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1 前言
世界各國(guó)冷軋輥材質(zhì)主要采用高碳鉻鉬合金鍛鋼，此系列鋼種最早是從GCr15型軸承鋼基礎(chǔ)上逐步發(fā)展演變而來的，目前各國(guó)主要冷軋輥制造廠都各自開發(fā)了自己的冷軋工作輥用鋼系列，雖然化學(xué)成分不盡相同，但主要元素的應(yīng)用原理大致相同。在冷軋輥材料的不斷升級(jí)換代過程中，鉻含量的提高是高碳鉻鉬合金鍛鋼冷軋工作輥材質(zhì)發(fā)展的基本特征。目前，鍛鋼冷軋工作輥材質(zhì)已從早期的2%Cr、3% Cr型發(fā)展到以5%Cr型冷軋輥鋼為主，而8-10%Cr型高鉻鋼也正在使用。近幾年，隨著軋鋼工業(yè)的發(fā)展，大型冷軋機(jī)生產(chǎn)作業(yè)效率和板材質(zhì)量要求的同步提高，對(duì)鍛鋼冷軋輥抗事故能力和耐磨性等綜合性能的不斷改善提出了越來越高的要求。為了滿足冷軋生產(chǎn)對(duì)軋輥綜合性能更高的要求，提高軋輥材料合金化水平，制作合金化程度更高的冷軋輥已成為近中期冷軋板帶軋輥的發(fā)展方向，因此最新型的鍛造半高速鋼、高速鋼材料已開始應(yīng)用于冷軋工作輥。
眾所周知，鍛鋼冷軋輥在熱處理和使用過程中要承受非常大的應(yīng)力，軋輥本體要有極高的強(qiáng)度，這是冷軋工作輥輥坯必須達(dá)到很高的內(nèi)部超聲波探傷要求主要原因，同時(shí)輥坯超聲波探傷超標(biāo)也是整個(gè)制作工序環(huán)節(jié)中造成冷軋輥致廢的主要原因。而高合金冷軋輥材料合金含量相對(duì)普通冷軋輥材料提高很多，這樣就增大了鋼錠的偏析程度，同時(shí)碳、硅等基體強(qiáng)化元素的大量加入造成材料變形抗力增大，鋼錠凝固過程中液析碳化物和網(wǎng)狀碳化物析出傾向增大，使得材料硬化傾向性加大，輥坯經(jīng)過鍛造后極易出現(xiàn)輥坯內(nèi)部超聲波探傷超標(biāo)的情況，嚴(yán)重制約了高材質(zhì)新型冷軋輥的制造與開發(fā)。因此，研究探討導(dǎo)致高合金冷軋輥超聲波探傷超標(biāo)的原因，有效提高輥坯探傷合格率，成為從事軋輥行業(yè)鍛造工作者的一個(gè)重要課題。
2 輥坯超聲波探傷超標(biāo)缺陷形成機(jī)理研究
在對(duì)大量超聲波探傷不合格的冷軋輥輥坯的解剖分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致超聲波探傷超標(biāo)缺陷主要為裂紋缺陷，裂紋處存在細(xì)小的非金屬夾雜[1]。隨著煉鋼技術(shù)的迅速發(fā)展，鍛鋼冷軋輥用鋼水的質(zhì)量大為提高，特別是真空精煉和電渣重熔技術(shù)的采用，使得外來夾雜物的含量已降地很低，而內(nèi)生夾雜物由于是鋼的組成部分，冶金和凝固等特性決定了鋼錠內(nèi)部不可避免地存在著各種類型的夾雜物，并且隨著鋼錠體積的增大，內(nèi)生夾雜物的尺寸也相應(yīng)地增大，其數(shù)量、大小、形狀、分布和組成等都可以得到改善。雖然冷軋輥冶煉采用電渣重熔方式，內(nèi)含夾雜物單個(gè)尺寸遠(yuǎn)小于探傷標(biāo)準(zhǔn)中的容許值，但是夾雜物的存在及其在唯一能夠改變夾雜物形貌的鍛造變形過程中變化，構(gòu)成了產(chǎn)生夾雜性裂紋缺陷最主要的動(dòng)因。鋼中非金屬夾雜物在鍛造變形過程中導(dǎo)致探傷可見裂紋的原因已有成熟的理論體系[2]，而高合金冷軋輥高碳、高合金的材料特性決定了其裂紋形成的特殊機(jī)理。
