本文主要介紹，冷軋工作輥鍛造生產過程中，在鐓粗后的拔長工序采用上平砧、下V 形砧，使用120°角翻轉鍛造方法，解決了冷軋工作輥心部變形不充分，導致的一次碳化物不能被充分破碎，而形成一次碳化物裂紋報廢及一次碳化物級別超標、碳化物帶狀超標問題。同時降低了壓實工序的壓機工作負荷，提高了設備能力。

冷軋工作輥是冷軋機的大型消耗性工具，隨著我國汽車行業、家電行業的快速發展，對冷軋帶材的需求量也越來越大。因此近年來我國冷軋機組、冷連軋機建設不斷擴大，冷連軋機組超過100 條生產線,這些機組按噸鋼/0.5kg 輥耗計算，每年需要冷軋工作輥超過50000t。

為降低軋制成本、提高軋輥的使用壽命，軋輥制造廠家，不斷改進軋輥的材料。2%Cr、3%Cr 的材料基本被5%Cr 及半高速鋼材質所取代。材料的改進方向為：⑴提高材料的淬透性，增加淬硬層深度，最深的淬硬層可達50mm 以上，來提高軋輥的使用壽命；⑵增加耐磨性，提高軋輥的在機時間，提高生產效率；⑶減少殘余奧氏體數量，降低次表層裂紋引起的剝落事故。

在軋輥坯料的生產過程中，超聲波探傷是我公司內部的主要坯料報廢形式，為解決超聲波探傷合格率問題，在鍛造生產過程中，對鍛造工藝進行了多次嘗試，最后確定的了現行的有效工藝形式，120°角翻轉鍛造法。

鍛造工藝試驗

在冷軋工作輥的鍛造工序中，由于電渣鋼錠設計時，為提高熔池的冷卻速度，鋼錠直徑越小越好，但是，為避免鐓粗時出現雙鼓形或彎曲，一般為高徑比λ=H/D ≤2.5，這時鍛件的真鍛比Ys=S 鋼錠/S 輥身≤2.0。一般技術要求鍛比Y ≥3.5，因此生產中必須對鋼錠進行中間鐓粗，以增加拔長時的直徑，確保拔長鍛比。

自1932 年德國克虜伯公司首次對41.5t 鋼錠進行鐓粗以來，一直到1990 年左右，在鍛造行業內，一直將鐓粗視為壓實焊合鋼錠內部缺陷的必要手段。理論認為這是由于低溫的小變形Ⅲ區，在上下難變形Ⅰ區的擠壓下，形成大變形Ⅱ區的三向壓應力狀態，在變形的作用下，使心部缺陷得以焊合，鐓粗模型如圖1 所示。

圖1 鐓粗模型

在20世紀80年代后期的鐓粗試驗得到的結論是：⑴鐓粗至鋼錠高度60%時，試樣中心通孔的直徑處于增加狀態；⑵鐓粗至鋼錠高度50%時，鋼錠中心孔直徑無變化；⑶鐓粗至小于鋼錠高度50%時，中心孔才開始減小。而我們的鍛造工藝一般為鐓粗至鋼錠高度的50%，也就是說鐓粗是無法實現壓實的。

20 世紀90 年代后期，隨著國門的開放，開始學習他國經驗，好多高校及企業開始研究采用拔長時對鍛件進行壓實，但壓實的最終判斷條件是焊合缺陷。要焊合鋼錠內部缺陷應具備以下四個條件：⑴具有足夠高的溫度，以利于相對缺陷壁上的原子相互擴散；⑵在缺陷部位具有足夠高的產生剪變形應力條件；⑶具備足夠的相互擴散時間；⑷適合于焊合的鍛件材料的碳當量。

在試驗拔長壓實方法時，一般均選擇碳當量較低，易于焊合的材料。而作為冷軋工作輥材料均為冷作工具鋼，屬于高碳、高合金材料，各類型冷軋工作輥的化學成分見表1，其碳當量遠高于：C 焊接=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100%≥0.38%的易于焊合條件，幾乎無法實現鍛造過程中焊合缺陷。

表1 冷軋工作輥的化學成分(%)

為達到技術條件規定按GB/T 13314-2008 冷軋工作輥超聲波探傷合格的目的，我公司曾經對電渣鋼錠進行過三次鐓粗、二次鐓粗，到目前的只進行一次中間鐓粗。通過實驗證明，多次中間鐓粗+不同壓實方法的拔長操作，并未解決我公司的超聲波探傷問題及一次碳化物分布問題，而改變拔長操作方法，采用120°角翻轉鍛造法，使一次碳化物級別由2.5級～3.5 級，降低到2.0 級以下，如圖2 所示。

圖2 一次碳化物級別

失敗的三次鐓粗+拔長實際執行的試驗工藝，如圖3 所示。實踐證明，此類工藝除增加鍛造能耗外，對超聲波探傷、破碎一次碳化物等均未起到效果，因此，多次中間鐓粗的工藝是失敗的。

