60CrNiMo轧辊钢的热处理工艺
发布时间：
2026-10-28
60CrNiMo轧辊钢的热处理工艺
轧机是轧钢厂生产的关键设备，而轧辊是决定轧机效率和轧材质量的重要消耗部件。轧辊的服役条件十分恶劣，轧制坯料温度通常高达1000℃以上，由于在高温、磨损和冲击条件下工作，轧辊承受着持续的冲击载荷和热疲劳作用，其破坏形式主要有磨损、热龟裂和断裂，因此要求轧辊的材质具有良好的强韧性、高温耐磨性和抗冲击疲劳性能。轧辊的组织和性能与其热处理工艺有着直接的关系。因此，为提高轧辊的使用寿命，降低维护成本，通过研究热处理工艺获得综合性能优异的轧辊用钢，具有十分重要的意义。
符寒光等研究了淬火温度、保温时间和回火温度等参数对高速钢轧辊显微组织、力学性能和耐磨性的影响，但并未涉及不同类型热处理工艺的作用。赵晖等研究了60CrNiMo 钢轧辊堆焊修复及热处理工艺对堆焊层组织性能的影响，未提及热处理工艺对轧辊自身组织性能的影响。
本文制定了不同类型的热处理工艺( 包括贝氏体转变和马氏体转变) ，通过显微组织观察和力学性能检测，研究60CrNiMo 轧辊钢组织性能的变化规律，为其获得良好的综合使用性能提供合适的热处理制度。
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实验材料和方法
试验材料为某厂经熔炼、模铸和锻造后的方坯，其具体化学成分如表1所示。通过JMatpro 软件计算得到试验钢的各相变温度以及连续冷却相变和等温冷却相变曲线，如图1所示。由计算结果可知试验钢的Ac1为721℃，Ac3为752℃，Bs为480℃，Ms点为212℃，为制定热处理工艺提供依据。
本试验钢用于制造质量为15t 的皮尔格轧辊，对成品轧辊的表面硬度、耐磨性、强度和韧性都有着极其严格的要求，如表2所示，此外还对轧辊表面的抗断裂能力要求较高，因为对于热轧辊而言，一旦表面产生裂纹，就需对其进行修磨处理，影响生产效率并降低轧辊的使用寿命。此外，由于成品轧辊总长3228mm，最大截面处直径1320 mm，最小截面处直径360mm，截面尺寸变化较大，容易产生应力集中，并且试验钢含碳量较高，因此淬火开裂倾向比较大。充分考虑试验钢成品性能要求和成品轧辊的尺寸特性，从锻坯上取样进行热处理工艺研究，制定了如图2 所示的5种热处理工艺，包括: 工艺1-贝氏体等温淬火+高温回火，工艺2-马氏体等温淬火+高温回火，工艺3-马氏体等温淬火+亚温淬火+高温回火，工艺4-油淬+ 高温回火，工艺5-油淬+ 亚温淬火+ 高温回火，这里需要指出的是根据试验钢的Ac1和Ac3温度，选定亚温淬火的加热温度为730℃，奥氏体化温度为860℃。等温淬火的介质为50% KNO3 + 50% NaNO2混合盐，其熔点为140℃，使用温度范围为150～550 ℃。利用LEICA 光学显微镜(OM) 观察试验钢的显微组织，在AG-XPLUS万能试验机和ZBC2000-EB 摆锤冲击试验机上检测试验钢的室温拉伸性能和冲击性能，在Future-Tech FM-700 硬度计上检测试验钢的布氏硬度。
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实验结果及分析
2.1 显微组织