表1
表1所示為3支探傷超標(biāo)的高材質(zhì)冷軋輥坯缺陷情況，致廢缺陷主要為輥身30％～70％左右深度范圍的連續(xù)性缺陷，缺陷當(dāng)量Φ3～Φ4mm。通過對(duì)因探傷致廢輥坯解剖發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致探傷超標(biāo)的缺陷仍然是裂紋，而裂紋處通過掃描電鏡觀察聚集著大量的液析碳化物，見圖1、圖2。
輥坯低倍樣探傷裂紋，加工成試樣后在裂紋處壓斷，宏觀斷口形態(tài)為臺(tái)狀斷口，取其中一塊作斷口，裂紋處的形貌及裂紋面形貌如圖1，將裂紋表面放大，形貌如圖2，
可明顯看到上面的液析碳化物，液析碳化物上還有許多二次小裂紋。
通過對(duì)輥坯輥身解剖檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，輥身中部和心部均存在著較為嚴(yán)重的聚集的液析碳化物，圖3為輥身中部液析碳化物，圖4為輥身心部液析碳化物。
解剖試驗(yàn)結(jié)論：通過上述超聲波探傷致廢輥坯的解剖結(jié)果可以看出，造成高合金冷軋輥超聲波探傷致廢的探傷缺陷主要是裂紋性缺陷，這些裂紋性缺陷都是在鍛造變形過程中產(chǎn)生的，導(dǎo)致裂紋性缺陷產(chǎn)生的主要原因有兩個(gè)： 1）鋼中非金屬夾雜物；
2）鋼中聚集的大塊碳化物。
鋼中非金屬夾雜物在鍛造變形過程中被壓扁，由于塑性變形不均勻會(huì)引起宏觀剪切帶的出現(xiàn)。在一定條件下相鄰?qiáng)A雜物之間夾雜性微裂紋會(huì)產(chǎn)生聚合而形成探傷可見的裂紋性缺陷。而鋼中脆性?shī)A雜物由于較基體材料硬，不能隨基體材料變形，其應(yīng)變影響區(qū)和應(yīng)力集中均較塑性?shī)A雜小，與基體界面結(jié)合能力很差，二界面非常容易脫開并形成裂紋，由于脆性?shī)A雜物尺寸較小，即使產(chǎn)生了裂紋也不會(huì)使探傷超標(biāo)[2]。而高合金冷軋輥鋼中碳化物量較大，碳化物堅(jiān)硬而難以變形，塑性變形過程中與鋼中脆性?shī)A雜物所起的作用相似，但如果鋼中存在聚集的大塊碳化物（這在合金含量較高的冷軋輥材質(zhì)較為常見），如圖3、圖4所示，由于尺寸較大，如果控制不利很容易在變形過程中導(dǎo)致如圖1所示的探傷可見的裂紋性缺陷。
3 內(nèi)裂控制鍛造工藝探討
1）鐓粗變形量的控制
數(shù)值模擬研究的結(jié)果表明，高徑比在0.6-2.0之間的鋼錠，內(nèi)部微夾雜性裂紋開始聚合的鐓粗變形量為50%。考慮到鋼錠不同部位鐓粗變形率不均勻，輥身中部變形量最大，因此將鋼錠的鐓粗變形量控制在40%左右。
2）終鍛火次控制鍛造工藝
前面提到內(nèi)生夾雜物由于是鋼的組成部分，冶金和凝固等特性決定了鋼錠內(nèi)部不可避免地存在著各種類型的夾雜物，并且高合金冷軋輥材料過共析成分決定了組織中存在一定量的塊狀碳化物，因其物理性能與基體金屬的差異在輥坯鍛造主變形階段會(huì)由于應(yīng)變應(yīng)力集中導(dǎo)致微裂紋形成。研究表明[3]，此類裂紋可通過高溫?cái)U(kuò)散進(jìn)行修復(fù)，而溫度對(duì)裂紋修復(fù)率的影響最為顯著。在終鍛火次加熱溫度的制定非常重要，由于此時(shí)組織較致密，在這
