离心复合辊压辊套差温淬火热处理研究

冀鑫刚 ，白思诺 ，杜旭景 ，杨立阁 ，王保宏 ，王国菊 ，王滟伟

（1.轧辊复合材料国家重点实验室，河北邢台 054025；2.邢台轧辊异型辊有限公司，河北邢台 054025；3.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北邢台 054025）

辊压机是一种用于矿石、粉磨水泥生料或水泥熟料及其他建筑、化工、陶瓷、钢铁等工业原料的粉磨设备，由于具有体积小、重量轻、占地少、节能等优点，特别是实施“碧海蓝天”工程、淘汰落后产能以来，该技术发展应用很快。

辊压辊是辊压机的主要工作部件，属破碎粉磨的消耗工具。一般一台辊压机有2个辊，外层硬度大于HRC60，以圆柱形为主[1]。目前，国内应用的辊压辊套，主要是采用锻造中碳钢调质处理后在外层堆焊耐磨层。但该工艺工序复杂，工期长，补焊修复周期长，堆焊层存有无法去掉的微裂纹，在使用过程中由于变动载荷的冲击，经常出现堆焊层剥落、掉块等现象，影响粉磨效果。为此，我公司研发了离心复合铸造并带有咬入花纹辊压辊的技术。

1 热处理工艺的制定

1.1 热处理工艺面临的问题

在常规热处理生产中耐磨辊压辊套采用整体加热的方法，即内外层同时加热。我公司生产的耐磨辊压辊套系列产品工作层为50～100mm，并要求外表面保留花纹形状的铸造状态，同时其工作温度小于80℃。因此，耐磨辊压辊套在经过高温后极易氧化，氧化后耐磨性能极差。同时此系列耐磨辊压辊套为复合材质产品：外层为高合金材质、内层为低碳钢材质。外层需要高的耐磨性能以提高其使用寿命，为使其达到全奥氏体化，需要很高的加热温度，远远高于低碳钢所能承受的温度，在高温下内层低碳钢组织粗化，晶粒度级别会达到0～1级，导致韧性急剧下降，经检测发现没有屈服强度，吸收功为2～3J，产品极易开裂。

1.2 热处理工艺的选择

为了解决复合耐磨辊压辊套热处理后存在的不足，我公司采用了差温淬火的方法，解决了产品内层韧性差的现状，使耐磨辊压辊套具有更优良的使用性能。

差温淬火的技术方案是：采用无氧化高温预热，因辊套内层在铸造后组织粗大，韧性差，需要经过正火过程以使其达到细化晶粒，提高韧性的目的，特将辊套预热至低碳钢奥氏体化温度，以达到正火之目的。同时因差温热处理过程外层温度急剧升高，若从室温下升温则热应力大容易导致裂纹的产生，需要将辊套进行预热。

此外，辊套外圆为一字花纹状，在高温加热时极易氧化将导致辊套外圆失去原有的耐磨性能，特将辊套放置于无氧气氛的炉内加热，确保外花纹不被氧化。然后转到双工频淬火机床进行表面加热，工件旋转使表面均匀加热，使其外层达到其自身奥氏体化温度，而此时内层温度仍小于900℃。

由于奥氏体内合金含量高，在随后的冷却中，形成马氏体和部分过冷奥氏体；因此随后进行高温回火，将部分过冷奥氏体转变成回火马氏体（部分贝氏体），同时基体中弥散析出细小的合金碳化物，提高硬度；采用多次高温回火，降低残余奥氏体量，并同时出现二次硬化，提高基体的耐磨性[2]。

2 辊压辊套热处理试验与数据分析

2.1 热处理试验过程

耐磨辊压辊套产品规格：外圆直径ø1800mm，一字花纹深度5 mm，中心孔为ø1295 mm，高度为1220mm；工作层硬度HRC57~63，工作层厚度≥50mm。热处理工程如下：

（1）高温无氧化预热：将耐磨辊压辊套放入还原气氛炉中，以一定的升温速度升至750~800℃，保温10~15小时。

（2）转炉：辊套进行高温预热后采用专用吊具将辊套安装固定于双工频淬火机床。

（3）差温快速加热：采用电磁加热方法加热使辊套外层以300℃/h的加热速度加热至1050~1100℃，保温1小时（工作层50mm厚，1h能够使辊套工作层达到全奥氏体化）。只对外表面进行快速加热，辊套进行旋转使四周表面均匀加热，使外层奥氏体化，而此时内层低合金钢温度在900℃以下。

图1 热处理工艺曲线

（4）回火：冷却结束后及时进行装炉回火，进行520~560℃三次回火。

2.2 热处理结果检测

2.2.1 金相组织及性能检测

对辊套的外层、内层进行了金相检测和硬度检测。结果如下：

外层组织为：碳化物+马氏体+少量残奥（小于6%）；

过渡层组织为：碳化物+珠光体→珠光体→珠光体+铁素体；

内层基体为：珠光体+铁素体（晶粒度7级）。

2.2.2 硬度与机械性能检测

硬度检测：外层HRC58~64,内层HB180~200。

图3 过渡层金相组织

图4 内层金相组织（100×）

机械性能检测：外层抗拉强度750MPa、冲击功3J；内层抗拉强度715MPa，屈服强度440MPa，冲击功16.5J，断面收缩率9%。

2.2.3 检验结果评价

检验结果达到预期目的，上机使用后表现很好，寿命远远超过国内其他制作方法产品，是堆焊产品寿命的3倍，是高Cr产品寿命的2倍，具有很高的性价比。

3 结论

复合铸造辊压辊套采用“差温无氧化”加热的“高淬+多次高回”热处理工艺具有以下优点：（1）保证了产品外层铸造花纹形貌，提高咬入性；（2）钝化共晶碳化物，减小其割裂作用；（3）在提高外层耐磨性的同时，增强外层基体的抗冲击性能；（4）提高了芯部韧性。