不同热处理工艺下试验钢的显微组织如图3所示。由图3(a) 和(b) 可以看出，400℃等温淬火加高温回火得到的组织为贝氏体和珠光体的混合组织，珠光体的片层结构清晰可见。根据试验钢等温冷却相变曲线， 400℃等温淬火属于贝氏体相变区域，但是由于等温温度较高，试样尺寸较大，造成试样在盐浴炉中由奥氏体化温度冷却到贝氏体等温温度的速度较慢，因此在冷却过程中形成了珠光体组织，保留下来的奥氏体在随后的等温过程中转变为贝氏体。由图3(c) 可以发现，工艺2组织主要为回火马氏体，以及部分的回火索氏体组织，试验钢经180℃等温淬火后得到高碳的淬火马氏体组织，在随后的回火过程中，由高碳马氏体分解形成的低碳α相和弥散的ε 碳化物组成的回火马氏体组织经腐蚀后呈黑色针状，而经高温回火后α 相发生回复或再结晶，并且碳化物球化形成了部分回火索氏体组织。工艺3的组织( 图3(d) ) 与工艺2相似，但是由于一次淬火马氏体经临界区加热后形成铁素体和奥氏体的双相组织，淬火后得到铁素体和二次淬火马氏体，再经高温回火得到的组织为二次淬火马氏体以及部分的铁素体组织。此外，还可以看出工艺3( 淬火+ 亚温淬火+ 高温回火的组织) 相比于工艺2( 淬火+ 高温回火) 的组织更加细小均匀。试样钢经油淬后得到淬火马氏体组织，再经620 ℃高温回火，得到完全的回火索氏体组织(图3( e) ) ，工艺5 相对于工艺4 经过亚温淬火后会形成部分铁素体。此外，在金相检验过程中，还发现试验钢经油淬后在内部产生了明显的微裂纹(图4) ，这种微裂纹将会对轧辊的服役性能产生严重的影响，很容易在外力作用下进一步扩展从而造成轧辊的脆性断裂，因此应当避免轧辊钢在热处理过程中产生微裂纹。
2.2 力学性能
由图5( a) 可以看出试验钢的硬度(HBW) 和抗拉强度(Ｒm) 的变化规律基本保持一致。工艺1 由于得到了部分珠光体组织，硬度和抗拉强度较高，但塑韧性很差，基本无法满足试验钢的力学性能和使用性能要求。工艺3相比于工艺2，其硬度和强度均得到了明显的提高，这主要是由于试验钢经两相区加热，形成了铁素体和奥氏体的双相组织，铁素体相阻止了新生奥氏体晶粒的长大，起到了细化晶粒的作用，此外还形成了局部富碳的奥氏体，这些奥氏体在随后的淬回火过程中转变为含碳较高的回火马氏体，具有比较高的位错密度，从而表现出更高的强度和硬度。由图5( b) 还可以看出，工艺3 和工艺5 的低温冲击性能要好于工艺2 和工艺4，这主要是由于经亚温淬火后试验钢具有双相组织特征，铁素体作为软相提高了整个组织的韧性。油淬+ 高温回火( 工艺4) 虽然得到了最高的规定塑性延伸强度(Ｒp0.2) 和抗拉强度，但是其伸长率(A) 和断面收缩率(Z) 较低，不利于提高成品轧辊的抗断裂能力，此外根据显微组织检测还发现对于试验钢油冷极易产生微裂纹，因此对于60CrNiMo轧辊钢应尽量避免采用油淬工艺。
根据不同热处理工艺下的显微组织分析和力学性能检测结果，可以发现采用马氏体等温淬火+ 两相区亚温淬火+ 高温回火的工艺可以满足试验钢用于制造轧辊的各项性能指标要求。
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结论
1) 相比较等温淬火+ 高温回火工艺，60CrNiMo钢采用亚温淬火后得到铁素体和回火马氏体的两相组织，可有效改善试验钢的力学性能。
2) 60CrNiMo 钢的裂纹敏感性较高，采用油淬+高温回火工艺时，虽然得到较高的硬度和强度，但在试样内部容易产生淬火微裂纹。
3) 60CrNiMo 钢采用马氏体等温淬火+ 两相区亚温淬火+ 高温回火的工艺可以有效避免淬火裂纹的产生，试验钢经热处理后其布氏硬度为318 HBW，规定塑性延伸强度为797MPa，抗拉强度为981MPa，伸长率为15% ，断面收缩率为46% ，室温冲击吸收能量达到66J，各项指标均高于JB/T 6401—2017 中的要求。
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