本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
表2 拉伸試驗結果
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
表2 拉伸試驗結果
沿複合軋輥徑向切取三個拉伸試樣，且圖中標記部位為芯部與複合層的界面，在4206-006實驗機上進行拉伸試驗。圖4為試樣拉伸斷裂後的宏觀形貌，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。
複合軋輥熱處理及其性能檢測結果
熱處理工藝
複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
將經過熱處理後的試樣預磨和拋光，然後在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，複合界面顯微組織如圖6所示，與鍛後退火態相比，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佈，採用FM-700顯微硬度計對熱處理後的複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，在複合界面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通過真空鍛造複合工藝實現了複合層與芯部的完全冶金結合，且複合率到達100%。
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
表2 拉伸試驗結果
沿複合軋輥徑向切取三個拉伸試樣，且圖中標記部位為芯部與複合層的界面，在4206-006實驗機上進行拉伸試驗。圖4為試樣拉伸斷裂後的宏觀形貌，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。
複合軋輥熱處理及其性能檢測結果
熱處理工藝
複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
將經過熱處理後的試樣預磨和拋光，然後在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，複合界面顯微組織如圖6所示，與鍛後退火態相比，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佈，採用FM-700顯微硬度計對熱處理後的複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，在複合界面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通過真空鍛造複合工藝實現了複合層與芯部的完全冶金結合，且複合率到達100%。
圖4 Cr5/42CrMo拉伸斷裂試樣
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
表2 拉伸試驗結果
沿複合軋輥徑向切取三個拉伸試樣，且圖中標記部位為芯部與複合層的界面，在4206-006實驗機上進行拉伸試驗。圖4為試樣拉伸斷裂後的宏觀形貌，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。
複合軋輥熱處理及其性能檢測結果
熱處理工藝
複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
將經過熱處理後的試樣預磨和拋光，然後在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，複合界面顯微組織如圖6所示，與鍛後退火態相比，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佈，採用FM-700顯微硬度計對熱處理後的複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，在複合界面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通過真空鍛造複合工藝實現了複合層與芯部的完全冶金結合，且複合率到達100%。
圖4 Cr5/42CrMo拉伸斷裂試樣
圖5 Cr5/42CrMo複合軋輥淬火、回火工藝圖
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
表2 拉伸試驗結果
沿複合軋輥徑向切取三個拉伸試樣，且圖中標記部位為芯部與複合層的界面，在4206-006實驗機上進行拉伸試驗。圖4為試樣拉伸斷裂後的宏觀形貌，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。
複合軋輥熱處理及其性能檢測結果
熱處理工藝
複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
將經過熱處理後的試樣預磨和拋光，然後在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，複合界面顯微組織如圖6所示，與鍛後退火態相比，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佈，採用FM-700顯微硬度計對熱處理後的複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，在複合界面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通過真空鍛造複合工藝實現了複合層與芯部的完全冶金結合，且複合率到達100%。
圖4 Cr5/42CrMo拉伸斷裂試樣
圖5 Cr5/42CrMo複合軋輥淬火、回火工藝圖
圖6 複合軋輥熱處理後的界面示意圖
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
表2 拉伸試驗結果
沿複合軋輥徑向切取三個拉伸試樣，且圖中標記部位為芯部與複合層的界面，在4206-006實驗機上進行拉伸試驗。圖4為試樣拉伸斷裂後的宏觀形貌，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。
複合軋輥熱處理及其性能檢測結果
熱處理工藝
複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
將經過熱處理後的試樣預磨和拋光，然後在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，複合界面顯微組織如圖6所示，與鍛後退火態相比，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佈，採用FM-700顯微硬度計對熱處理後的複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，在複合界面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通過真空鍛造複合工藝實現了複合層與芯部的完全冶金結合，且複合率到達100%。
