本文介紹了一種新型的真空鍛造復(fù)合軋輥制備工藝，通過(guò)該工藝制備了芯部為42CrMo、復(fù)合層為高耐磨性Cr5鋼的復(fù)合軋輥。結(jié)果表明：鍛后退火態(tài)Cr5/42CrMo復(fù)合軋輥復(fù)合層與芯部的結(jié)合率達(dá)100%，且拉伸試樣斷裂位置均在芯部42CrMo一側(cè)，抗拉強(qiáng)度達(dá)656.7MPa，真空鍛造復(fù)合軋輥制備工藝的研究為大型復(fù)合軋輥的制備提供了廣闊的前景。
軋輥?zhàn)鳛檐堜撋a(chǎn)中主要消耗備件之一，軋輥質(zhì)量不僅關(guān)系到軋鋼生產(chǎn)成本和軋機(jī)生產(chǎn)作業(yè)率，還很大程度上影響軋材質(zhì)量。傳統(tǒng)單一材質(zhì)合金軋輥制造工藝主要為整體鑄坯再鍛造成形，為了使軋輥工作層具有良好的耐磨性和熱硬性，往往在鑄坯過(guò)程中添加大量合金元素。例如在高速鋼軋輥中添加W、Mo、Cr、V等合金元素，通過(guò)控制碳、合金元素的含量，可以得到高顯微硬度共晶碳化物來(lái)提高軋輥的硬度和耐磨性。但由于鑄坯凝固過(guò)程中冷卻速度快，這些合金元素及它們的碳化物來(lái)不及擴(kuò)散，從而在鑄坯中產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，且軋輥尺寸越大，中間疏松、夾雜、組織不均問(wèn)題越嚴(yán)重，大大降低了軋輥鍛造成材率，制備的軋輥也難以同時(shí)滿足軋制過(guò)程中對(duì)其耐磨性和韌性的雙重要求，而復(fù)合軋輥，由于芯部和工作層可以選用不同的材質(zhì)，再通過(guò)一定的制備工藝將兩者有機(jī)地連接起來(lái)，這樣既滿足了軋輥表面高耐磨性、芯部高韌性的要求，大大地提高了軋輥的使用壽命，是未來(lái)軋輥的研究方向。目前制備復(fù)合軋輥的工藝主要為鑄造工藝，但鑄造工藝有其自身無(wú)法解決的問(wèn)題，例如離心鑄造法(CP)雖然具有生產(chǎn)效率高、成本低及適合于大批量規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是該工藝存在著鑄件工作層偏析嚴(yán)重、尺寸精度不高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。連續(xù)澆注復(fù)合鑄造法（CPC）所制備的復(fù)合軋輥克服了常規(guī)離心鑄造方法所產(chǎn)生的合金偏析問(wèn)題，但其明顯的不足在于其成本高、生產(chǎn)效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過(guò)采用不同的自耗電極制成具有梯度分布的復(fù)合軋輥，但其缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、且很難實(shí)現(xiàn)大型復(fù)合軋輥的制備。使用噴射沉積成形法(Osprey)制備的復(fù)合軋輥組織細(xì)化，析出相均勻彌散，不足之處在于該方法生產(chǎn)的軋輥外層組織不夠致密，且生產(chǎn)成本高，工藝復(fù)雜，不利于軋輥的大批量生產(chǎn)。為了提高軋輥性能、生產(chǎn)效率和實(shí)現(xiàn)復(fù)合軋輥的大型化，本文提出了一種新型復(fù)合軋輥制備工藝，即真空鍛造復(fù)合軋輥制備工藝，通過(guò)對(duì)該工藝的研究表明其生產(chǎn)效率高、適應(yīng)于大規(guī)模生產(chǎn)，制備的復(fù)合軋輥界面結(jié)合性能好，且填補(bǔ)了鍛造復(fù)合軋輥的空白。
試驗(yàn)方法
本次真空鍛造復(fù)合軋輥制備工藝研究以合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為復(fù)合層，在真空條件下將芯部、復(fù)合層端部焊接密封，然后高溫鍛造成形使芯部和復(fù)合層界面實(shí)現(xiàn)完全冶金結(jié)合。
芯部、復(fù)合層材質(zhì)的選擇
試驗(yàn)所選用復(fù)合層材質(zhì)的化學(xué)成分如表1所示，芯部、復(fù)合層的尺寸如圖1所示。
Cr5/42CrMo真空鍛造復(fù)合過(guò)程
