本文介紹了一種新型的真空鍛造復合軋輥制備工藝，通過該工藝制備了芯部為42CrMo、復合層為高耐磨性Cr5鋼的復合軋輥。結果表明：鍛后退火態Cr5/42CrMo復合軋輥復合層與芯部的結合率達100%，且拉伸試樣斷裂位置均在芯部42CrMo一側，抗拉強度達656.7MPa，真空鍛造復合軋輥制備工藝的研究為大型復合軋輥的制備提供了廣闊的前景。
軋輥作為軋鋼生產中主要消耗備件之一，軋輥質量不僅關系到軋鋼生產成本和軋機生產作業率，還很大程度上影響軋材質量。傳統單一材質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提高軋輥的硬度和耐磨性。但由于鑄坯凝固過程中冷卻速度快，這些合金元素及它們的碳化物來不及擴散，從而在鑄坯中產生嚴重的偏析現象，且軋輥尺寸越大，中間疏松、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，制備的軋輥也難以同時滿足軋制過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而復合軋輥，由于芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的制備工藝將兩者有機地連接起來，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，是未來軋輥的研究方向。目前制備復合軋輥的工藝主要為鑄造工藝，但鑄造工藝有其自身無法解決的問題，例如離心鑄造法(CP)雖然具有生產效率高、成本低及適合于大批量規模生產等優點，但是該工藝存在著鑄件工作層偏析嚴重、尺寸精度不高、穩定性差等問題。連續澆注復合鑄造法（CPC）所制備的復合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在于其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過采用不同的自耗電極制成具有梯度分布的復合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型復合軋輥的制備。使用噴射沉積成形法(Osprey)制備的復合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在于該方法生產的軋輥外層組織不夠致密，且生產成本高，工藝復雜，不利于軋輥的大批量生產。為了提高軋輥性能、生產效率和實現復合軋輥的大型化，本文提出了一種新型復合軋輥制備工藝，即真空鍛造復合軋輥制備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應于大規模生產，制備的復合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造復合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造復合軋輥制備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為復合層，在真空條件下將芯部、復合層端部焊接密封，然后高溫鍛造成形使芯部和復合層界面實現完全冶金結合。
芯部、復合層材質的選擇
試驗所選用復合層材質的化學成分如表1所示，芯部、復合層的尺寸如圖1所示。
Cr5/42CrMo真空鍛造復合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、復合層內表面及兩端端部打磨干凈，保證其表面無塵土、油漬等污染物，將芯部嵌套在復合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度后保溫一段時間取出，轉移至真空電子束焊機的真空室內，待真空室達到預定真空度后，進行焊接密封，得到復合坯料。由于密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在后續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將復合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度后取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛后退火到室溫，圖2為芯部、復合層真空鍛造復合過程示意圖。
初始態(鍛后退火態)復合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
復合率是復合軋輥重要的性能指標，界面復合率通過超聲波探傷對鍛造退火態復合軋輥進行全面積超探，其復合率達到100%。在復合界面處用線切割的方法切取試樣，試樣尺寸15mm×10mm×10mm。試樣經研磨、拋光、腐蝕后在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，復合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，復合界面結合良好，未發現存在任何不結合點或微裂紋，雙金屬實現了完全冶金結合。界面力學性能分析
工藝成功與否取決于兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態復合軋輥界面的結合情況，沿復合軋輥界面切取拉伸試樣。
沿復合軋輥徑向切取三個拉伸試樣，且圖中標記部位為芯部與復合層的界面，在4206-006實驗機上進行拉伸試驗。圖4為試樣拉伸斷裂后的宏觀形貌，通過觀察可以看出，拉伸斷裂位置均在芯部42CrMo一側，說明界面的抗拉強度比芯部42CrMo好，且在斷裂前都發生了頸縮，Cr5/42CrMo拉伸斷裂試樣的拉伸測量數據的各個參數見表2。復合軋輥熱處理及其性能檢測結果
熱處理工藝
復合軋輥的熱處理是在QR-30型熱處理爐內進行，其淬火和回火工藝如圖5所示。
界面顯微組織
將經過熱處理后的試樣預磨和拋光，然后在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，復合界面顯微組織如圖6所示，與鍛后退火態相比，兩側組織發生了明顯變化，且能觀察到明顯中間擴散層。
界面結合區的顯微硬度
為了研究軋輥界面結合處附近的顯微硬度分布，采用FM-700顯微硬度計對熱處理后的復合軋輥界面及界面兩側進行硬度測量，測量結果如圖7所示。由圖7可以看出，在復合界面Cr5一側的顯微硬度值接近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。
結論
⑴通過真空鍛造復合工藝實現了復合層與芯部的完全冶金結合，且復合率到達100%。
⑵鍛后退火態的復合軋輥拉伸試樣均斷裂在芯軸42CrMo一側，其抗拉強度達到656.7MPa。⑶經890～990℃淬火和390～460℃回火后，復合界面Cr5側顯微硬度接近670HV，42CrMo側約為440HV，而界面中心的顯微硬度值在510HV左右。⑷真空鍛造復合軋輥制備工藝的研究將為大型復合軋輥的制備提供廣闊的空間。