圖3 三次鐓粗的鍛造工藝

無論是對電渣鋼錠進行幾次鐓粗，其目的只有一個，對于這種難變形、焊合條件極差的細長軸類鍛件，期望在拔長的變形過程中，使難變形的Ⅰ區死區尖部，穿過鍛件軸線，利用在壓下過程中逐漸擴大的Ⅰ區尖部形成剪應變，剪切、斷開各區電渣錠中心在凝固過程中，形成的裂紋及空洞類缺陷，達到超聲波探傷合格的目的。

對于這類高碳、高合金鋼冷軋工作輥坯鍛件，不能期望會有壓實與焊合的條件。只能利用大的剪切變形量，將鋼錠內部缺陷剪斷并使其分散。使大的缺陷分散形成符合探傷要求的小型分散缺陷。得到滿足要求的帶有缺陷的合格鍛件，同時切碎、分散一次碳化物。

120°翻轉鍛造

在對超聲波探傷超標的輥坯進行解剖，低倍組織顯示為裂紋，經過高倍顯微鏡及電鏡檢查后發現，在裂紋中存在塊狀一次碳化物及少量C、D 類夾雜物。2000 倍的電鏡顯示裂紋呈滑移狀斷口，如圖4 所示。

圖4 裂紋電鏡照片及金相照片

治理這類探傷缺陷的思路，首先是治理電渣鋼錠的工藝設計及操作的合理性。而鍛造的目的是使已經存在于鋼錠中夾雜物類缺陷與大塊一次碳化物缺陷不以滑移方式位移，而盡可能多的以剪應變的方式變形，同時不得產生裂紋，特別是鋼錠心部，由于結晶速度慢而形成粗大等軸晶，伴隨大塊一次碳化物及未上浮的夾雜物。因此鍛造的目的是破碎這些缺陷，并避免產生新的滑移帶裂紋，也就是要求Ⅰ區尖部隨壓下進程而擴展到穿過軸心，并不能與下V 砧所產生的Ⅰ區尖部重疊，防止因剪應力過大而產生剪應力裂紋。

經過實測120°角翻轉鍛造的壓下量與展寬量實測，各道次的展寬率各不相同。根據實測結果繪制出以上四個道次的變形圖，完全適合對工藝拔長數據的設計，如圖5 所示。

圖5 120°夾角翻轉鍛造法變形模型

其外部變形規律為：第一道次的展寬率可達15%，隨著直徑的減少，在相同壓下率的條件下展寬率也在降低，到第八道次后進入圓整狀態時的展率僅有7%～8%。

從圖5 中可以看出，各道次壓下時，坯料的Ⅰ區逐漸擴展后穿過軸心線，而未與下V 形砧逐漸上移的Ⅰ、Ⅱ區匯合。避免出現難變形的Ⅰ、Ⅱ區匯合，產生的45°角剪應力，使坯料形成剪應力裂紋。

在壓下的過程中，隨著坯料Ⅰ區的擴散，使Ⅱ區產生橫向展寬變形，剪應力產生了切碎裂紋與一次碳化物的作用，更重要的是不形成裂紋，這就是120°角翻轉鍛造法對冷軋輥工作輥鍛造過程的控制，達到超聲波探傷合格的原理。

經過查找資料，20 世紀60 年代烏克蘭的烏拉爾重型機器廠，采用120°夾角翻轉鍛造9Cr2W 材質冷軋工作輥，效果良好。但該資料未介紹上平砧、下V 形砧寬度，砧寬比要求是多少，壓下量如何控制，只說明具有鍛比Y=2.0 時就可以通過探傷。

隨著冷軋工作輥技術要求的提高，材料合金量大于6%，探傷要求單點缺陷小于≤ φ2.0，表面波缺陷不允許存在，因此給鍛造工序造成了更大的難度。

自2019 年10 月以來，我公司結合輥坯合同情況，使用120°夾角翻轉鍛造法，采用單道次壓下量控制在25%以下，砧寬比控制在b=W/H ≤0.8 以內。經過對2800 噸輥坯的鍛造驗證，超聲波探傷合格率由85%提高到96%，其具體120°角翻轉鍛造法工藝如圖6 所示。

圖6 120°夾角翻轉鍛造法工藝

結論

⑴理論分析了冷軋工作輥鍛造的目的是分散電渣錠的缺陷，不產生新缺陷。

⑵120°夾角翻轉鍛造法對提高探傷合格率、破碎一次碳化物是有效的鍛造法。

⑶用小噸位設備，可以生產出較大噸位的高碳、高合金鋼合格鍛件。

作者簡歷

付前進 ，副總經理，高級工程師，主要從事軋輥材料研究工作，大型鍛鋼5%Cr 支承輥研究，獲中國機械工業聯合會科技進步二等獎，1550mm 冷軋機研制，獲黑龍江省科技進步二等獎。在國內二級刊物上發表論文20 篇。

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第21期