)圈移動(dòng)速度讓試樣的淬火硬度進(jìn)一步提高，并觀察是否出現(xiàn)淬火開(kāi)裂情況。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進(jìn)箱式電阻爐，以80 ℃/h 速度加熱到500 ℃，保溫360 min。逐條吊出到淬火機(jī)床上進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火，感應(yīng)圈移動(dòng)速度和電源功率如表6所示，其他試驗(yàn)參數(shù)，如淬火加熱溫度、感應(yīng)電源頻率、冷卻水壓、預(yù)熱溫度如表7所示。淬火后試樣冷卻至室溫吊下淬火機(jī)床。

表6 感應(yīng)淬火線圈移動(dòng)速度試驗(yàn)參數(shù)

表7 其他試驗(yàn)參數(shù)(線圈移動(dòng)速度試驗(yàn))

試驗(yàn)4：通過(guò)改變感應(yīng)電源頻率調(diào)整硬化層深度從而讓試樣達(dá)到軋輥產(chǎn)品要求，同時(shí)觀察改變感應(yīng)電源頻率是否產(chǎn)生淬火開(kāi)裂情況。

將Cr12MoV鋼試件室溫下裝進(jìn)箱式電阻爐，以80 ℃/h 速度加熱到500 ℃，保溫360 min。逐條吊出進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火，感應(yīng)電源頻率和電源功率如表8所示，其他試驗(yàn)參數(shù)，如淬火加熱溫度、感應(yīng)圈移動(dòng)速度、冷卻水壓、預(yù)熱溫度如表9所示。淬火后試樣冷卻至室溫吊下淬火機(jī)床。

表8 感應(yīng)淬火電源頻率試驗(yàn)參數(shù)

表9 其他試驗(yàn)參數(shù)(電源頻率試驗(yàn))

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 感應(yīng)淬火加熱溫度對(duì)淬火件硬度、開(kāi)裂和硬化層深度的影響

以調(diào)質(zhì)態(tài)硬度37.5 HRC軋輥試件作為對(duì)象，研究不同感應(yīng)加熱溫度對(duì)淬火硬度的影響規(guī)律。圖1結(jié)果顯示，在加熱溫度低于1060 ℃時(shí)，試件硬度隨淬火溫度的升高而增加，當(dāng)淬火溫度達(dá)到1060 ℃時(shí)，硬度增大到65.7 HRC；當(dāng)淬火溫度高于1060 ℃后，硬度會(huì)隨加熱溫度升高出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，但降幅較小。然而，試驗(yàn)設(shè)置的7組加熱溫度，每個(gè)試件都出現(xiàn)了淬火開(kāi)裂，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表10所示。

表10 Cr12MoV鋼軋輥工作面硬度、開(kāi)裂和硬化層深度與加熱溫度的關(guān)系

圖1 Cr12MoV鋼軋輥硬度與淬火溫度的關(guān)系

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)試件開(kāi)裂出現(xiàn)時(shí)間既有在淬火加熱過(guò)程，也有淬火冷卻過(guò)程，開(kāi)裂位置以工作面縱向開(kāi)裂為主，并伴有橫向開(kāi)裂或不規(guī)則開(kāi)裂，如圖2所示。7組試樣中均存在開(kāi)裂，但開(kāi)裂位置并無(wú)規(guī)律。對(duì)1060 ℃淬火的試件取樣觀察顯微組織，為正常淬火組織，無(wú)過(guò)熱過(guò)燒、組織粗大的現(xiàn)象，如圖3所示。

圖2 試件1060 ℃感應(yīng)加熱淬火開(kāi)裂情況

圖3 1060 ℃淬火試件顯微組織

結(jié)合試件原始調(diào)質(zhì)狀態(tài)分析，推測(cè)本次試件開(kāi)裂原因：① 感應(yīng)淬火產(chǎn)生的應(yīng)力大于常規(guī)淬火產(chǎn)生的應(yīng)力；②試件調(diào)質(zhì)態(tài)硬度為37.5 HRC時(shí)，其塑韌性不足，并存在較大殘余應(yīng)力，與淬火應(yīng)力疊加造成開(kāi)裂；③預(yù)熱溫度為200 ℃不能降低淬火應(yīng)力。

由于感應(yīng)加熱淬火形成的應(yīng)力屬于本征應(yīng)力，無(wú)法被有效解決，但可以從降低調(diào)質(zhì)狀態(tài)下試樣的殘余應(yīng)力和提高預(yù)熱溫度方面入手。表10試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨淬火加熱溫度升高，硬化層深度逐漸增加，但增加不明顯，淬火硬化層深度僅為8.2～8.9 mm。

