冷轧辊双中频淬火工艺研究

摘要：本文分析了冷轧辊双中频淬火法的工艺特点，介绍了双中频淬火工艺的试验研究工作。检测结果表明，该淬火法使冷轧辊的硬度均匀度及淬硬层深度等性能指标有了显著提高。

关键词：冷轧辊、双中频淬火

1.前言

冷轧辊是冷轧机的主要部件，由于其工作条件恶劣，故对它的各种性能如辊面硬度、硬度均匀度及淬硬层深度等都提出了很高的要求。冷轧辊通常采用高碳铬(Cr)系列合金工具钢制作，并通过严格的冶炼、锻造和热处理等工序使其满足所必需的性能要求，辊身淬火是其中最关键的工序。冷轧辊一般采用感应加热淬火，国内主要轧辊制造厂家普遍采用的是双频淬火(工频+中频)及双工频淬火(工频+工频)。由于工频感应加热设备体积庞大、调功系统复杂，因而增加了设备的投资额度和维护费用。晶闸管逆变器式中频电源体积小、结构简单，用两台中频电源即可实现双中频淬火。有关冷轧辊双中频淬火方面的研究，国内尚未见先例，因此，开展这方面的研究很有必要。

2.冷轧辊双感应器淬火法的工艺特点

目前，冷轧辊普遍采用感应加热淬火法。由于感应加热具有集肤效应和快速加热的特点，就使得这种加热方式存在着加热层较浅和奥氏体化时间偏短等问题。为了解决这些问题，通常采用的是整体感应加热淬火法和双感应器渐进式淬火法。对于冷轧辊特别是辊身细长的冷轧工作辊均趋向于采用以双频淬火为代表的双感应器渐进式淬火法。这是因为，双感应器渐进式淬火与整体感应加热淬火相比存在如下优点：①渐进式淬火法不需采用大功率的感应加热设备，也勿需设计制造复杂而庞大的感应器。②渐进式淬火法使轧辊心部温升不致过高，这不仅可借助轧辊“自淬火”效应增加淬硬层深度，而且避免了残余拉应力峰值出现在冶金质量较差的轧辊心部或中心孔壁上。③因感应加热时轧辊次表层温度高于表面温度(这是感应加热的特点所决定的)，采用整体感应加热淬火时，轧辊次表层长时间处于高温状态，极易产生过热。采用双感应器渐进式淬火，由于在两感应器之间有一个“加热间歇”，此时，轧辊次表层高温区的热量可迅速向表层和内层传导，因之使轧辊次表层不致长时间处于高温状态，从而避免了过热现象。④由于不存在因磁场逸散等造成的加热不均匀现象，故可较容易地实现精确控温。

双感应器淬火法将轧辊淬火过程由传统单感应器淬火法的加热→冷却型变成了加热→保温→冷却型，因而克服了后者奥氏体化时间短、加热深度浅等缺点，可使冷轧辊的性能指标得到显著改善。

3.冷轧辊双中频淬火工艺研究

鉴于轧辊双感应器渐进式淬火法存在上述诸多优点，我们在参考了双频淬火(工频+中频)及双工频淬火(工频+工频)工艺原则的基础上，进行了轧辊双中频淬火工艺研究。

我们依据双感应器淬火法的工艺原则，设计了一套轧辊双中频淬火工艺方案。该方案采用两台中频电源分别给上下两个感应器供电，轧辊被垂直悬挂在专用淬火机床上，自上而下顺次通过两个感应器并被加热到淬火温度，随后，位于感应器下方的喷水器对轧辊进行淬火冷却。为了保证加热均匀，用两台红外线测温仪分别对上下感应器出口部位温度进行监控，通过调节中频输出功率使温度波动控制在±2.5℃范围内，同时还要求轧辊以一定速度旋转。

双中频淬火过程如图1所示，图2则示出了轧辊的加热和冷却曲线。

双中频淬火时，轧辊的加热和冷却过程可作如下描述：以辊身部位某一点P为例(图1)，当P进入上感应器时开始加热；在上感应器出口处(图2中A点)表面被加热到淬火所需的奥氏体化温度；在上下感应器之间是所谓加热间歇，此时，轧辊表面因热量散失而逐渐降温，一定深度则因表层热量向内部传导而不断升温。P点到达下感应器入口附近时(图2中B点)，表面温度降至最低。原则上此温度不应低于冷轧辊钢的最低奥氏体化温度(约800℃)。P点进入下感应器后继续被加热直至下感应器出口处(图2中C点)，表面被加热到一个较适宜奥氏体化温度，随后进入喷水器进行淬火冷却。

由于增加了一个感应器，与单感应器淬火相比，双中频淬火加热时间大大延长(如图2所示)，使淬火过程由加热→冷却型变成了加热→保温→冷却型，有利于组织的均匀化，可显著提高轧辊的淬硬层深度和硬度均匀度。

由图2可知，在A点以前属快速加热阶段，钢的相变点(A_C1)升高；在A、C点之间属保温阶段，钢的相变点比A点以前有所下降。因此，根据过共析钢淬火温度取A_C1+(30～50)℃的原则，上感应器加热温度(T_A)应适当高于下感应器加热温度(T_C)。从增加透热深度方面考虑这也是有利的。

我们对经双中频淬火及150℃回火的材质分别为Cr2、Cr3的试验辊做了表面金相、硬度、硬度均匀度和淬硬层深度检测，并与单中频淬火辊进行了比较，结果如表1和图3、图4所示。淬硬层深度曲线是采用逐层磨削检硬度法测得的。

检测结果显示，冷轧辊采用双中频淬火法比单中频淬火法的硬度均匀度和淬硬层深度等均有明显提高，与双频淬火法相比也毫不逊色：金相组织为细针马氏体加弥散分布的点球状碳化物。这对改善冷轧辊的使用性能将产生显著效果。

4．结语

我们在分析了冷轧辊双感应器淬火工艺特点的基础上，通过试验研究开发了冷轧辊双中频淬火技术。经检测，该淬火法显著提高了轧辊的硬度均匀度和淬硬层深度，金相组织良好。采用此方法处理的冷轧辊在轧制作业中表现出了优良的使用性能。实践证明，双中频淬火法是一种运用于冷轧辊的很好的淬火方法。