一火適當(dāng)提高加熱溫度，將會(huì)更加充分的發(fā)揮高溫?cái)U(kuò)散對(duì)前期主變形階段可能形成裂紋缺陷的修復(fù)作用。而表2顯示的高溫?cái)U(kuò)散前后探傷結(jié)果表明，單純高溫?cái)U(kuò)散對(duì)高合金冷軋輥坯內(nèi)的裂紋缺陷有明顯的改善修復(fù)作用。
另外，裂紋修復(fù)在高溫、高靜水壓力、大塑性變形的條件下進(jìn)行，與單純高溫愈合處 表2廢輥坯擴(kuò)散前后探傷情況對(duì)比
理?xiàng)l件下裂紋修復(fù)情況相比，裂紋愈合的進(jìn)程向前推進(jìn)了一大步。表3廢輥坯改鍛前后探傷情況對(duì)比，這主要是因?yàn)樽銐虻淖冃瘟恳约皦毫l件下使裂紋表面充分接觸，可以保證擴(kuò)散和再結(jié)晶的順利進(jìn)行，特別是裂紋表面接觸后的變形增量對(duì)修復(fù)裂紋起著重要作用。
表3廢輥坯改鍛前后探傷情況對(duì)比
3）控制內(nèi)裂的鍛造加熱工藝
冷軋輥材質(zhì)中碳化物堅(jiān)硬而難以變形，塑性變形過程中與鋼中脆性?shī)A雜物所起的作用相似，因此針對(duì)夾雜性裂紋的控制鍛造工藝原則也同樣適用于碳化物導(dǎo)致裂紋的控制。但碳化物與夾雜物不同的是，它可以通過高溫加熱溶解，因而應(yīng)充分利用這一特性加強(qiáng)對(duì)碳化物形成裂紋的控制，提高探傷合格率。為此，對(duì)于高合金冷軋輥產(chǎn)品，首先在鋼錠始鍛加熱過程中進(jìn)一步強(qiáng)化高溫?cái)U(kuò)散的作用，在普通材質(zhì)鋼錠始鍛加熱工藝時(shí)間基礎(chǔ)上必須延長(zhǎng)加熱時(shí)間，充分溶解坯料內(nèi)部的液析碳化物，減小碳化物含量及尺寸，降低碳化物形成探傷可見裂紋的幾率。圖5、圖6為加熱時(shí)間調(diào)整前后，同規(guī)格高合金冷軋輥坯液析碳化物檢測(cè)情況，圖5輥坯探傷致廢，而圖6產(chǎn)品完全符合探傷要求。
4 結(jié)論 1）高合金冷軋輥超聲波探傷致廢的探傷缺陷主要是裂紋性缺陷，這些裂紋性缺陷都是在鍛造變形過程中產(chǎn)生的，導(dǎo)致裂紋性缺陷產(chǎn)生的主要原因有兩個(gè)：非金屬夾雜物以及聚集的大塊碳化物。
2）控制終鍛火次的加熱溫度和變形量對(duì)改善冷軋輥坯超聲波探傷缺陷有非常重要的影響。
3）高溫?cái)U(kuò)散改善輥坯液析碳化物分布狀態(tài)，可明顯提高高合金冷軋輥坯探傷合格率。
參 考 文 獻(xiàn)[1] 楊昱東等．鍛鋼冷軋輥內(nèi)裂缺陷控制研究．大型鑄鍛件，2006，No.1：1～4．
[2] 韓靜濤．大型餅塊類鍛件夾雜性裂紋形成機(jī)理及控制鍛造工藝研究．清華大學(xué)博士學(xué)位論文，1995，3.
[3] 韋東濱等．金屬材料內(nèi)部裂紋高溫愈合的實(shí)驗(yàn)研究．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22（3）：245-248．
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