圖4 Cr5/42CrMo拉伸斷裂試樣
圖5 Cr5/42CrMo複合軋輥淬火、回火工藝圖
圖6 複合軋輥熱處理後的界面示意圖
圖7 Cr5/42CrMo界面附近顯微硬度
⑵鍛後退火態的複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℃回火後，複合界面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真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究將為大型複合軋輥的製備提供廣闊的空間。
作者簡介
本文介紹了一種新型的真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過該工藝製備了芯部為42CrMo、複合層為高耐磨性Cr5鋼的複合軋輥。結果表明：鍛後退火態Cr5/42CrMo複合軋輥複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，真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究為大型複合軋輥的製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，軋輥質量不僅關係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製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。但由於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，中間疏鬆、夾雜、組織不均問題越嚴重，大大降低了軋輥鍛造成材率，製備的軋輥也難以同時滿足軋製過程中對其耐磨性和韌性的雙重要求，而複合軋輥，由於芯部和工作層可以選用不同的材質，再通過一定的製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。
目前製備複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、成本低及適合於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。連續澆注複合鑄造法（CPC）所製備的複合軋輥克服了常規離心鑄造方法所產生的合金偏析問題，但其明顯的不足在於其成本高、生產效率低。電渣重熔法（ESR）可以通過採用不同的自耗電極製成具有梯度分佈的複合軋輥，但其缺點是生產效率低、且很難實現大型複合軋輥的製備。使用噴射沉積成形法(Osprey)製備的複合軋輥組織細化，析出相均勻彌散，不足之處在於該方法生產的軋輥外層組織不夠緻密，且生產成本高，工藝複雜，不利於軋輥的大批量生產。
為了提高軋輥性能、生產效率和實現複合軋輥的大型化，本文提出了一種新型複合軋輥製備工藝，即真空鍛造複合軋輥製備工藝，通過對該工藝的研究表明其生產效率高、適應於大規模生產，製備的複合軋輥界面結合性能好，且填補了鍛造複合軋輥的空白。
試驗方法
本次真空鍛造複合軋輥製備工藝研究以合金結構鋼42CrMo為芯部，以高耐磨性的Cr5鋼為複合層，在真空條件下將芯部、複合層端部焊接密封，然後高溫鍛造成形使芯部和複合層界面實現完全冶金結合。
芯部、複合層材質的選擇
試驗所選用複合層材質的化學成分如表1所示，芯部、複合層的尺寸如圖1所示。
圖1 芯部、複合層組坯後的縱向剖面圖
Cr5/42CrMo真空鍛造複合過程
首先通過機械打磨方式將芯部外表面、複合層內表面及兩端端部打磨乾淨，保證其表面無塵土、油漬等汙染物，將芯部嵌套在複合層內組合成坯料。將坯料轉移到真空爐中進行預熱，達到預熱溫度後保溫一段時間取出，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後，進行焊接密封，得到複合坯料。由於密封過程是在高真空環境下進行的，大大降低了界面在後續高溫鍛造過程中被氧化的可能性，將複合坯料進行高溫加熱，到達鍛造溫度後取出進行高溫鍛造，使界面達到完全冶金結合，鍛後退火到室溫，圖2為芯部、複合層真空鍛造複合過程示意圖。
初始態(鍛後退火態)複合軋輥試驗結果與分析
界面微觀組織
圖2 真空鍛造複合過程示意圖
複合率是複合軋輥重要的性能指標，界面複合率通過超聲波探傷對鍛造退火態複合軋輥進行全面積超探，其複合率達到100%。在複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、腐蝕後在奧林巴斯BX53M光學顯微鏡下進行微觀形貌觀察，複合界面的顯微組織如圖3所示。從圖中可以看出，複合界面結合良好，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
工藝成功與否取決於兩種材料的結合狀態，為了驗證初始態複合軋輥界面的結合情況，沿複合軋輥界面切取拉伸試樣。
圖3 退火態Cr5/42CrMo軋輥複合界面微觀組織
表1 複合層的化學成分（質量分數%）
表2 拉伸試驗結果
沿複合軋輥徑向切取三個拉伸試樣，且圖中標記部位為芯部與複合層的界面，在4206-006實驗機上進行拉伸試驗。圖4為試樣拉伸斷裂後的宏觀形貌，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。
複合軋輥熱處理及其性能檢測結果
熱處理工藝
複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
將經過熱處理後的試樣預磨和拋光，然後在奧林巴斯BX53M金相顯微鏡下觀察，複合界面顯微組織如圖6所示，與鍛後退火態相比，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佈，採用FM-700顯微硬度計對熱處理後的複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，在複合界面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通過真空鍛造複合工藝實現了複合層與芯部的完全冶金結合，且複合率到達100%。
圖4 Cr5/42CrMo拉伸斷裂試樣
圖5 Cr5/42CrMo複合軋輥淬火、回火工藝圖
圖6 複合軋輥熱處理後的界面示意圖
圖7 Cr5/42CrMo界面附近顯微硬度
⑵鍛後退火態的複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℃回火後，複合界面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真空鍛造複合軋輥製備工藝的研究將為大型複合軋輥的製備提供廣闊的空間。
作者簡介
韓維國，技術中心軋輥研究所副所長，工程師，主要從事冷軋輥、鍛鋼支承輥、大型鑄鍛件相關的研究工作，主持完成的《Cr5新材質冷軋輥的研製》。獲河北冶金科學技術獎三等獎，獲得中鋼集團青年科技獎、河北冶金青年科技獎，3項發明專利。
—— 來源：《鍛造與衝壓》2019年第17期