2.2 預(yù)熱溫度對(duì)淬火件硬度、開(kāi)裂和硬化層深度的影響

采用調(diào)質(zhì)態(tài)硬度為31.5 HRC的試件，選定感應(yīng)加熱溫度為1060 ℃，研究不同預(yù)熱溫度對(duì)淬火硬度的影響。表11試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)預(yù)熱溫度低于450 ℃時(shí)，試樣感應(yīng)淬火還是出現(xiàn)開(kāi)裂。但當(dāng)預(yù)熱溫度提高到450 ℃及以上時(shí)，試件沒(méi)有發(fā)生淬火開(kāi)裂，說(shuō)明在450～600 ℃之間進(jìn)行預(yù)熱可有效抵消感應(yīng)淬火產(chǎn)生的應(yīng)力。可以看出，要想避免淬火開(kāi)裂，既需要降低試件的調(diào)質(zhì)態(tài)硬度，又需把預(yù)熱溫度提高到450 ℃以上。另外，預(yù)熱溫度太高會(huì)影響軋輥整體硬度及剛性，無(wú)法滿足冷軋輥使用要求，原則上預(yù)熱溫度不應(yīng)高于調(diào)質(zhì)回火溫度600 ℃。

表11 Cr12MoV鋼軋輥開(kāi)裂與預(yù)熱溫度的關(guān)系

同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)預(yù)熱溫度對(duì)工作輥表面硬度和硬化層深度影響不大(見(jiàn)圖4)。試樣表面平均硬度均在65.3～65.6 HRC之間，而硬化層深度隨預(yù)熱溫度提高呈緩慢增加趨勢(shì)(見(jiàn)圖4(b))，但增加量非常小，說(shuō)明改變預(yù)熱溫度對(duì)試樣表面硬度和硬化層深度影響不大。

圖4 Cr12MoV鋼軋輥硬度(a)、硬化層深度(b)與預(yù)熱溫度的關(guān)系

2.3 感應(yīng)圈移動(dòng)速度對(duì)淬火件硬度與硬化層深度的影響

在2.2節(jié)結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究。感應(yīng)圈移動(dòng)速度快慢對(duì)表面淬火硬度及硬化層深度的影響，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)移動(dòng)速度從1.4 mm/s逐漸增加到2.0 mm/s時(shí)，淬火后硬度逐漸提高。在2.0 mm/s時(shí)，淬火硬度達(dá)到峰值69.8 HRC。此后移動(dòng)速度從2.0 mm/s再增加到2.4 mm/s時(shí)，硬度緩慢降低。

本組試驗(yàn)獲得最高淬火硬度比常規(guī)加熱淬火硬度有了很大突破，且整個(gè)淬火過(guò)程都未出現(xiàn)開(kāi)裂情況。然而，此次試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整對(duì)淬火硬化層深度影響不大(見(jiàn)圖5(b))。隨感應(yīng)圈移動(dòng)速度加快，硬化層深度有所減小，減小幅度在0.3 mm之內(nèi)。

圖5 Cr12MoV鋼軋輥硬度(a)、硬化層深度(b)與感應(yīng)圈移動(dòng)速度的關(guān)系

2.4 感應(yīng)電源頻率對(duì)淬火件硬度、開(kāi)裂及硬化層深度的影響

表12為不同電源頻率對(duì)軋輥工作面硬度、開(kāi)裂和硬化層深度的影響。電源頻率對(duì)硬化層深度的影響比較明顯。隨電源頻率降低，硬化層深度逐漸增加。頻率降低到100 Hz時(shí)，硬化層深度達(dá)到24.1 mm，然而，試樣出現(xiàn)了淬火開(kāi)裂。而試樣感應(yīng)淬火硬度隨頻率降低并未顯著降低，保持在68～70 HRC之間。感應(yīng)電源頻率在200～500 Hz時(shí)，試件沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂，其中工作面最高硬度接近70 HRC，硬化層深度>15 mm。

表12 Cr12MoV鋼軋輥工作面硬度、開(kāi)裂和硬化層深度與電源頻率的關(guān)系

3 結(jié)論

1) Cr12MoV鋼軋輥試件調(diào)質(zhì)態(tài)硬度為37.5 HRC，在不預(yù)熱條件下，感應(yīng)淬火出現(xiàn)開(kāi)裂；當(dāng)試件調(diào)質(zhì)態(tài)硬度為31.5 HRC，在預(yù)熱條件下，隨著預(yù)熱溫度升高(≥450 ℃)，感應(yīng)淬火Cr12MoV鋼軋輥不出現(xiàn)開(kāi)裂。改變預(yù)熱溫度對(duì)試樣表面硬度和硬化層深度影響不大。

2) 隨著感應(yīng)加熱溫度與感應(yīng)圈移動(dòng)速度提高，Cr12MoV鋼軋輥硬度出現(xiàn)先升高而后降低變化規(guī)律，淬火溫度和線圈移動(dòng)速度對(duì)硬化層深度影響較小。

3) 隨著感應(yīng)電源頻率降低，Cr12MoV鋼軋輥硬化層深度逐漸增大，但對(duì)硬度影響較小。