首先通過(guò)機(jī)械打磨方式將芯部外表面、復(fù)合層內(nèi)表面及兩端端部打磨干凈，保證其表面無(wú)塵土、油漬等污染物，將芯部嵌套在復(fù)合層內(nèi)組合成坯料。將坯料轉(zhuǎn)移到真空爐中進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到預(yù)熱溫度后保溫一段時(shí)間取出，轉(zhuǎn)移至真空電子束焊機(jī)的真空室內(nèi)，待真空室達(dá)到預(yù)定真空度后，進(jìn)行焊接密封，得到復(fù)合坯料。由于密封過(guò)程是在高真空環(huán)境下進(jìn)行的，大大降低了界面在后續(xù)高溫鍛造過(guò)程中被氧化的可能性，將復(fù)合坯料進(jìn)行高溫加熱，到達(dá)鍛造溫度后取出進(jìn)行高溫鍛造，使界面達(dá)到完全冶金結(jié)合，鍛后退火到室溫，圖2為芯部、復(fù)合層真空鍛造復(fù)合過(guò)程示意圖。
初始態(tài)(鍛后退火態(tài))復(fù)合軋輥試驗(yàn)結(jié)果與分析
界面微觀組織
復(fù)合率是復(fù)合軋輥重要的性能指標(biāo)，界面復(fù)合率通過(guò)超聲波探傷對(duì)鍛造退火態(tài)復(fù)合軋輥進(jìn)行全面積超探，其復(fù)合率達(dá)到100%。在復(fù)合界面處用線切割的方法切取試樣，試樣尺寸15mm×10mm×10mm。試樣經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后在奧林巴斯BX53M光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察，復(fù)合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，復(fù)合界面結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)存在任何不結(jié)合點(diǎn)或微裂紋，雙金屬實(shí)現(xiàn)了完全冶金結(jié)合。界面力學(xué)性能分析
工藝成功與否取決于兩種材料的結(jié)合狀態(tài)，為了驗(yàn)證初始態(tài)復(fù)合軋輥界面的結(jié)合情況，沿復(fù)合軋輥界面切取拉伸試樣。
沿復(fù)合軋輥徑向切取三個(gè)拉伸試樣，且圖中標(biāo)記部位為芯部與復(fù)合層的界面，在4206-006實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。圖4為試樣拉伸斷裂后的宏觀形貌，通過(guò)觀察可以看出，拉伸斷裂位置均在芯部42CrMo一側(cè)，說(shuō)明界面的抗拉強(qiáng)度比芯部42CrMo好，且在斷裂前都發(fā)生了頸縮，Cr5/42CrMo拉伸斷裂試樣的拉伸測(cè)量數(shù)據(jù)的各個(gè)參數(shù)見(jiàn)表2。復(fù)合軋輥熱處理及其性能檢測(cè)結(jié)果
熱處理工藝
復(fù)合軋輥的熱處理是在QR-30型熱處理爐內(nèi)進(jìn)行，其淬火和回火工藝如圖5所示。
界面顯微組織
將經(jīng)過(guò)熱處理后的試樣預(yù)磨和拋光，然后在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，復(fù)合界面顯微組織如圖6所示，與鍛后退火態(tài)相比，兩側(cè)組織發(fā)生了明顯變化，且能觀察到明顯中間擴(kuò)散層。
界面結(jié)合區(qū)的顯微硬度
為了研究軋輥界面結(jié)合處附近的顯微硬度分布，采用FM-700顯微硬度計(jì)對(duì)熱處理后的復(fù)合軋輥界面及界面兩側(cè)進(jìn)行硬度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，在復(fù)合界面Cr5一側(cè)的顯微硬度值接近670HV，而42CrMo的顯微硬度接近440HV，界面中心的顯微硬度值在510HV左右，符合軋輥使用要求。
結(jié)論
⑴通過(guò)真空鍛造復(fù)合工藝實(shí)現(xiàn)了復(fù)合層與芯部的完全冶金結(jié)合，且復(fù)合率到達(dá)100%。
⑵鍛后退火態(tài)的復(fù)合軋輥拉伸試樣均斷裂在芯軸42CrMo一側(cè)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到656.7MPa。⑶經(jīng)890～990℃淬火和390～460℃回火后，復(fù)合界面Cr5側(cè)顯微硬度接近670HV，42CrMo側(cè)約為440HV，而界面中心的顯微硬度值在510HV左右。⑷真空鍛造復(fù)合軋輥制備工藝的研究將為大型復(fù)合軋輥的制備提供廣闊的空間。
